中国民用航空飞行学院:基于石墨烯的柔性可穿戴应变传感器

成果简介

随着人们对健康和生活质量的关注度日益提高，可穿戴技术作为一种引人注目的创新解决方案迅速崛起。利用激光诱导石墨烯技术，可以实现单步原位、图案定制化制备低成本、高灵敏度、多功能化的柔性可穿戴传感器。本文，中国民用航空飞行学院钟勉副教授、西北工业大学王振华副教授等研究人员在《polymers》期刊发表名为“Flexible Wearable Strain Sensors Based on Laser-Induced Graphene for Monitoring Human Physiological Signals”的论文。本文采用激光诱导石墨烯技术制备了集石墨烯与柔性基底于一体的柔性可穿戴传感器，具有低成本、高性能和简单快捷的优点。

首先，该研究制备了不同激光扫描速度的LIG，对其进行SEM、Raman、XRD、XPS、EDS等表征，以选择结构和性能最优的LIG。然后，该研究使用导电银浆固定引线到LIG引脚位置，制备成柔性可穿戴传感器，对其进行性能测试及应用。这将为人体生理信号监测提供新手段，推动可穿戴技术在健康监测领域的创新发展。

图文导读

图1、 LIG的制备流程图

图2、 不同激光扫描速度的样品图及其在拐角、直线、圆圈处的SEM图。

图3 、扫描速度为70 mm/s与105 mm/s制备的LIG与PI薄膜的表征。(a)XRD; (b) Raman; (c) FTIR; (d) XPS; (e)扫描速度为70 mm/s的LIG的C1s分峰、拟合;(f)扫描速度为70 mm/s的LIG的O 1s .

图4 、扫描速度为70 mm/s的LIG的EDS检测。(a)样品图; (b) LIG横截面SEM图; (c) LIG与PI元素分布图；

图5 、柔性可穿戴传感器的性能测试。(a)扫描速度为70 mm/s和105 mm/s的柔性可穿戴传感器的相对电阻变化与拉伸应变关系; (b)扫描速度为70 mm/s和105 mm/s的柔性可穿戴传感器的灵敏度图; (c)本研究中柔性可穿戴传感器灵敏度与其他研究研究中灵敏度对比图；(d)0.4%拉伸应变10个周期稳定性测试;(e)柔性可穿戴传感器在0.8%、2.0%、4.0%、5.6%、6.4%和8.0%的十次拉伸-释放稳定性测试;(f)柔性可穿戴传感器在2.0%、4.0%、5.6%和6.4%的时间响应重复性测试;(g)柔性可穿戴传感在2.0%拉伸应变下的1000次稳定性测试; (h)1000次稳定性测试局部放大图.

图6 、柔性可穿戴传感器应用于人体生理信号监测。(a)微笑;(b)眨眼睛; (c)讲话“Congratulation”; (d)讲话“Hello”; (e)喝水; (f)脉搏; (g)手指弯曲; (h)手背舒张-握紧.

小结

实验结果表明，该传感器具有高灵敏度(GFmax=107.8)、低检测限(0.4% Strain)，在0.8%、2.0%、4.0%、5.6%、6.4%和8.0%的拉伸-释放过程中具有良好的稳定性，在2.0%、4.0%、5.6%和6.4%的拉伸-释放过程中具有良好的时间响应重复性，在拉伸应变为2.0%的1000次拉伸循环中具有良好的稳定性。最后，该研究将柔性可穿戴传感器成功应用于人体手指弯曲、脉搏、喉部等生理信号监测。基于LIG的柔性可穿戴传感器在人体生理信号监测具有广阔的前景。

全文链接：https://doi.org/10.3390/polym15173553