高靈敏度柔性應變傳感器是人工智能和可穿戴電子設備的關鍵裝置。具體而言,本工作的目的是研究設計石墨烯-SiO
2球增強(GSB-enhanced)三維(3D)石墨烯泡沫(GSBF)電極結構,將其與柔性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)相結合,用于高靈敏度應變傳感器。GSBF/PDMS應變傳感器由于其獨特的力學和導電性能,具有拉伸率為50%、響應時間小于128 ms及靈敏度高(應變系數GF = 103,應變變化范圍為0-13%)等優異性能。此外,在沒有顯著阻力增量的情況下,其具有300多次加載-卸載循環的高穩定性。該傳感器可用于多種可穿戴應用,包括監測手指運動、脈搏比、髕骨反射時膝關節的應變以及肘關節、手腕、腳掌等的運動。研究表明,機器人系統、醫療保健和靈活的電子應用領域的潛在能力,成本更低,更容易獲得。

圖1. (a) GSBF/PDMS柔性應變傳感器制作工藝示意圖,(b) GSBF/PDMS傳感器照片,(c) GSBF/PDMS傳感器拉伸50%的照片。

圖2. (a) GSBF/PDMS應變傳感器彎曲和扭轉運動,(b) GO和GSBF的XRD譜圖,(c) GO和GSBF的Raman譜圖,(d) GSBF的SEM圖,(e)和(f)復合材料不同放大率下斷裂面的SEM圖。

圖3. (a)不同應變范圍下GSBF復合材料的應力-應變曲線;(b) 5-50%應變時GSBF復合材料的應力-應變曲線

圖4. (a)和(b) GSBF的SEM微觀形貌,(c)和(d) GSBF元素對應的EDS映射圖。

圖5. (a)應變為10-50%時的應力-應變曲線,(b)應變為50%時GSBF/PDMS傳感器10次循環的應力-應變曲線,(c)傳感器測試照片,(d)電阻隨應變的相對變化。

圖6. (a)傳感器在10%、20%、30%應變時的相對電阻變化,(b) GSBF應變傳感器的響應時間,(c) GBSF應變傳感器的工作機理。

圖7. (a)拉伸-松弛循環測試GSBF圖像,(b)應變傳感器300次拉伸-松弛循環響應曲線。

圖8. 用于人體運動檢測的GSBF/PDMS應變傳感器。傳感器附著在身體不同部位的相對電阻:(a)肘部,(b)手腕,(c)手指,(d)脈搏,(e)膝蓋,(f)腳底。
相關研究成果由重慶大學、中國科學院大學重慶學院Chongsheng Yu等人于2022年發表在Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures (https://doi.org/10.1016/j.physe.2022.115187)上。原文:Highly sensitive flexible strain sensor based on GSB-enhanced three-dimensional graphene composite。
轉自《石墨烯研究》公眾號