中科院宁波材料所：双结构石墨烯/PDMS复合传感器，用于可穿戴设备应用

在实际应用中，柔性传感器需要在宽广的测量范围内展现出足够高的灵敏度；然而，这种需求总是伴随着权衡取舍。本文通过对激光诱导石墨烯（LIG）导电路径的几何创新，解决了上述挑战。本文， 中科院宁波材料所赵伟伟副研究员、刘小青研究员团队在《J. Mater. Chem. A》期刊发表名为“A laser-induced graphene/PDMS composite sensor with a dual structure enabling high-sensitivity under micro-strain and extended-range sensing”的论文，研究开发了一种液态苯并噁嗪（PGE-fa）前驱体，可在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上实现原位LIG制备，从而消除传统转移工艺引起的缺陷。此外，通过将直线型和蛇形LIG图案并行集成于双架构中，协同解决了灵敏度与测量范围的矛盾：直线段在微应变检测（0.05%–10%）中展现出高灵敏度（GF = 68.98，应变1%），而蛇形结构则通过平面弯曲和旋转变形释放应力，从而在高应变耐受性（最高30%）下维持导电性。

研究发现，在小变形下，直线LIG线会出现裂纹，导致电阻变化以保证高灵敏度，而蛇形LIG线可通过平面弯曲和旋转变形释放应力，从而为导电路径提供支持，以适应扩展的应变范围。此外，该传感器在快速响应/恢复（180/200毫秒）、超低检测限（0.05%应变）及5000次循环耐久性方面表现卓越。在脉搏波形分析、眨眼检测、关节运动监测以及基于摩斯电码的人机通信等实验验证中，该传感器在多种生理和生物力学传感场景中展现出卓越的适用性。相信本文中提出的智能结构设计将为个性化医疗领域高性能可穿戴系统的开发提供有吸引力的解决方案。

图文导读

图1、（a）通过将线性LIG线与蛇形LIG线并联组合的LIG/PDMS传感器的制造过程示意图。插图显示了液体前体的化学结构。（b）有限元仿真显示了LIG/PDMS传感器在应变为5%时的应力分布和变形机理图。（c）柔性应变传感器在运动检测中的应用示意图。

图2、（a）在PDMS基板上制备的LIG原位的横截面SEM图像。（b）PDMS基板上LIG的表面SEM图像。（c）制备的LIG的高分辨率TEM图像。（d）拉曼光谱，（e）XRD图谱和（f）LIG的XPS图谱。（g）由直/蛇形LIG平行结构组成的封装LIG/PDMS传感器的照片。（h）具有夹层结构的封装LIG/PDMS可穿戴传感器的横截面SEM图像。

图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.

图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%.

图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.

图6、 实时监测人体皮肤的变形情况。 (a) 身体上传感位置的概述。 (b) 脉搏跳动。 (c) 眨眼动作。 (d) 手部伸展练习。 (e) 颈部运动。 (f) 膝盖弯曲。

图7、 (a) 摩斯电码表。 (b)–(e) 通过按压直线上的表面发送摩斯电码。根据国际摩斯电码按压传感器时，ΔR/R0与时间的曲线，其中短划“–”和点“·”分别表示短按和长按。显示对应于“HI, SENSOR”、“YES”、“NO”和“HELP”的信号。（f）分别用手指按压直线和蛇形线时，传感器ΔR/R0随时间变化的曲线。（g）通过按压传感器不同区域获取“HI, SENSOR”信号的过程。

小结

综上所述，我们通过LIG结构设计开发了一种兼具高灵敏度和扩展检测范围的LIG/PDMS柔性传感器。LIG通过激光照射涂覆在PDMS基底上的液态前驱体，实现原位制备。通过控制激光扫描路径，构建了由蜿蜒LIG线与平行直线LIG线组成的导电路径。该设计实现了双模式传感：直线段提供高灵敏度，而蜿蜒结构确保在大变形下稳定工作。通过结构观察和有限元分析揭示其工作原理。直线LIG线在小应变下促进裂纹的形成和传播，导致电阻明显增加，从而实现高灵敏度；而蛇形LIG线可通过平面弯曲和旋转变形释放应力，保持结构完整性，从而确保更宽的检测范围。所得的LIG/PDMS传感器展现出扩展的应变范围（30%）、整个应变范围内的超高灵敏度（GF = 68.98 @ 1%应变，最高达1811.58 @ 30%应变）、低检测限（0.05%应变）及优异稳定性（5000次循环）。此外，LIG/PDMS对不同弯曲角度也具有良好的响应性能。该LIG/PDMS传感器在监测人体运动（脉搏波形分析、眨眼检测和关节运动）以及利用摩斯电码实现人机通信方面的应用得到了验证，这表明其在可穿戴电子设备中具有巨大潜力。本研究提出了一种通过激光加工与几何工程的协同集成来制备先进石墨烯基器件的创新策略，为个性化医疗和柔性机器人领域的多功能可穿戴系统开辟了新途径。

文献：

https://doi.org/10.1039/D5TA04469C