運(yùn)動(dòng)傳感器是許多電子系統(tǒng)的重要組成部分。然而，在軟電子學(xué)領(lǐng)域中，基于無(wú)疲勞軟檢測(cè)質(zhì)量的慣性運(yùn)動(dòng)傳感器的開(kāi)發(fā)還沒(méi)有被廣泛地探索。無(wú)毒的鎵基液態(tài)金屬是一種新興的材料，表現(xiàn)出誘人的機(jī)電特性，使其成為慣性傳感器的優(yōu)秀檢測(cè)質(zhì)量材料。在這里，我們提出并演示了一種完全軟的激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)和基于液態(tài)金屬的慣性傳感器，集成了溫度、濕度和呼吸傳感器。慣性傳感器設(shè)計(jì)將涂有石墨烯的液態(tài)金屬液滴限制在流體通道內(nèi)，在LIG電阻電極上滾動(dòng)。所提出的傳感器結(jié)構(gòu)和材料實(shí)現(xiàn)了高度可移動(dòng)的檢測(cè)質(zhì)量和用于其振蕩的振動(dòng)空間。該慣性傳感器具有6.52% m
-1s
2的高靈敏度和出色的可重復(fù)性(超過(guò)12500個(gè)周期)。該平臺(tái)使用可擴(kuò)展的快速激光寫(xiě)入技術(shù)制造，并與可編程片上系統(tǒng)(PSoC)集成，作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行，用于實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)監(jiān)控運(yùn)動(dòng)模式和控制機(jī)械臂。開(kāi)發(fā)的印刷慣性平臺(tái)是下一代可穿戴運(yùn)動(dòng)跟蹤平臺(tái)和軟人機(jī)界面的絕佳候選。
圖1. 多功能LIG平臺(tái)的概念圖、分解圖、照片和制作。(a)多功能無(wú)線(xiàn)平臺(tái)的概念圖，顯示了包含慣性、溫度、濕度和呼吸傳感器的平臺(tái)不同組成層的分解圖。(b)制造的多功能平臺(tái)的光學(xué)照片；插圖顯示放置在彎曲的圖案化PDMS通道內(nèi)的LM。(c和d)所制造的激光誘導(dǎo)石墨烯交叉指型電阻電極和位于其上的石墨烯涂覆的液態(tài)金屬液滴的3D示意圖和光學(xué)照片。(e)具有PDMS通道的制造的LIG襯底的照片。(f)制造開(kāi)發(fā)的多功能平臺(tái)所遵循的工藝流程。
圖2. 液滴動(dòng)力學(xué)和材料特性。(a)電阻LIG電極的俯視圖。(b)提議的慣性液態(tài)金屬基傳感器的側(cè)視示意圖，顯示了LM檢驗(yàn)質(zhì)量塊在靜止和加速狀態(tài)下的位置，以及在施加加速度時(shí)作用于其上的力。(c)顯示電阻傳感器的操作機(jī)制和可變電阻器LM液滴啟動(dòng)概念的等效電路及其相應(yīng)測(cè)量設(shè)置的示意圖。(d)頂部顯微圖像顯示了LIG電阻電極的數(shù)字和位于其上的LM液滴。(e)橫截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，顯示了在輻照過(guò)的聚酰胺膜的頂部產(chǎn)生的多孔LIG網(wǎng)絡(luò)。(f)顯示生成的石墨烯薄片的高倍俯視SEM圖像。(g)拉曼光譜LIG電極獲得473 nm波長(zhǎng)的激光。(h)顯示產(chǎn)生LIG涂覆的EGaIn液滴的涂覆過(guò)程的示意圖。(I和j)在PDMS基底上制作的裸和涂LIG的EGaIn的接觸角。(k和l)環(huán)境SEM (ESEM)頂部圖像顯示了裸露的和LIG涂覆的EGaIn液滴的表面。(m)涂有光的LM檢驗(yàn)質(zhì)量的顯微圖像，顯示了涂覆液滴液體核心的巢狀石墨烯結(jié)構(gòu)。(n)涂有LIG的LM的高倍ESEM圖像，顯示石墨烯薄片粘附到LM的天然氧化物層上。(o)通過(guò)控制led的強(qiáng)度和作為L(zhǎng)M微滴位置的函數(shù)的電極的相應(yīng)電阻變化，使LM激活的可變電阻器概念可視化的時(shí)間推移順序圖像。
圖3. 基于液態(tài)金屬的慣性傳感器角色塑造。(a 和 b)通過(guò)控制 LED 的強(qiáng)度和電極的相應(yīng)電阻變化作為 LM 液滴位置的函數(shù)，可視化 LM 啟用的可變電阻概念的時(shí)間推移序列圖像。(c) LM 型慣性電阻傳感器循環(huán)滾動(dòng)試驗(yàn)的輸出。(d)慣性傳感器的電阻變化輸出相對(duì)于參考加速度計(jì)的輸出隨機(jī)應(yīng)用運(yùn)動(dòng)。(e)當(dāng)沿 x 和 y 方向分別施加加速度時(shí)，組裝的兩軸傳感器的輸出。(f-h)慣性傳感器在軸加速度下的電阻變化輸出隨0.5 -2赫茲加速度頻率的變化。(i)輸出電阻隨加速度的變化。
圖4. 多功能石墨烯-平臺(tái)角色塑造。(a)應(yīng)變傳感器連接到人體皮膚時(shí)測(cè)量呼吸模式的實(shí)時(shí)響應(yīng)。(b)應(yīng)變傳感器在6.5% 應(yīng)變電阻拉伸下的循環(huán)試驗(yàn)響應(yīng)。(c) LIG 溫度傳感器的電阻與環(huán)境溫度的角色塑造圖。(d)角色塑造濕度傳感器的電容與相對(duì)濕度圖(當(dāng)暴露于人體呼吸的交替間隔時(shí)間時(shí))。
圖5. 平臺(tái)系統(tǒng)集成和應(yīng)用。(a)集成信號(hào)處理和實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)傳輸功能的可穿戴多功能平臺(tái)的系統(tǒng)框圖。(b和c)實(shí)時(shí)身體活動(dòng)監(jiān)測(cè)，其示出了當(dāng)附著到執(zhí)行諸如靜止站立、行走、慢跑、躺下和起床等任務(wù)的人類(lèi)對(duì)象的胸部時(shí)，傳感器的電阻變化的原始輸出。(d和e)實(shí)時(shí)身體活動(dòng)監(jiān)測(cè)，顯示了當(dāng)附著在執(zhí)行原地行走、小運(yùn)動(dòng)、向前行走和扭轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)的腿式機(jī)器人的背部時(shí)，傳感器的電阻變化的原始輸出。(f)所開(kāi)發(fā)的基于LM的慣性傳感器在軟人機(jī)界面中的應(yīng)用示意圖。(g)使用開(kāi)發(fā)的慣性傳感器拍攝的機(jī)械臂控制的連續(xù)延時(shí)照片。
相關(guān)科研成果由阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Wedyan Babatain和Muhammad Mustafa Hussain等人于2022年發(fā)表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.2c06180）上。原文：Graphene and Liquid Metal Integrated Multifunctional Wearable Platform for Monitoring Motion and Human–Machine Interfacing。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
