基于石墨烯的3D打印高性能傳感器

來源：江蘇激光聯(lián)盟

來自都柏林圣三一大學(xué)物理學(xué)院SFI先進材料和生物工程研究中心AMBER的研究人員已經(jīng)使用其創(chuàng)新的G-Putty材料開發(fā)了下一代基于石墨烯的傳感技術(shù)。

高性能應(yīng)變傳感器通常由壓阻材料制成，其變形會改變電阻。這種傳感器對于許多應(yīng)用都很重要，尤其是能夠監(jiān)測脈搏和呼吸等生命體征的柔軟可穿戴傳感器。近年來，納米復(fù)合材，通常由嵌入聚合物基體中的一維或二維納米材料組成，已被證明是通用材料，并已用于多種終端應(yīng)用中，例如氣體、化學(xué)、熱量和生物學(xué)感應(yīng)。除此之外，對聚合物納米復(fù)合材料作為應(yīng)變傳感器也進行了大量研究。雖然通常使用壓縮成型、注塑成型、擠出和熱成型等方法加工聚合物，聚合物納米復(fù)合材料通常通過溶液制備共混熔融混合/復(fù)合原位聚合和復(fù)合材料自組裝。但通過印刷形成的納米復(fù)合材料不太常見。

根據(jù)基質(zhì)的不同，納米復(fù)合材料可以非常柔軟，因此可以貼在皮膚上。它們還具有高工作應(yīng)變范圍，使其成為可穿戴傳感等新興領(lǐng)域的理想選擇。然而，納米復(fù)合應(yīng)變傳感器具有許多明顯的缺點。尤其是，它們的粘彈性可能會引起電阻滯后，而與所考慮的應(yīng)變無關(guān)，并且使應(yīng)變系數(shù)與速率密切相關(guān)。對于要求電阻和應(yīng)變之間具有唯一關(guān)系的應(yīng)變傳感器來說，這是個重大問題。G-putty就是一個很好的例子，它的極度柔軟會在拉緊時導(dǎo)致嚴(yán)重的粘塑性松弛。這意味著，即使G-putty具有極高的規(guī)格系數(shù)，也無法將其用于制造實際的應(yīng)變傳感器。此外，有證據(jù)表明，由G-putty顯示的高規(guī)格因子與它的低粘度具有內(nèi)在聯(lián)系，進一步使事情復(fù)雜化。

需要一種制造和處理納米復(fù)合感測材料的方法，其導(dǎo)致高規(guī)格系數(shù)和電導(dǎo)率，但是其磁滯和速率依賴性已得到抑制。在這里，來自都柏林圣三一大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種配制基于G-putty的油墨的方法，該油墨可以印刷到彈性基材上直接圖案化的薄膜上。重要的是，印刷導(dǎo)致相分離，導(dǎo)致具有高導(dǎo)電性的富含石墨烯的表面區(qū)域。這進而允許制造非常薄的薄膜，該薄膜顯示的電阻足夠低，可以測量壓阻效應(yīng)。這很重要，因為這樣的薄膜以顯著降低磁滯和速率依賴性的方式被機械固定在基板-薄膜界面上。研究人員已將此類薄膜制成高性能傳感器，可用于多種應(yīng)用，例如生物醫(yī)學(xué)傳感器或作為速度和功率監(jiān)視器安裝在自行車上。

▲圖1. 印刷G-putty在生物醫(yī)學(xué)傳感中的應(yīng)用。(a–d）a, b, 絲網(wǎng)印刷在c, d, EcoFlex PDMS膜上并安裝在手腕上用于脈搏測量的G型光頭條的照片。 (e). 印刷在商用創(chuàng)可貼上的G-putty帶狀絲網(wǎng)，以及 (f) 安裝在手腕上用于脈搏測量的絲網(wǎng)。(g, h) 在 (g) EcoFlex膠片上印刷的g-putty帶狀絲網(wǎng)，以及 (h) 安裝在對象的亞當(dāng)斯蘋果上以監(jiān)測吞咽情況。N.B. 面板 (c) , (d) , (f) 和 (h) 中的初始電阻互不相同，這是因為在傳感器安裝過程中施加了不同程度的預(yù)應(yīng)力。

