最近，將多種聚合物襯底轉換為激光誘導石墨烯（LIG）已成為制造圖案化石墨烯基可穿戴電子器件的單一步驟方法，在傳感、驅動和能量存儲方面具有廣泛的應用。與傳統石墨烯設計相比，激光誘導熱解技術具有許多優點：環保、可設計圖案、卷對卷生產和可控形態。在這項工作中，我們通過從商用聚酰亞胺（PI）膜上層壓LIG，設計了可穿戴的柔性石墨烯基應變和壓力傳感器。將制備的LIG轉移到薄的聚二甲基硅氧烷（PDMS）片材上，該片材在彈性棉運動織物內交織，織物膠用作可穿戴傳感器。單個LIG/PDMS層用作應變傳感器，并且設計了兩層LIG/PDS（x和y激光定向膜）的垂直堆疊用于壓力傳感。這一新設計的石墨烯織物（IGT）傳感器在排球運動服中執行四項功能，包括排球接收檢測、阻擋對手球員傳球時手指觸碰犯規檢測、扣球力測量和球員位置監測。廉價的傳感器可以幫助運動員訓練，并幫助教練制定比賽策略。
圖1.通過激光誘導熱解技術制造LIG圖案的示意圖，以及排球運動服的設計應變和壓力傳感器。
圖2.掃描電鏡、拉曼光譜和 XPS 的示意圖。（a） LIG/PI膠片的SEM圖像。（b） LIG/PDMS的誘導石墨烯線。（c） LIG/PDMS的橫截面圖。（d） IGT傳感器的拉曼光譜。（e） XPS對LIG和聚酰亞胺薄膜（PI）的調查比較。（f） LIG/PI和LIG/PDMS的C 1s XPS頻譜。
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圖3.IGT應變傳感器的機械和電氣性能測試。（a）IGT傳感器電阻的相對變化與應變變化的響應，拉伸速率為140毫米/分鐘。（b）在10%（46毫米/分鐘）、40%（154毫米/分鐘）、60%（290毫米/分鐘）、80%（336毫米/分鐘）和100%（476毫米/分鐘）的重復應變下15個周期的動態響應。（c）在5%（8毫米/分鐘）、10%（15毫米/分鐘）、20%（24毫米/分鐘）、40%（42毫米/分鐘）、60%（82毫米/分鐘）、80%（102毫米/分鐘）和100%（116毫米/分鐘）的應變下，電阻相對變化隨梯度增加的響應，持續10個循環，（d）和速度為60、120、270和540毫米/分鐘。 （e） 應變階梯增加和減少時的拉伸性和可恢復性。（f）檢測限低于1%菌株。（g）在50%應變下以750毫米/分鐘的速度進行10，000次循環的穩定性測試。（h）穩定性試驗圖的放大部分。
圖4.IGT壓力傳感器的機械和電氣性能測試。（a） 相對阻力與壓力的關系從0到220 kPa的變化。（b） 在10、20、30、100和220 kPa的不同負載壓力下相對電阻變化的響應。（c） 0.05、0.1、0.2 和 0.4 Hz 不同頻率下的相對電阻變化。（d）在 5.68 Pa 的裝卸壓力下相對電阻變化的響應。（e）傳感器在 30 kPa 下進行 10，000 次循環的穩定性測試包括測試結果的放大部分作為插圖。
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圖5.應變和壓力傳感的微觀結構和高線性機制的理論研究。（a） 片狀電阻器R
1可以描述基于LIG的器件的非線性拉伸電阻和等效電路。（b） R1與非線性拉伸阻力R
2串聯連接。（c） 平面內R
1阻力隨拉伸速率線性增加。（d） 幾條線N和應變變化期間尺寸S的平均變化。當 （e） 應變為 0%、（f） 和 ∼40% 時 IGT 應變裝置的 SEM 圖像。（g） IGT壓力傳感器具有面內和面間電阻機構的微觀結構機理和高線性度的理論分析。（h） 裝卸機制。（i） IGT 壓力傳感織物上多位點壓制的相關傳感響應。
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圖6.實時球員位置、扣球效果、排球接球測試監控、手指觸球犯規檢測。（a）IGT應變傳感器在排球訓練期間通過膝蓋支架進行位置測量。（b）IGT 應變傳感器的拉伸傳感響應，膝關節彎曲 30°、90° 和 120°。（c） IGT應變傳感器經受手臂關節的約束，以實時監測手腕彎曲。（d）在擊球過程中手腕彎曲時阻力和反應時間的相對變化。（e）IGT壓力傳感織物陣列在手臂上進行排球接收統計分析。（f） IGT壓力傳感器在被排球打孔時的壓力感應反應，用于接收速度監測。（g）IGT壓力傳感織物陣列在手指上進行污垢檢測。（h） 在阻擋對手球員的擊球時進行手指觸摸犯規檢測。
相關研究成果由青島大學Lijun Qu和Mingwei Tian等人2022年發表在ACS Applied Materials & Interfaces (https://doi.org/10.1021/acsami.2c14847)上。原文：Wearable and Flexible Multifunctional Sensor Based on Laser-Induced Graphene for the Sports Monitoring System。
轉自《石墨烯研究》公眾號
