（a） 传感器总体示意图
压力
变形
（b） 传感器局部受压示意图 图３ 改进型悬浮石墨烯压力传感器示意图［２３］ Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ
ｇｒａｐｈｅｎｅ－ｂａｓｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ［２３］
增加带有支腿的顶板将大大提高这种压力传感 器的灵敏度，改进型悬浮石墨烯压力传感器可以用 于低压检测环境，灵敏度极高，且低压范围线性度 很好，缺点是高压范围内线性度较差，结构尺寸大 于一般悬浮石墨烯压力传感器。
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ ｏｆ Ｇｒａｐｈｅｎｅ－Ｂａｓｅｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ
Ｊｉａｎｇ Ｓｈｅｎｇｗｅｉ，Ｓｈｉ Ｓｈｕａｉ，Ｙｕａｎ Ｊｉａｏｊｉａｏ，Ｆａｎｇ Ｊｉｎｇ，Ｘｕ Ｃｈｕｎｌｉｎ，Ｗａｎｇ Ｘｕｅｆａｎｇ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）
电极
SiO2 层 Si层
石墨烯
空腔 （a） 顶视图
电极 石墨烯 空腔
SiO2 层 Si压力传感器示意图［２１］ Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ＳｉＯ２ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ
ｇｒａｐｈｅｎｅ－ｂａｓｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ［２１］
50
40
30
20 10 1 500
AB CD EF
1 550
1 600 1 650 驻滓/cm-1
1 700
Intensity（a.u.）
图２ 石墨烯薄膜上不同位置的喇曼光谱 （“Ｇ” 峰）［２１］ Ｆｉｇ．２ Ｒａｍａｎ ｓｐｅｃｔｒａ （Ｇ－ｐｅａｋ）ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｉｔｅｓ ｏｎ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｆｉｌｍｓ［２１］
２０１２年，Ａ．Ｄ．Ｓｍｉｔｈ等人 完 ［２１］ 整 地 提 出 了 悬 浮石墨烯压力传感器的结构与制造工艺，如图１所 示，并运用 ＣＯＭＳＯＬ 和喇曼 光 谱 仪 对 石 墨 烯 的 变 形进行了分析。外加压 力 为 １３ ９７８ Ｐａ时， 单 层 石
墨烯 最 大 变 形 高 达 ２８０ ｎｍ。 应 变 与 “Ｇ” 峰、 “２Ｄ” 峰的喇曼位移均呈线性关系 ， ［２２］ 图２ 为 ６ 个 点 （Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ 和 Ｆ） 的 喇 曼 光 谱 测 量 值 （Ｆ 点在中心变形 处），Ｆ 点 “Ｇ” 峰 值 出 现 明 显 偏 移 。 图 ２ 中 ，Δσ 为 喇 曼 位 移 。
０ 引 言
自２００４ 年 Ｋ．Ｓ．Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ等 人 发 ［１］ 现 石 墨 烯
以来，关于石墨烯显著的机械、光学与电学等性能 的研究成为人们密切关 注 的 热 点 。 ［２－６］ 石 墨 烯 是 一 种由单层六角元胞碳原子构成的蜂窝状二维晶体，
收 稿 日 期 ：２０１３－０４－１５ 基金项目：华中科技大学自主创新基金资助项目 （２０１３ＴＳ０２２）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕｓｔｊｓｗ＠１２６．ｃｏｍ
硅膜压力 传 感 器 薄 膜 厚 度 一 般 为 ５～３０μｍ， 其厚度是单层石墨烯厚度的几千倍，而薄膜厚度越 小，传感器越灵敏，且硅膜承受的最大应力也要小 于石墨烯薄膜，因此这种压力传感器可以应用在高 量程、高灵敏度和纳米级的环境。
Ｏ．Ｋ．Ｋｗｏｎ等人 提 ［２３］ 出 了 改 进 型 悬 浮 石 墨 烯 压力传感器，如图３所示。这种压力传感器增加了
２０１３年７月 微纳电子技术第５０卷第７期 ４４７
蒋圣伟等：石墨烯压力传感器的研究进展
具有高杨氏模量［７］ （约１ ＴＰａ）、高断裂强度［８］ （约 １２５ ＧＰａ）和高热导率［９］ （约５ ０００ Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１）， 载 流 子 迁 移 率［８］高 达 ２００ ０００ ｃｍ２ ·Ｖ－１ ·ｓ－１， 速 度 饱和值［１０］为 ３×１０７ ｃｍ／ｓ。 石 墨 烯 作 为 一 种 新 型 材 料，具有广阔的应用前景，近几年来已经开始应用 于场 效 应 晶 体 管［１１］、气 体［１２］与 化 学［１３］传 感 器、透 明导电薄膜［１４］以及清洁能源设备［１５］。
ＭＥＭＳ 压 力 传 感 器 的 应 用 非 常 广 泛， 现 有 ＭＥＭＳ压力传 感 器 普 遍 采 用 硅 薄 膜， 由 于 硅 的 物 理性能 有 限， 现 有 ＭＥＭＳ 压 力 传 感 器 尺 寸 较 大， 灵敏度有限，在医学、生物等纳米领域难以得到广 泛应用。单层石墨烯厚度约 为 ０．３４ ｎｍ［１］， 石 墨 烯 能承受的最 大 应 变 约 为 ２５％ ， ［１６］ 石 墨 烯 本 身 有 很 好的压阻效应，不用再额外做电极，石墨烯的弹性 模量为３３５ Ｎ／ｍ，应变系数仅为２， 这表明在小应 变扰动下石墨烯没有电敏感，有巨大潜力作为触摸 屏显示和 柔 性 电 子 设 备 的 电 极 材 料 。 ［１７］ 基 于 石 墨 烯的这些 优 点， 科 学 家 开 始 研 究 石 墨 烯 压 力 传 感 器，在理论研究、仿真模拟与实验方面已经取得一 些进展。
４４８ Ｍｉｃｒｏｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．５０ Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ２０１３
蒋圣伟等：石墨烯压力传感器的研究进展
一个带有圆柱形支腿的顶板，顶板面积与支腿石墨 烯接触面积之间存在一个高的比值，当顶板上施加 一个较小压力时，通过支腿传递作用在石墨烯薄膜 上的压力将迅速变大。
Ｊ．Ｍａ等人研究了 光 纤 石 墨 烯 压 力 传 感 器 的 压
