在实际应用中，柔性传感器需要在宽广的测量范围内展现出足够高的灵敏度；然而，这种需求总是伴随着权衡取舍。本文通过对激光诱导石墨烯（LIG）导电路径的几何创新，解决了上述挑战。本文， 中科院宁波材料所赵伟伟 副研究员、刘小青研究员团队在《J. Mater. Chem. A》期刊发表名为“A laser-induced graphene/PDMS composite sensor with a dual structure enabling high-sensitivity under micro-strain and extended-range sensing”的论文，研究开发了一种液态苯并噁嗪（PGE-fa）前驱体，可在聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上实现原位LIG制备，从而消除传统转移工艺引起的缺陷。此外，通过将直线型和蛇形LIG图案并行集成于双架构中，协同解决了灵敏度与测量范围的矛盾：直线段在微应变检测（0.05%–10%）中展现出高灵敏度（GF = 68.98，应变1%），而蛇形结构则通过平面弯曲和旋转变形释放应力，从而在高应变耐受性（最高30%）下维持导电性。
研究发现，在小变形下，直线LIG线会出现裂纹，导致电阻变化以保证高灵敏度，而蛇形LIG线可通过平面弯曲和旋转变形释放应力，从而为导电路径提供支持，以适应扩展的应变范围。此外，该传感器在快速响应/恢复（180/200毫秒）、超低检测限（0.05%应变）及5000次循环耐久性方面表现卓越。在脉搏波形分析、眨眼检测、关节运动监测以及基于摩斯电码的人机通信等实验验证中，该传感器在多种生理和生物力学传感场景中展现出卓越的适用性。相信本文中提出的智能结构设计将为个性化医疗领域高性能可穿戴系统的开发提供有吸引力的解决方案。
图1、（a）通过将线性LIG线与蛇形LIG线并联组合的LIG/PDMS传感器的制造过程示意图。插图显示了液体前体的化学结构。（b）有限元仿真显示了LIG/PDMS传感器在应变为5%时的应力分布和变形机理图。（c）柔性应变传感器在运动检测中的应用示意图。
综上所述，我们通过LIG结构设计开发了一种兼具高灵敏度和扩展检测范围的LIG/PDMS柔性传感器。LIG通过激光照射涂覆在PDMS基底上的液态前驱体，实现原位制备。通过控制激光扫描路径，构建了由蜿蜒LIG线与平行直线LIG线组成的导电路径。该设计实现了双模式传感：直线段提供高灵敏度，而蜿蜒结构确保在大变形下稳定工作。通过结构观察和有限元分析揭示其工作原理。直线LIG线在小应变下促进裂纹的形成和传播，导致电阻明显增加，从而实现高灵敏度；而蛇形LIG线可通过平面弯曲和旋转变形释放应力，保持结构完整性，从而确保更宽的检测范围。所得的LIG/PDMS传感器展现出扩展的应变范围（30%）、整个应变范围内的超高灵敏度（GF = 68.98 @ 1%应变，最高达1811.58 @ 30%应变）、低检测限（0.05%应变）及优异稳定性（5000次循环）。此外，LIG/PDMS对不同弯曲角度也具有良好的响应性能。该LIG/PDMS传感器在监测人体运动（脉搏波形分析、眨眼检测和关节运动）以及利用摩斯电码实现人机通信方面的应用得到了验证，这表明其在可穿戴电子设备中具有巨大潜力。本研究提出了一种通过激光加工与几何工程的协同集成来制备先进石墨烯基器件的创新策略，为个性化医疗和柔性机器人领域的多功能可穿戴系统开辟了新途径。
文献：https://doi.org/10.1039/D5TA04469C
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