基于激光诱导石墨烯的电子皮肤应变温度传感与识别研究

本文报道了一种基于单材料激光诱导石墨（LIG）的应变-温度双峰柔性应变传感器的制备方法。通过应用不同的激光工艺参数并集成到单材料LIG热电偶上，在聚酰亚胺（PI）衬底上感应出具有不同形态和微观结构的LIG电极。当LIG电极弯曲时，所制备的单材料LIG热电偶可以在电极电阻变化的情况下输出由外部温度激励的电动势。采用最佳工艺参数制作的传感器的应变系数可达12.14，塞贝克系数可达2.828 μV·K⁻¹。在应用场景方面，将感应传感器粘贴在蚕丝手套上，实现手势识别和温度感应的应用。

图1（a）给出了基于LIG的新型双模应变-温度传感器的原理图，该传感器包含两个不同微结构和尺寸的LIG电极。该传感器以聚酰亚胺薄膜为碳前驱体和衬底，在外加应变和温度的激励下，LIG电极分别实现了电阻的变化和热电势的输出。该双模柔性传感器的特征是将LIG电极作为敏感结构，其制造过程如图1（b）所示。聚酰亚胺薄膜牢固地粘附在平板上，以确保激光图案化过程中的稳定性。然后用聚焦CO₂激光扫描基片，通过在操作系统软件中设置相同的定位点，实现了所创建的两段LIG电极的精确对准。扫描电子显微镜（SEM）图像显示了界面处的形貌，这揭示了LIG电极的两个部分之间的线密度和微观结构的显著差异。图1（c）显示了单材料LIG电极中的塞贝克效应的机理。当在热电偶的两个结之间施加温度梯度时，可以在界面处产生塞贝克电压。先前已经证明，可以通过改变电极的几何形状来实现单材料热电偶的制造。

图1.基于激光陀螺的双模应变-温度传感器。(a)用于电子皮肤应用的双模柔性传感器;（b）传感器的制造原理图;（c）用于实现塞贝克效应的单材料LIG热电偶的机理。

激光功率的大小与LIG电极中的碳化程度和石墨烯片中的缺陷密度直接相关。使用532 nm波长激光进行拉曼光谱法。结果如图2（a）所示。从拉曼光谱中，观察到三个突出的峰：在~1350 cm⁻¹处的D峰，由包括面内缺陷和边缘缺陷的缺陷引起，在~1580 cm⁻¹处的G峰由双简并区中心E_{2 g}模引起，在~2700 cm⁻¹处的2D峰由二阶区界声子引起。这些峰共同证明了石墨烯的形成。计算了G带的强度和半高宽，以及I_D/I_G和I_2D/I_G的强度比。结果见图2（b）和图2（c）。I_D/I_G的强度比指示面内缺陷和结构畸变，I_2D/I_G的强度比表征石墨烯片的堆叠和移动性，并且G带的半峰全宽表示晶体展宽。

图2.传感器的特性。(a)不同激光功率下的拉曼光谱;（b）不同激光功率下的I_D/I_G和I_2D/I_G强度比;（c）不同激光功率下的G带强度和半高宽。

采用试验机测试了该器件的电阻应变效应。图3（a）表明，在正曲率下，传感器的ΔR/R₀随着弯曲半径的增加而逐渐增加，分别达到0.45%、0.7%、0.92%、1.0%和1.25%的弯曲应变。计算每个弯曲应变下的量规因子，随后进行线性拟合。该传感器的应变系数达到12.134，线性拟合曲线的R₂为0.9923，表明该传感器具有良好的线性。还对传感器的循环稳定性进行了表征，如图3（b）所示。将弯曲应变为0.28%且频率为0.2Hz的弯曲/释放循环施加到传感器，超过1000个循环。图3（c）显示了传感器在不同温度激励下的输出电动势（EMF），可以看出，随着温度从200 ℃线性增加到300 ℃，温度拟合曲线的R₂为0.919，表明传感器具有较好的线性度。与目前基于单材料热电偶的双模态传感器的研究相比，本工作显示出一定的优势，如图3（d）所示。

图3.双模态传感器的机械和电热特性的表征。(a)传感器对弯曲应变的响应和灵敏度;（b）传感器循环稳定性示意图，循环次数> 1000;（c）传感器对温度刺激的响应和灵敏度;（d）与以前研制的传感器在塞贝克系数和GF方面的比较;（e）传感器在外部温度刺激下的响应时间;（f）温度升高时传感器的EMF和电阻信号示意图。

在图4中，制作的双模传感器已被粘贴到丝绸手套上的不同位置，以实现手势识别和温度传感应用。例如，如果电阻发生变化（增加或减少），而电压没有显著变化，则可以推断为施加在传感器表面上的弯曲应变刺激。阻力的增大表示正曲率，而阻力的减小表示负曲率。相反，当电压增加而电阻减小时，通常表示环境温度升高。在图4（a）中，五个双模态传感器被附接到丝绸手套的指尖，以使得能够在手指弯曲或抓住物体时进行变形和温度感测。图4（b）已经呈现了传感器在四个不同手势上的电阻和电压信号。当手掌完全展开时，传感器上没有弯曲和热刺激，因此电阻和电位没有变化。当手指弯曲时，LIG电极的轻微变形改变了导电通路，从而导致传感器电阻的波动，而由于缺乏外部热刺激，电位保持恒定。图4（c）示出了抓握装有沸水的烧杯。图4（d）中的相应数据表明，当手指接触烧杯时，电阻减小，电位增加。这些变化归因于弯曲应变和热应力的综合作用。

图4.双模态传感器在手势识别和温度传感中的应用。(a)传感器与手势的连接;（b）不同手势下的电位和电阻信号;（c）握住装有沸水的烧杯的示意图;（d）握住烧杯时传感器的电位和电阻信号。

A novel perspective on laser-induced graphene in electronic skin for sensing and distinguishing of strain and temperature

https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.116132