基于石墨图案化柔性传感器的液体监测装置原型研制及其在液位检测中的应用

　　本研究报告展示了一种低成本、可降解的石墨-纤维素纸基液体传感器与液位计的原型制备方法。该装置通过铅笔绘制法（pencil drawing method）实现石墨图案化，具备高灵敏度、快速响应（0.91 s）与良好稳定性，可检测0.08 ml至6280 L的液体体积，适用于水、牛奶、软饮料、异丙醇（IPA）和汽油等多种液体，在工业监测、泄漏防控和生物医学领域具有广泛应用前景。

　　

Highlight

该研究突显了使用铅笔绘制法制备石墨图案化柔性传感器在液体检测与液位监测方面的卓越性能，具备高灵敏度、快速响应与广泛适用性。

Introduction

经济实用的液位监测装置在工业与日常生活中具有重要需求。液体泄漏和溢出可能导致严重污染与系统故障，因此发展高效、低成本的液体传感器与液位监测技术具有重要意义。尽管已有多种传感器基于二维材料（2D materials）、纳米复合材料（nanocomposites）和导电水凝胶（ionic conductive hydrogels）等材料被开发，但针对常规液体（如水、牛奶、饮料）的传感器仍较为缺乏。石墨和纤维素纸作为导电材料与基底，因其高比表面积、多孔结构和生物可降解性而显示出巨大潜力。

Experimental

使用计算机软件绘制器件设计并印刷于纤维素纸上，采用10B铅笔通过铅笔绘制法在指定区域进行10次均匀涂覆以形成石墨薄膜。通过扫描电子显微镜（SEM）与能量色散光谱（EDS）对涂层形貌与元素组成进行分析。器件通过铜胶带与铜线在石墨图案两侧进行连接。

Results and discussion

SEM图像显示石墨涂层在宏观上均匀覆盖纤维素纸，微观存在部分不规则区域（图2a）。EDS分析证实碳为主要元素（95.85%），含少量氧（4.15%），表明石墨纯度较高。电学测试显示器件电阻随铅笔涂抹次数增加而下降，10次涂抹后趋于稳定。器件在水中响应迅速，电流显著上升，响应时间和恢复时间分别为0.91 s和51.06 s。该传感器还可用于液位监测，其电阻随液位高度增加而呈阶梯式下降，表现出高度准确性与稳定性。此外，该传感器对多种液体如牛奶、可乐、IPA和汽油均表现出良好响应。

Conclusions

本研究成功开发了一种基于铅笔绘制石墨图案的柔性、高灵敏度液体传感器与液位监测装置。该器件制备简便、成本低廉、性能稳定，适用于从微量（0.08 ml）到大量（6280 L）液体的检测，在工业监测、实验室应用和医疗环境中具有广泛潜力。