激光誘導(dǎo)石墨烯可穿戴壓力傳感器

根據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組的說法，石墨烯是單層六邊形排列的碳原子，具有優(yōu)異的柔韌性和高導(dǎo)電性，可以推動(dòng)柔性電子產(chǎn)品的發(fā)展。

賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)與力學(xué)系 (ESM) 的程煥宇教授 領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)合作，該合作最近發(fā)表了兩項(xiàng)研究，可為未來運(yùn)動(dòng)檢測、觸覺傳感和健康監(jiān)測設(shè)備的研究和開發(fā)提供信息。

研究激光加工如何影響石墨烯的形式和功能

有幾種物質(zhì)可以通過激光輻射轉(zhuǎn)化為碳來制造石墨烯。稱為激光誘導(dǎo)石墨烯 (LIG)，所得產(chǎn)品可以具有由原始材料決定的特定特性。該團(tuán)隊(duì)測試了這一過程，并發(fā)表了他們的結(jié)果（“激光加工參數(shù)對通過將 CO 2激光照射在聚酰亞胺上對激光誘導(dǎo)石墨烯性能的影響”）。

可穿戴壓力傳感器。

聚酰亞胺樣品是一種塑料，通過激光掃描進(jìn)行照射。研究人員改變了掃描線的功率、掃描速度、通過次數(shù)和密度。

“我們想看看激光加工過程的不同參數(shù)如何產(chǎn)生不同的納米結(jié)構(gòu)，”程煥宇教授 說?！案淖児β适刮覀兡軌蛞岳w維或泡沫結(jié)構(gòu)制造 LIG?！?/p>

研究人員發(fā)現(xiàn)，從 7.2 瓦到大約 9 瓦的較低功率水平會(huì)導(dǎo)致形成具有許多超細(xì)層的多孔泡沫。這種 LIG 泡沫具有導(dǎo)電性和良好的耐熱損傷性——這兩種特性都可用于電子設(shè)備的組件。

將功率從大約 9 瓦增加到 12.6 瓦，LIG 的形成模式從泡沫變?yōu)樾±w維束。這些束的直徑隨著激光功率的增加而變大，而更高的功率促進(jìn)了光纖網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀增長。纖維結(jié)構(gòu)顯示出比泡沫更好的導(dǎo)電性。據(jù) 程煥宇教授 稱，這種增強(qiáng)的性能與纖維的形式相結(jié)合，可以為傳感設(shè)備開辟可能性。

“總的來說，這是一個(gè)我們可以用來構(gòu)建其他組件的導(dǎo)電框架，”程煥宇教授 說?！爸灰w維具有導(dǎo)電性，我們就可以將其用作支架，并對表面進(jìn)行大量后續(xù)修改，以啟用許多傳感器，例如皮膚上的葡萄糖傳感器或傷口感染檢測器?！?/p>

改變以不同功率形成的 LIG 的激光掃描速度、密度和通道也會(huì)影響導(dǎo)電性和后續(xù)性能。更多的激光照射導(dǎo)致更高的導(dǎo)電性，但最終由于燃燒產(chǎn)生的過度碳化而下降。

演示低成本 LIG 傳感器

以之前的研究為基礎(chǔ)，程煥宇教授 和團(tuán)隊(duì)著手設(shè)計(jì)、制造和測試靈活的 LIG 壓力傳感器。

“壓力傳感器非常重要，”程說。“我們不僅可以在家庭和制造業(yè)中使用它們，還可以在皮膚表面使用它們來測量來自人體的許多信號(hào)，比如脈搏。它們還可用于人機(jī)界面，以提高假肢的性能或監(jiān)控其附著點(diǎn)?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)測試了兩種設(shè)計(jì)。首先，他們在兩個(gè)含有銅電極的聚酰亞胺層之間夾入了一層薄薄的 LIG 泡沫層。當(dāng)施加壓力時(shí)，LIG 發(fā)電。泡沫中的空隙減少了電流傳輸路徑的數(shù)量，從而更容易定位壓力源，并且似乎提高了對微妙觸摸的敏感性。

第一個(gè)設(shè)計(jì)，當(dāng)附著在手背或手指上時(shí)，可以檢測彎曲和伸展的手部運(yùn)動(dòng)——以及心跳的特征性敲擊、潮汐和舒張波。據(jù) 程煥宇教授 稱，這種脈搏讀數(shù)可以與心電圖讀數(shù)結(jié)合，從而在沒有袖帶的情況下進(jìn)行血壓測量。

在第二種設(shè)計(jì)中，研究人員將納米粒子加入 LIG 泡沫中。這些微小的二硫化鉬球體（一種可以充當(dāng)導(dǎo)體和絕緣體的半導(dǎo)體）增強(qiáng)了泡沫的敏感性和對物理力的抵抗力。這種設(shè)計(jì)還可以適應(yīng)重復(fù)使用，在近 10,000 次使用前后表現(xiàn)出幾乎相同的性能。

程煥宇教授 表示，這兩種設(shè)計(jì)都具有成本效益，并且可以進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)采集。

研究人員計(jì)劃繼續(xù)探索這些設(shè)計(jì)，作為用于健康監(jiān)測的獨(dú)立設(shè)備或與其他現(xiàn)有設(shè)備配合使用。