激光诱导石墨烯可穿戴压力传感器

根据宾夕法尼亚州立大学领导的国际研究小组的说法，石墨烯是单层六边形排列的碳原子，具有优异的柔韧性和高导电性，可以推动柔性电子产品的发展。

宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系 (ESM) 的程焕宇教授 领导了这项合作，该合作最近发表了两项研究，可为未来运动检测、触觉传感和健康监测设备的研究和开发提供信息。

 

研究激光加工如何影响石墨烯的形式和功能

有几种物质可以通过激光辐射转化为碳来制造石墨烯。称为激光诱导石墨烯 (LIG)，所得产品可以具有由原始材料决定的特定特性。该团队测试了这一过程，并发表了他们的结果（“激光加工参数对通过将CO2激光照射在聚酰亚胺上对激光诱导石墨烯性能的影响”）。

可穿戴压力传感器。

聚酰亚胺样品是一种塑料，通过激光扫描进行照射。研究人员改变了扫描线的功率、扫描速度、通过次数和密度。

“我们想看看激光加工过程的不同参数如何产生不同的纳米结构，”程焕宇教授 说。“改变功率使我们能够以纤维或泡沫结构制造 LIG。”

研究人员发现，从 7.2 瓦到大约 9 瓦的较低功率水平会导致形成具有许多超细层的多孔泡沫。这种 LIG 泡沫具有导电性和良好的耐热损伤性——这两种特性都可用于电子设备的组件。

将功率从大约 9 瓦增加到 12.6 瓦，LIG 的形成模式从泡沫变为小纤维束。这些束的直径随着激光功率的增加而变大，而更高的功率促进了光纤网络的网状增长。纤维结构显示出比泡沫更好的导电性。据 程焕宇教授 称，这种增强的性能与纤维的形式相结合，可以为传感设备开辟可能性。

“总的来说，这是一个我们可以用来构建其他组件的导电框架，”程焕宇教授 说。“只要纤维具有导电性，我们就可以将其用作支架，并对表面进行大量后续修改，以启用许多传感器，例如皮肤上的葡萄糖传感器或伤口感染检测器。”

改变以不同功率形成的 LIG 的激光扫描速度、密度和通道也会影响导电性和后续性能。更多的激光照射导致更高的导电性，但最终由于燃烧产生的过度碳化而下降。

 

演示低成本 LIG 传感器

以之前的研究为基础，程焕宇教授 和团队着手设计、制造和测试灵活的 LIG 压力传感器。

“压力传感器非常重要，”程说。“我们不仅可以在家庭和制造业中使用它们，还可以在皮肤表面使用它们来测量来自人体的许多信号，比如脉搏。它们还可用于人机界面，以提高假肢的性能或监控其附着点。”

该团队测试了两种设计。首先，他们在两个含有铜电极的聚酰亚胺层之间夹入了一层薄薄的 LIG 泡沫层。当施加压力时，LIG 发电。泡沫中的空隙减少了电流传输路径的数量，从而更容易定位压力源，并且似乎提高了对微妙触摸的敏感性。

第一个设计，当附着在手背或手指上时，可以检测弯曲和伸展的手部运动——以及心跳的特征性敲击、潮汐和舒张波。据 程焕宇教授 称，这种脉搏读数可以与心电图读数结合，从而在没有袖带的情况下进行血压测量。

在第二种设计中，研究人员将纳米粒子加入 LIG 泡沫中。这些微小的二硫化钼球体（一种可以充当导体和绝缘体的半导体）增强了泡沫的敏感性和对物理力的抵抗力。这种设计还可以适应重复使用，在近 10,000 次使用前后表现出几乎相同的性能。

程焕宇教授表示，这两种设计都具有成本效益，并且可以进行简单的数据采集。

研究人员计划继续探索这些设计，作为用于健康监测的独立设备或与其他现有设备配合使用。