用于可穿戴电子产品的柔软、可拉伸激光诱导石墨烯传感器

一组研究人员最近在npj Flexible Electronics杂志上发表了一篇论文，展示了一种成功制造可穿戴应用的可拉伸和柔软的基于LIG的设备的新方法。

研究：在聚酰亚胺/ PDMS复合衬底上使用激光诱导石墨烯的柔软且可拉伸的电子设备。图片来源：metamorworks/Shutterstock.com

LIG制造程序的意义

通过脉冲激光照射将有机薄膜在空气中光热转化为连续的三维（3D）多孔石墨烯结构是用于制造激光诱导石墨烯（LIG）的最常见程序。制造过程代表了一种简单，直接和一步到位的方法，以实现高灵敏度压阻传感器和具有不同几何形状的柔性电子元件的可控形成。这种方法以经济实惠的方式适用于不同的应用，如可穿戴传感器和纳米发电机。

用于制造可伸缩LIG器件的现有基板的局限性

LIG可以在具有足够碳源的不同类型的合成和天然材料上制造，例如商业聚酰亚胺（PI）和木材。由于其高碳浓度和热机械稳定性，商业PI膜在形成高质量LIG期间通常用作基板。然而，商用PI薄膜的面内鲁棒性限制了它们在需要高拉伸性的器件中的应用。

通过结构和材料设计获得的可伸缩器件和基板对于可穿戴电子产品至关重要。在PI薄膜上制造的基于LIG的传感器的最大应变小于3%，与人类皮肤的最大应变超过13%相比，这要低得多。因此，必须制造可拉伸性超过15%的基于LIG的电子产品，用于可穿戴应用。

提出制造具有高拉伸性的LIG的新方法

基于LIG的器件的高拉伸性可以使用粘性和可拉伸的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为理想的弹性基材来实现。LIG可以从PI基板转移到PDMS基板，以显着扩大基于LIG的制造的器件的拉伸性。因此，PI/ PDMS复合材料可用作可拉伸的软基板，以制造柔性器件，如超级电容器和传感器。

在这项研究中，研究人员使用PI / PDMS复合基板在红外激光束照射下制造高度可拉伸的LIG。在PDMS溶液中添加PI颗粒提供了在红外激光束照射下形成多孔石墨烯所需的碳源。使用带有二氧化碳激光发生器的30瓦激光切割机在PI / PDMS复合基板上制造多孔LIG。

通过扫描电子显微镜（SEM）图像和机械张力实验，分析和测量了不同的制造参数，包括激光扫描程序条件和材料成分，这些参数可以显着影响基于LIG的制造的系统的机械和电气性能。

通过理论和实验确定激光通量，以表征PI/PDMS复合基板上的导电LIG形成，从而促进激光扫描参数的选择，如每英寸激光点数（DPI）和频率。

制造样品的评估

通过三个示例演示了基于LIG的制造系统作为遥控器和可穿戴传感器的应用，包括电生理活动传感器，手指运动监视器和实时执行器控制工具。

制造了可伸缩和柔软的基于LIG的传感器，并将其连接到志愿者的喉咙和手腕上，以分别监测头部运动，发音和脉搏波速率。同样，为手部制造了基于LIG的软手套，以监控手势并评估其作为远程控制LIG致动器的可穿戴工具的有效性。

使用万能机械试验机进行弯曲和拉伸实验。采用采样率为2赫兹和1赫兹的数字万用表分别用于喉咙和脉冲运动监测器实验以及手势和手指运动监测器实验。

研究的意义

利用红外激光照射在PI/PDMS复合基板上成功制备了LIG。通过这种制造工艺，有效地合成了具有复杂3D形状的基于LIG的传感器。此外，制造的传感器展示了承受超过15%的机械张力的能力，这高于人体皮肤的弹性，而不会影响其电气性能的稳定性。

在基于LIG的制造传感器中，良好的可循环性和归一化阻力线性增加470%，拉伸应变为15%，证明了将这些传感器用于人体运动监测应用的可行性。

通过理论和实验确定的激光通量的合理范围，以实现具有所需电气性能的基于LIG的传感器，在每平方厘米35.4焦耳至每厘米70.8焦耳之间。从演示示例中观察到的基于LIG的电气系统具有固有的拉伸性，出色的灵敏度和良好的循环性。

高质量和稳定的脉搏率信号，如舒张波和潮汐波，在连接到志愿者的手腕后，由基于LIG的传感器立即记录。每分钟71次的脉搏波表明志愿者的健康状况。

通过将LIG传感器连接到指尖到手掌的远端指间点（DIP），近端指间点（PIP）和掌指指点（MP），及时监测和准确预测左食指运动。

连接到喉咙的基于LIG的传感器检测到香蕉和苹果这两个词，并识别出志愿者的吞咽活动。带有独立LIG传感器的软手套通过分析五个手指的集体运动来有效地监控手指运动和手势。此外，功能手套被成功用作执行器的可穿戴遥控器，这表明了其在软机器人中的潜力。

综上所述，本研究结果表明，使用PI / PDMS作为基板制造的可伸缩和柔软的基于LIG的系统可以有效地用作可穿戴和柔性电子产品中的关键功能组件。

参考

Guo, X., Liu, P., Wang, H. et al. (2022) A soft and stretchable electronics using laser-induced graphene on polyimide/PDMS composite substrate. npj Flexible Electronics. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00161-z