在石墨烯片上集成ZnO納米管的壓力傳感器陣列

據麥姆斯咨詢介紹，一維（1D）壓電半導體納米材料，例如納米管、納米線和納米棒，在納米級機電能量收集、電子產品、機器人系統和醫療服務中顯示出巨大的應用潛力。

一維納米管/納米線可以在一個小空間內垂直構建和組織，以作為具有出色空間分辨率的力/壓力傳感架構。一維氧化鋅（ZnO）納米結構引起了人們的極大興趣。當與壓電效應、電子學和光子學相結合時，這些納米結構經常被用作人工智能（AI）和醫療保健應用的傳感工具。

對于尖端的機器人系統和人機交互來說，集成的觸覺模塊需要大規模整合壓力傳感器陣列，并且該陣列需要具有出色的空間分辨率、極高的靈敏度、較寬的傳感頻帶和快速響應。目前，科學家們已經廣泛研究了基于各種壓力檢測原理的可拉伸且柔韌的觸覺傳感器，例如基于電阻、電容、摩擦電和壓電效應的傳感器。

不同類型的觸覺傳感器表面結構SEM圖像

電阻式觸覺傳感器的功能組件包括在聚合物架構中的導電納米顆粒。雖然這些傳感器具有多個優點，例如具有調節空間分辨率的出色靈敏度、簡單的工具設計和廉價的制造方法，但由于現有的不足（例如功耗大和溫度影響），其適用范圍受到限制。

最流行的觸覺傳感器基于電容檢測原理，它具有功耗低、靈活性高、在寬壓力范圍內穩定的系統性能、出色的靈敏度等。在高分辨率的力/壓力跟蹤應用中使用電容式觸覺傳感器的主要缺點包括較大的器件尺寸、依賴于介電彈性體的傳感器性能不一致、測量技術復雜等。

摩擦電式觸覺傳感器由于其自供電和能量收集能力而引起了科學家的興趣。兩個相互作用組件的摩擦電極性差異已被用于顯示對各種應力感知的良好靈敏度。長期以來，動態壓力檢測一直被認為是摩擦電式傳感器的一項艱巨任務。

由于壓電式觸覺傳感器具有良好的靈敏度、快速響應和檢測動態壓力的能力，因此正獲得廣泛的研究。

將氧化鋅（ZnO）和石墨烯結合在一起，打造卓越的觸覺傳感器

科學家們利用各種技術（包括復合材料和異質結構的形成，以及光子學和壓電技術的融合）使得氧化鋅基壓電式觸覺傳感器表現出卓越的性能。壓電式光電探測器已顯示出高空間分辨率、快速反應時間以及器件靈活性。

技術要求高的生產方法會阻礙將一維氧化鋅納米結構集成到柔性基板上——作為用于高分辨率的力/壓力跟蹤的壓電式傳感器網格。一種關鍵的策略是翻轉一維納米結構并在一維納米結構陣列的相對邊緣上構建交叉電極網格。金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）工藝可用于在石墨烯片上形成高質量、尺寸和位置可控的一維氧化鋅納米管（NT）網絡。

最底部的石墨烯層調節氧化鋅納米管的尺寸和位置，并允許單獨的氧化鋅納米管剝離，以產生最佳的交叉桿微電極。這些獨特的一維納米管結合在柔性襯底上，是電子皮膚中柔性觸覺的合適基礎硬件。由于石墨烯片對扭曲和彎曲具有很大的機械耐受性，因此它們直接用作柔韌的導電層以提高接觸的魯棒性。

在石墨烯片上集成ZnO納米管的壓力傳感器陣列制造工藝

這項研究工作使用石墨烯片上的氧化鋅納米管陣列來構建高密度、位置和尺寸可調控的壓電傳感器架構?？蓡为毧刂频膫鞲邢袼鼐W格是通過將探測器的最頂部和最底部電極以交叉排列方式組裝而成的。

一組實驗表明：由像素大小、每個像素中氧化鋅納米管的數量以及每個氧化鋅納米管的橫向測量引起的力/壓力的空間映射具有穩定性和一致性。在柔性平臺上由氧化鋅納米管制成的基于肖特基二極管的觸覺傳感器實現了等效1058 dpi的空間分辨率。

研究團隊還驗證了獨立式傳感器網格在高分辨率觸覺掃描方面的卓越靈活性和電氣穩定性。這項研究有可能激起許多科研人員對一維壓電式力/壓力傳感器陣列的興趣，該傳感器陣列在人機交互接口、智能皮膚以及納/微機電系統中有多種用途。