成果简介
微应变传感器的发展在微型机器人、智能人机交互、健康监测和医疗康复等多种应用中提供了重要的前景。在应变传感器材料中，垂直石墨烯 (VG) 已显示出作为电阻材料的巨大潜力。然而，具有高分辨率的基于 VG 的应变传感器仍有待开发。此外，VG的检测机制尚未得到广泛研究。本文，山西大学王梅教授团队在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Vertical Graphene Canal Mesh for Strain Sensing with a Supereminent Resolution”的论文，研究开发了一种管状 VG 网格（VGCM）来制造用于超低应变传感的柔性应变传感器，在 0%–4% 的总应变范围内实现对低至 0.1‰ 的应变的准确响应。如此低应变的检测是由于VGCM的三维微纳结构的严格结构设计和应变集中效应。通过实验结果和理论模拟，阐述了VG微裂纹的演化过程以及VG和VGCM的传感机制，揭示了VGCM的独特优势。最后，提出了基于 VGCM 的应变传感器作为用于快速呼吸检测的便携式呼吸测试设备。
图文导读
图1. (a) 基于 VGCM 的应变传感器制造过程示意图。(b) 铜和 VG 网格的照片。(c) 基于 VGCM 的柔性应变传感器的照片。VG 网格的 SEM 图像：(d) VG 网格的俯视图；(e) 铜网上VG的剖面图；(f) PDMS/VGCM 的俯视图；(g) VGCM 的剖面图和 VG 管底面的高倍图像。
图2. 基于 VGCM50 的传感器的应变传感响应
图3. (a) VG 传感器在张力下的应变集中的三维有限元分析。基于 (b) VG0、(c) VG200、(d) VG100 和 (e) VG50 在张力下的传感器的二维局部有限元分析。(f) VG 微观结构对应变浓度的影响，如 FEA 所示
图4. (a) 基于 VGCM50 的传感器处于拉伸状态（黄色箭头表示拉伸方向）。(b) 基于 VGCM50 的传感器的示意图和 SEM 图像。(c) 平静状态下管状VG网格鱼鳞结构示意图和SEM图像。(d) 受拉状态下管状VG网格鱼鳞结构示意图和 SEM 图像。(e) 张力下裂纹的 SEM 图像。(f) VGCM 和二维石墨烯传感器在张力下的有限元分析
图5. 高灵敏度传感器在呼吸检测中的应用：(a)便携式传感器的数字图片和(b)电路图，以及被测者(c)平静状态和(d)运动后的呼吸情况.
小结
通过将应变定位集中在VG中，设计并制造了一种基于 VGCM 的超低应变传感柔性应变传感器。与典型的平面石墨烯薄膜传感器相比，VG 的鳞片结构和微纳 3D 形态显著增强了裂纹扩展，改善了应变响应。由于管状网格和VG的应变集中效应，传感器产生的裂纹数量大大增加，从而提高了传感器对低至0.1‰的超低应变的灵敏度。基于VGCM的传感器成为可穿戴设备、软微型机器人和便携式测试终端等多种应用的有希望的候选者。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.2c07658
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