在實際應(yīng)用中，柔性傳感器需要在寬廣的測量范圍內(nèi)展現(xiàn)出足夠高的靈敏度；然而，這種需求總是伴隨著權(quán)衡取舍。本文通過對激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）導(dǎo)電路徑的幾何創(chuàng)新，解決了上述挑戰(zhàn)。本文， 中科院寧波材料所趙偉偉副研究員、劉小青研究員團(tuán)隊在《J. Mater. Chem. A》期刊發(fā)表名為“A laser-induced graphene/PDMS composite sensor with a dual structure enabling high-sensitivity under micro-strain and extended-range sensing”的論文，研究開發(fā)了一種液態(tài)苯并噁嗪（PGE-fa）前驅(qū)體，可在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上實現(xiàn)原位LIG制備，從而消除傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移工藝引起的缺陷。此外，通過將直線型和蛇形LIG圖案并行集成于雙架構(gòu)中，協(xié)同解決了靈敏度與測量范圍的矛盾：直線段在微應(yīng)變檢測（0.05%–10%）中展現(xiàn)出高靈敏度（GF = 68.98，應(yīng)變1%），而蛇形結(jié)構(gòu)則通過平面彎曲和旋轉(zhuǎn)變形釋放應(yīng)力，從而在高應(yīng)變耐受性（最高30%）下維持導(dǎo)電性。

研究發(fā)現(xiàn)，在小變形下，直線LIG線會出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致電阻變化以保證高靈敏度，而蛇形LIG線可通過平面彎曲和旋轉(zhuǎn)變形釋放應(yīng)力，從而為導(dǎo)電路徑提供支持，以適應(yīng)擴(kuò)展的應(yīng)變范圍。此外，該傳感器在快速響應(yīng)/恢復(fù)（180/200毫秒）、超低檢測限（0.05%應(yīng)變）及5000次循環(huán)耐久性方面表現(xiàn)卓越。在脈搏波形分析、眨眼檢測、關(guān)節(jié)運動監(jiān)測以及基于摩斯電碼的人機(jī)通信等實驗驗證中，該傳感器在多種生理和生物力學(xué)傳感場景中展現(xiàn)出卓越的適用性。相信本文中提出的智能結(jié)構(gòu)設(shè)計將為個性化醫(yī)療領(lǐng)域高性能可穿戴系統(tǒng)的開發(fā)提供有吸引力的解決方案。

圖文導(dǎo)讀

圖1、（a）通過將線性LIG線與蛇形LIG線并聯(lián)組合的LIG/PDMS傳感器的制造過程示意圖。插圖顯示了液體前體的化學(xué)結(jié)構(gòu)。（b）有限元仿真顯示了LIG/PDMS傳感器在應(yīng)變?yōu)?%時的應(yīng)力分布和變形機(jī)理圖。（c）柔性應(yīng)變傳感器在運動檢測中的應(yīng)用示意圖。

圖2、（a）在PDMS基板上制備的LIG原位的橫截面SEM圖像。（b）PDMS基板上LIG的表面SEM圖像。（c）制備的LIG的高分辨率TEM圖像。（d）拉曼光譜，（e）XRD圖譜和（f）LIG的XPS圖譜。（g）由直/蛇形LIG平行結(jié)構(gòu)組成的封裝LIG/PDMS傳感器的照片。（h）具有夾層結(jié)構(gòu)的封裝LIG/PDMS可穿戴傳感器的橫截面SEM圖像。

圖3、(a) Photographs of the dual structure strain sensor before and after stretching. (b) Relationship between the relative resistance changes and different strains for straight lines, serpentine lines and parallel lines; the inset shows the gauge factor at 1% strain. (c) Comparison of the sensitivity under different strains with those in previous studies on strain sensors. (d) Dynamic responses of parallel strain sensors under a repeated strain of 5% (90 mm min?1), 10% (180 mm min?1), 15% (270 mm min?1), and 20% (360 mm min?1) at different speeds. (e) Detection limitation testing through resistance changes under extremely small strains (0.05%, 0.1%, 0.2%, and 0.3%). (f) Dynamic response of the sensor to a stepwise strain of 0.5 mm (around 3%). In every step, the sensor was stretched/released by 0.5 mm from the previous state and held for 1s. (g) Enlarged view showing the response and recovery time of the LIG/PDMS parallel sensor. (h) Cycling stability test of the sensor under 4% strain for 5000 cycles. The insets show the response of the sensor in the first 20 and last 20 cycles.

