運動傳感器是許多電子系統的重要組成部分。然而，在軟電子學領域中，基于無疲勞軟檢測質量的慣性運動傳感器的開發還沒有被廣泛地探索。無毒的鎵基液態金屬是一種新興的材料，表現出誘人的機電特性，使其成為慣性傳感器的優秀檢測質量材料。在這里，我們提出并演示了一種完全軟的激光誘導石墨烯(LIG)和基于液態金屬的慣性傳感器，集成了溫度、濕度和呼吸傳感器。慣性傳感器設計將涂有石墨烯的液態金屬液滴限制在流體通道內，在LIG電阻電極上滾動。所提出的傳感器結構和材料實現了高度可移動的檢測質量和用于其振蕩的振動空間。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性(超過12500個周期)。該平臺使用可擴展的快速激光寫入技術制造，并與可編程片上系統(PSoC)集成，作為獨立系統運行，用于實時無線監控運動模式和控制機械臂。開發的印刷慣性平臺是下一代可穿戴運動跟蹤平臺和軟人機界面的絕佳候選。
圖1. 多功能LIG平臺的概念圖、分解圖、照片和制作。(a)多功能無線平臺的概念圖，顯示了包含慣性、溫度、濕度和呼吸傳感器的平臺不同組成層的分解圖。(b)制造的多功能平臺的光學照片；插圖顯示放置在彎曲的圖案化PDMS通道內的LM。(c和d)所制造的激光誘導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金屬液滴的3D示意圖和光學照片。(e)具有PDMS通道的制造的LIG襯底的照片。(f)制造開發的多功能平臺所遵循的工藝流程。
圖2. 液滴動力學和材料特性。(a)電阻LIG電極的俯視圖。(b)提議的慣性液態金屬基傳感器的側視示意圖，顯示了LM檢驗質量塊在靜止和加速狀態下的位置，以及在施加加速度時作用于其上的力。(c)顯示電阻傳感器的操作機制和可變電阻器LM液滴啟動概念的等效電路及其相應測量設置的示意圖。(d)頂部顯微圖像顯示了LIG電阻電極的數字和位于其上的LM液滴。(e)橫截面掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，顯示了在輻照過的聚酰胺膜的頂部產生的多孔LIG網絡。(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波長的激光。(h)顯示產生LIG涂覆的EGaIn液滴的涂覆過程的示意圖。(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檢驗質量的顯微圖像，顯示了涂覆液滴液體核心的巢狀石墨烯結構。(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)通過控制led的強度和作為LM微滴位置的函數的電極的相應電阻變化，使LM激活的可變電阻器概念可視化的時間推移順序圖像。
圖3. 基于液態金屬的慣性傳感器角色塑造。(a 和 b)通過控制 LED 的強度和電極的相應電阻變化作為 LM 液滴位置的函數，可視化 LM 啟用的可變電阻概念的時間推移序列圖像。(c) LM 型慣性電阻傳感器循環滾動試驗的輸出。(d)慣性傳感器的電阻變化輸出相對于參考加速度計的輸出隨機應用運動。(e)當沿 x 和 y 方向分別施加加速度時，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-平臺角色塑造。(a)應變傳感器連接到人體皮膚時測量呼吸模式的實時響應。(b)應變傳感器在6.5% 應變電阻拉伸下的循環試驗響應。(c) LIG 溫度傳感器的電阻與環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濕度圖(當暴露于人體呼吸的交替間隔時間時)。
圖5. 平臺系統集成和應用。(a)集成信號處理和實時無線傳輸功能的可穿戴多功能平臺的系統框圖。(b和c)實時身體活動監測，其示出了當附著到執行諸如靜止站立、行走、慢跑、躺下和起床等任務的人類對象的胸部時，傳感器的電阻變化的原始輸出。(d和e)實時身體活動監測，顯示了當附著在執行原地行走、小運動、向前行走和扭轉等運動的腿式機器人的背部時，傳感器的電阻變化的原始輸出。(f)所開發的基于LM的慣性傳感器在軟人機界面中的應用示意圖。(g)使用開發的慣性傳感器拍攝的機械臂控制的連續延時照片。
相關科研成果由阿卜杜拉國王科技大學Wedyan Babatain和Muhammad Mustafa Hussain等人于2022年發表在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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
