一步式鐳射劃刻石墨烯製成的柔性霍爾感測器
石墨烯由於其高的載流子遷移率，低的薄層載流子密度和低溫依賴性，顯示出了基於霍爾效應感測磁場的巨大潛力。然而，與常規材料相比，石墨烯的成本意味著其在電子製造中的產業推廣緩慢。
為了降低技術壁壘並更廣泛地採用石墨烯霍爾感測器，阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的計算機，電氣和數學科學與工程學院的科學家們使用一步式鐳射劃刻工藝，該工藝不依賴多個步驟，有毒化學物質和後續處理。製成柔性霍爾感測器，可提供對磁場的線性響，具有較高的靈敏度、堅固性和彎曲性。
新興電子技術進步的正規化正在朝著使用者友好的解決方案發展，這些解決方案包括易用性，穿戴感，便攜性和人類敏感性。在過去幾十年耐磨，柔軟裝置，電子和電子面板的應用潛力激發了極大的研究興趣。磁感測能力，整合到柔性基板，可以提供獨特的特性，從而使得能夠讀出位移，方向，接近等。當前，基於矽CMOS的霍爾感測器是最常用的磁場固態感測器，這主要是由於其生產成本低並且與標準微電子工藝相容。
柔性霍爾效應感測器已經以不同的方式實現，包括透過沉積在諸如聚醯亞胺（PI），聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚醚醚酮（PEEK）的柔性基板上的堆疊薄膜（如鉍，坡莫合金和石墨烯）來實現。。尤其是石墨烯由於具有出色的材料優點（例如超高載流子遷移率，機械柔韌性，原子薄的活性體以及費米能級附近的線效能量色散）而成為一種用於構建高效能磁感測器的有希望的通道材料。據報道，石墨烯霍爾感測器在幾個重要方面均具有高效能，例如靈敏度，線性，解析度和噪聲。
LSG霍爾效應感測器的製造
透過使用來自CO 2鐳射器（Universal Laser Systems PLS6.75 10.6μm，鐳射峰值功率75 W）的脈衝，在125 µm的PI膜（杜邦，Kapton＃IM301449）上直接寫入來實現感測器。透過鐳射照射的高度區域性化，快速加熱過程，獲得了石墨烯薄片含量高的3D多孔導電碳結構。鐳射束引數對控制LSG的化學和物理性質具有深遠的影響。使用以下值對它們進行了調整，以使碳原子與基材之間的鍵合良好：3.5瓦功率，3釐米/秒的速度，每英寸1000個脈衝和5毫米的工作距離。將一百奈米的金濺射沉積在觸點（Q300T，Quorum）的頂部，以便能夠透過引線鍵合連線到資料採集系統。圖展示了霍爾效應感測器的靈活大面積陣列。鐳射劃刻技術的多功能性還允許定製感測器的幾何形狀和尺寸。插圖中顯示了單個十字形LSG霍爾感測器（水平和垂直長度分別為a = 8 mm和b = 3 mm；電極條寬度w = 0.87 mm）。
圖：基於LSG的柔性霍爾感測器的製造和幾何形狀：
一個使用CO石墨烯霍爾效應感測器的製造過程的示意圖2鐳射。b印刷的柔性LSG霍爾效應感測器陣列。插圖顯示一個十字形的LSG霍爾感測器（比例尺：2 mm）。c各種裝置架構和幾何形狀的示例。
軟觸覺感測器
研發的LSG霍爾感測器被整合到一個靈活的軟觸覺感測器中。如圖所示，透過將柔性磁體，軟彈性體和LSG霍爾感測器包裝到10×10-mm形狀的單個結構中來實現觸覺感測器。在平臺頂部施加法向力會透過彈性體的變形改變柔性磁體和LSG霍爾感測器之間的距離，從而在感測器位置引起磁場變化。該平臺的三個層分別製造，然後使用所述的Ecoflex彈性體的粘性表面堆疊在一起。
LSG霍爾感測器（在"材料的特性化"中描述，PI的厚度：0.12 mm）嵌入結構的底層。中間部分由矽酮彈性體（2毫米厚的Ecoflex，Smooth-on）組成，該矽酮彈性體是透過澆鑄到模具中並使用澆鑄刀片進行平坦化處理而製成的。結構的頂層是超撓性磁體（厚度：0.17 mm），由相同的矽基彈性體基質（Ecoflex，Smooth-on）和永磁顆粒（NdFeB，MQP-16-7FP）組成。簡而言之，透過將Ecoflex（50％重量）和NdFeB粉末（50％重量）混合並模製來製備複合材料。固化後，使用1.8 T磁場在平面外方向將磁性複合材料磁化。
圖：柔軟的觸覺感測器：
一個柔性LSG觸覺感測器的組裝。b觸覺感測器的光學照片，顯示其靈活性。
磁機電響應
磁電機械特性。
霍爾感測器的四端子霍爾測量配置。b外部磁場上的霍爾電壓為100 µA。
柔性LSG霍爾感測器的彎曲測試：
a在彎曲到一定半徑之前，期間和之後，LSG霍爾感測器的當前歸一化靈敏度。插圖影象的比例尺：5毫米。b LSS霍爾感測器當前歸一化靈敏度的彎曲週期測量。
彎曲到最小半徑5 mm後，靈敏度保持穩定，這相當於〜1.6％的拉伸應變。由彎曲曲率增加引起的霍爾靈敏度的降低可歸因於垂直於磁場的有效面積的減小。當前的歸一化靈敏度測量結果顯示，在彎曲1個，10個，100個和1000個迴圈（半徑為5 mm）之後，其效能沒有下降，這證明了LSG霍爾感測器裝置的靈活性和堅固性（圖b）。該結果表明在1000個彎曲迴圈後LSG的形態沒有可察覺的變化或損壞。
結論：
鐳射劃刻的石墨烯霍爾感測器可提供對磁場的線性響應，歸一化靈敏度為〜1.12 V / AT。它們還具有〜50 nV /的低恆定噪聲電壓底限（\ sqrt {{\ mathrm {Hz}}} \\）室溫下的偏置電流為100 µA，可與最新的低噪聲霍爾感測器媲美。
感測器具有較高的可彎曲性，較高的耐用性和最高400°C的工作溫度。它們使軟硬體等各個領域的裝置創意成為可能。例如將鐳射劃刻的石墨烯感測器與可變形的彈性體和柔性磁體結合在一起，以實現低成本，順應性和可定製的觸覺感測器。