圖4、(a) Schematic diagram of resistance change measurement for the strain sensor and an equivalent circuit. (b) Optical microscopy photographs of the straight line and serpentine line at a strain of 0%, 5% and 30% respectively. The scale bar is 200 μm. (c) Finite element simulation showing the sensor stress distribution at different tensile strains and the schematic diagram of the sensing principle. (d) Equivalent circuit diagram of the strain sensor with strain increased from 0% to 30%.

圖5、(a) Relative resistance changes as a function of the bending angle from 45° to 150°. (b) Square wave response signal when the bending angle ranges from 45° to 150°. (c) Cyclic responses for bending angles from 45° to 150°. (d) Repeatability measurement showing the continuous operation of the sensor at a bending angle of 90° for 400 s. The insets show the response of the sensor in the first 10 s and last 10 s.

圖6、 實時監(jiān)測人體皮膚的變形情況。 (a) 身體上傳感位置的概述。 (b) 脈搏跳動。 (c) 眨眼動作。 (d) 手部伸展練習(xí)。 (e) 頸部運動。 (f) 膝蓋彎曲。

圖7、 (a) 摩斯電碼表。 (b)–(e) 通過按壓直線上的表面發(fā)送摩斯電碼。根據(jù)國際摩斯電碼按壓傳感器時，ΔR/R0與時間的曲線，其中短劃“–”和點“·”分別表示短按和長按。顯示對應(yīng)于“HI, SENSOR”、“YES”、“NO”和“HELP”的信號。（f）分別用手指按壓直線和蛇形線時，傳感器ΔR/R0隨時間變化的曲線。（g）通過按壓傳感器不同區(qū)域獲取“HI, SENSOR”信號的過程。

小結(jié)

綜上所述，我們通過LIG結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)了一種兼具高靈敏度和擴(kuò)展檢測范圍的LIG/PDMS柔性傳感器。LIG通過激光照射涂覆在PDMS基底上的液態(tài)前驅(qū)體，實現(xiàn)原位制備。通過控制激光掃描路徑，構(gòu)建了由蜿蜒LIG線與平行直線LIG線組成的導(dǎo)電路徑。該設(shè)計實現(xiàn)了雙模式傳感：直線段提供高靈敏度，而蜿蜒結(jié)構(gòu)確保在大變形下穩(wěn)定工作。通過結(jié)構(gòu)觀察和有限元分析揭示其工作原理。直線LIG線在小應(yīng)變下促進(jìn)裂紋的形成和傳播，導(dǎo)致電阻明顯增加，從而實現(xiàn)高靈敏度；而蛇形LIG線可通過平面彎曲和旋轉(zhuǎn)變形釋放應(yīng)力，保持結(jié)構(gòu)完整性，從而確保更寬的檢測范圍。所得的LIG/PDMS傳感器展現(xiàn)出擴(kuò)展的應(yīng)變范圍（30%）、整個應(yīng)變范圍內(nèi)的超高靈敏度（GF = 68.98 @ 1%應(yīng)變，最高達(dá)1811.58 @ 30%應(yīng)變）、低檢測限（0.05%應(yīng)變）及優(yōu)異穩(wěn)定性（5000次循環(huán)）。此外，LIG/PDMS對不同彎曲角度也具有良好的響應(yīng)性能。該LIG/PDMS傳感器在監(jiān)測人體運動（脈搏波形分析、眨眼檢測和關(guān)節(jié)運動）以及利用摩斯電碼實現(xiàn)人機(jī)通信方面的應(yīng)用得到了驗證，這表明其在可穿戴電子設(shè)備中具有巨大潛力。本研究提出了一種通過激光加工與幾何工程的協(xié)同集成來制備先進(jìn)石墨烯基器件的創(chuàng)新策略，為個性化醫(yī)療和柔性機(jī)器人領(lǐng)域的多功能可穿戴系統(tǒng)開辟了新途徑。

文獻(xiàn)：

https://doi.org/10.1039/D5TA04469C