研究人員相信這些特性使印刷的G-putty成為真正的機電傳感器的理想選擇。尤其是，PDMS支撐件的低模量使得傳感器非常柔軟且易于佩戴-使這些傳感器成為生物醫(yī)學(xué)傳感應(yīng)用的潛在候選者，其范圍從測量呼吸速率、脈搏和關(guān)節(jié)運動。

應(yīng)變傳感器通常以波狀圖案制造，以在空間上定位響應(yīng)的同時最大化傳感器長度（以增加電阻變化）。圖2a，b中顯示的是分別通過絲網(wǎng)印刷和氣溶膠噴射印刷在超薄PDMS基板上的此類傳感器的示例。我們注意到，氣溶膠噴射印刷可以提供更好的功能，而絲網(wǎng)印刷可以提供更大的可擴展性。另外，圖2c，d示出了三個傳感器的印刷組合，每個傳感器彼此成120°。這種結(jié)構(gòu)被稱為玫瑰花結(jié)，可用于測量應(yīng)變場。為了演示其在小應(yīng)變傳感中的實用性，我們選擇了一種新穎的應(yīng)用：自行車應(yīng)變傳感。

▲圖2. 圖案化的G-putty在應(yīng)變傳感中的應(yīng)用。(a–d)包括a, b, 單線規(guī)由 (a) 絲網(wǎng)印刷和 (b) 氣溶膠噴射印刷以及c，d, 蓮座叢（即三重規(guī)）組成的印刷應(yīng)變傳感器的示例，由c絲網(wǎng)印刷印刷和d氣溶膠噴射印刷。(e–g) 照片，顯示e傳感器安裝在自行車車架中的位置，f 特寫鏡頭，顯示單個規(guī)格（絲網(wǎng)印刷）和g玫瑰花形（氣溶膠噴射）傳感器。

該研究團隊以前用橡膠帶和傻膩子中發(fā)現(xiàn)的聚合物創(chuàng)建了石墨烯的納米復(fù)合材料�，F(xiàn)在，他們已將具有高延展性的石墨烯摻合的傻膩子G-putty轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂谐錾珯C械和電性能的油墨共混物。該油墨的優(yōu)勢在于，可以使用工業(yè)印刷方法將它們轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髟O(shè)備，從絲網(wǎng)印刷到氣溶膠和機械沉積。這個非常低成本的系統(tǒng)的另一個好處是，可以在制造過程中控制各種不同的參數(shù)，這能夠針對需要檢測微小應(yīng)變的特定應(yīng)用調(diào)整材料的靈敏度。

全球醫(yī)療設(shè)備市場的當(dāng)前市場趨勢表明，這項研究完全處于向個性化，可調(diào)節(jié)，可穿戴的傳感器轉(zhuǎn)移的方向，這些傳感器可以輕松地集成到衣服中或穿在皮膚上。2020年，可穿戴醫(yī)療設(shè)備市場的價值為160億美元，尤其是在遠程病人監(jiān)護設(shè)備方面，其可觀的增長將令人矚目，人們對健身和生活方式監(jiān)測的關(guān)注也將日益增加。該團隊雄心勃勃地將科學(xué)工作轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。這些傳感器的發(fā)展代表了可穿戴診斷設(shè)備領(lǐng)域的一大進步，可診斷設(shè)備可以按定制樣式印刷并可以舒適地安裝在患者的皮膚上，以監(jiān)測各種不同的生物過程。

該研究團隊目前正在探索監(jiān)測實時呼吸和脈搏、關(guān)節(jié)運動和步態(tài)以及妊娠早期分娩的應(yīng)用程序。由于他們的傳感器兼具高靈敏度、穩(wěn)定性和寬廣的感應(yīng)范圍，并能夠?qū)⒍ㄖ频膱D案打印到柔性上，可以根據(jù)應(yīng)用場合定制傳感器。用于生產(chǎn)這些設(shè)備的方法成本低且易于擴展，這是生產(chǎn)可廣泛使用的診斷設(shè)備的基本標(biāo)準(zhǔn)。

本文來源：Daniel P. O'Driscoll et al. Printable G‐Putty for Frequency‐ and Rate‐Independent, High‐Performance Strain Sensors, Small (2021). DOI: 10.1002/smll.202006542