力响应 与 ［２９］ 温 度 响 应 ， ［３０］ 如 图 ５ （ａ） 和 （ｂ） 所
示，图中 ΔＬ 为空腔长度变化，ｐ 为压力，Δλ为波
-500 -400
实验数据 方程拟合曲线
驻L/nm
-300
-200
２ 光纤石墨烯压力传感器
不同种类光纤压力传感器已经被报道，包括： 侧孔光纤 压 力 传 感 器 、 ［２４］ 光 学 纤 维 光 栅 高 压 力 传 感器［２５］、 超 快 空 气 孔 微 结 构 光 纤 高 温 压 力 传 感 器 、 ［２６］ 全 光 纤 二 氧 化 硅 膜 片 高 灵 敏 度 压 力 传 感 器 以 ［２７］ 及基于 光 子 晶 体 光 纤 井 下 应 用 的 高 压 力 传 感 器［２８］。
MEMMSE器M件S与与传技感术器
MEMMSEDMeSviacned&STeencshornsology
石墨烯压力传感器的研究进展
蒋圣伟，师 帅，袁娇娇，方 靖，徐春林，汪学方
（华中科技大学 机械科学与工程学院 微系统中心，武汉 ４３００７４）
摘要：对几种石墨烯压力传感器的研究进展进行了综述，包括压力传感器结构、原理及其电学、 力学与机械等性能的研究，并指出了各种石墨烯压力传感器的优缺点。从中可以发现，石墨烯压 力传感器比硅压力传感器具有更优异的性能，包括高量程、高灵敏度以及纳米级尺寸。这些优点 预示石墨烯压力传感器将有望在更多场合得到应用，如在生物医学领域可被用来检测人体内部血 压或者组织压力。目前，石墨烯压力传感器的研究主要是理论与实验研究，实现商业化还需要一 段时间，但是石墨烯的制备已实现商业化，石墨烯压力传感器也将走进人们的生活。 关键词：石墨烯；压力传感器；高量程；高灵敏度；纳米级 中图分类号：ＴＰ２１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－４７７６ （２０１３）０７－０４４７－０６
压力
石墨烯
石墨烯样品 （石 墨 烯/Ni/SiO2/Si）
FeCl3
石墨烯 去离子水
（a） 将石墨烯样品 浸入 FeCl3 溶液 中蚀刻掉 Ni 层
SiO2 /Si 基底
（b） 漂浮在去离子水 水面的石墨烯薄 膜转移到光纤头 开放腔表面
（c） 石墨烯薄膜 覆盖在光纤 头微型空腔 表面示意图
石墨烯
石墨烯薄膜 覆盖于空腔
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ ｆｏｒ ｓｅｖｅｒａｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ－ｂａｓｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｒｅ－ ｖｉｅｗｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｆｏｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ．Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ－ｂａｓｅｄ ｐｒｅｓ－ ｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ．Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ－ｂａｓｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｓｕｐｅｒｉｏｒ ｔｏ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ－ｂａｓｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｒａｎｇｅ，ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｓｉｚｅ．Ｔｈｅｓｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｇｒａｐｈｅｎｅ－ｂａｓｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｐｒｏｂａ－ ｂｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｍｏｒｅ ｏｃｃａｓｉｏｎｓ，ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｂｏｄｙ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｂｌｏｏｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｒ ｔｉｓｓｕｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ｆｉｅｌｄ．Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ ｇｒａｐｈｅｎｅ－ ｂａｓｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｍａｉｎｌｙ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ，ｉｔ ｗｉｌｌ ｔａｋｅ ｓｏｍｅ ｔｉｍｅ ｆｏｒ ｓｅｎｓｏｒｓ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｂｕｔ ｔｈｅ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｃｈｉｅｖｅｄ， ｔｈｅ ｇｒａｐｈｅｎｅ－ｂａｓｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｗｉｌｌ ａｌｓｏ ｃｏｍｅ ｉｎｔｏ ｐｅｏｐｌｅ＇ｓ ｌｉｖｅｓ ｌａｔｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒａｐｈｅｎｅ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ；ｈｉｇｈ ｒａｎｇｅ；ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ；ｎａｎｏｓｃａｌｅ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－４７７６．２０１３．０７．００８ ＥＥＡＣＣ：７２３０Ｍ