基于激光诱导石墨烯的高灵敏度多向应变传感器，用于人体活动监测|传感器|灵敏度|电阻|石墨烯

文章提出了一种在低应变下具有高分辨率的多向传感器。采用激光直写法在PI/PDMS复合薄膜上一步制备多孔石墨烯电极，成功制备出十字形敏感层。该传感器具有优异的传感性能、线性响应和重复性。十字形结构独特的传感特性使传感器能够实现多方向传感。当沿拉伸方向施加应力时，传感器仅对平行于拉伸方向的应变敏感，而对垂直于拉伸方向的应变不敏感。它在0%–20%的小应变范围内具有出色的各向异性传感能力，横轴与纵轴灵敏度之比在134–248范围内。该传感器能够实现微运动的多向测量，这凸显了其在柔性可穿戴电子产品中的潜在应用。

LIG多向传感器的制备示意图如图1（a）所示。首先，将3 g PI粉末、10 g PDMS组分A（甲基乙烯基硅氧烷预聚物）和0.5 g组分B（具有乙烯基侧链的甲基乙烯基硅氧烷预聚物）以20:1的比例混合。然后用玻璃棒搅拌混合物直至均匀充分混合后，将混合物浇注到尺寸为60×60×1 mm的模具中，并置于80℃的鼓风烘箱中3小时，合成PI/PDMS薄膜。随后将薄膜进行激光直写，激光功率设置为3.9 W，激光扫描速度设置为30 mm/s，光束尺寸约150 μm，脉冲宽度约50 μs，然后使用热固性导电银浆将铜电极附着到十字形图案的四个方向边缘。随后，将半固化的PDMS薄膜粘合在其顶部，得到基于激光雕刻十字形结构的多向柔性传感器，如图1（a4）所示。

图1.(a)LIG多向传感器的制备示意图。(a1)准备PI/PDMS混合溶液。(a2)铸造和模制。(a3)LIG图案化。(a4)固定电极并封装。(b)–(d)图案化PI薄膜的照片。

对得到的样品进行SEM扫描，如图2（a）所示。LIG样品的拉曼光谱在1344和1569 cm−1处显示两个典型峰，分别归因于D（无序或缺陷碳）峰和G（石墨碳）峰。I(D)/I(G)比值为2.397，表明石墨化程度较高。二维峰（位于2673和2917 cm−1）表明样品是多层石墨烯。这与图2(e)-(h)中的SEM图像一致。图2（b）为与水的接触角实验。LIG表面的静态接触角为78.687°，表明该表面是亲水的，同时也说明表面粗糙度较高。如图2(e)-(h)所示，SEM图像描绘了LIG表面的详细特征。激光烧结后的LIG表面呈现出极其粗糙且不规则的蓬松絮状形貌。图2（e）和（f）显示了激光诱导LIG敏感层侧面的SEM图像，其中上层覆盖着不同尺寸的网状絮凝结构，这是由于不均匀的石墨烯层之间的激光能量分布。在絮凝结构之间可以观察到许多微小的孔，从而形成疏松且多孔的LIG结构。这一特性使得敏感层在应变条件下结合更加均匀和稳定，形成电阻传输通道，进一步提高灵敏度和稳定性。下层是PI/PDMS层，表面相对光滑、均匀。

图2.(a)LIG表面的拉曼光谱。(b)LIG的水接触角。(c)LIG表面粗糙度干涉图。(d)使用白光干涉仪扫描LIG表面的图像。(e)和(f)在100、10和1 μm处观察的LIG敏感层侧面的SEM图像。(g)和(h)在20、10和1 μm处观察的LIG敏感层上表面的SEM图像。

为了实现多向应变传感，需要薄膜拉伸过程中电阻的变化量进行测试，如图3所示。同一应变下GFX/GFY的区间为134-248，在x方向施加不同应变时，x方向电极检测到的∆R/R0值显著高于y方向电极检测到的∆R/R0值[图3(a)-(c)]。同样地，当在y方向上施加应变时，也会出现类似的现象。应变方向上较高的∆R/R0值可能与石墨烯的填塞性有关，而垂直方向上较低的∆R/R0值可能与PDMS的泊松效应引起的小收缩有关。

图3.(a)LIG多向传感器原理图。(b)和(c)在x和y电极上的应变传感器收集的电阻变化作为一个函数。

LIG柔性应变多向传感器表现出优异的多向传感性能，其应变范围和灵敏度可以满足人体康复微运动监测的大部分需求。该传感器的实际应用如图4（a）-（d）所示，它可以附着在颈部和手腕等区域来监测人体运动。当安装在人体关节上时，应变传感器可有效检测微小的弯曲运动，近似X方向的单轴应变。腕关节小幅度屈曲，食指关节的微小运动[图4(a)]，以及颈部的运动[图4(b)]。图4（c）和（d）通过显着的电阻响应证明了该传感器在人体运动检测方面的巨大潜力。当头部沿X方向移动时，X轴响应变化较大，而Y轴响应相对稳定，表明沿X轴的单向运动。这表明传感器能够识别多个方向上的力的运动。同样，当手腕沿X方向移动时，X轴和Y轴曲线都会发生变化。这表明传感器能检测多方向的力。对曲线的进一步分析验证了多向柔性应变传感器实现多角度测量的能力，凸显了其在人体运动微运动监测方面的潜力。