房國(guó)慶 何雨昕 季善鵬 劉愛(ài)萍

摘 要： 基于柔性聚酰亞胺（PI）基底的應(yīng)變傳感器通常在軸向拉伸或壓縮下的變形有限，靈敏度不高，在多維柔性應(yīng)變傳感器方面的發(fā)展受到了限制。為了制備具有多維應(yīng)變傳感能力和高檢測(cè)靈敏度的柔性傳感器，采用紫外激光燒蝕PI薄膜制備圖案化石墨烯材料，利用聚乙烯（PE）泡棉丙烯酸雙面膠帶轉(zhuǎn)印圖案化石墨烯，并構(gòu)建雙層石墨烯基柔性應(yīng)變傳感器。對(duì)激光誘導(dǎo)石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征分析，并測(cè)試傳感器在不同變形下的傳感性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：激光誘導(dǎo)的石墨烯薄膜呈現(xiàn)蓬松的孔狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在不同應(yīng)變狀態(tài)下呈現(xiàn)拉伸或壓縮狀態(tài)，從而改變了石墨烯的導(dǎo)電通路，導(dǎo)致石墨烯薄膜電阻相應(yīng)地增大或減小。雙層石墨烯基柔性應(yīng)變傳感器可以感受不同方向的拉、壓、彎、扭等復(fù)雜形變，并表現(xiàn)出很高的靈敏度、良好的線(xiàn)性度和優(yōu)異的機(jī)械重復(fù)性。此外，該柔性應(yīng)變傳感器能夠適應(yīng)人體四肢或關(guān)節(jié)處的多維運(yùn)動(dòng)，可對(duì)手指彎曲、手掌彎曲等肢體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)摩爾斯電碼的編碼。該激光誘導(dǎo)石墨烯基柔性應(yīng)變傳感器在手勢(shì)識(shí)別、智能化控制和人機(jī)交互等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 激光誘導(dǎo)；石墨烯；應(yīng)變傳感器；肢體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)；摩爾斯電碼

中圖分類(lèi)號(hào)： TB34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1673-3851 （2023） 01-0009-08

引文格式：房國(guó)慶，何雨昕，季善鵬，等. 激光誘導(dǎo)石墨烯基柔性應(yīng)變傳感器的傳感行為分析［J］. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2023，49（1）：9-16.

Reference Format： FANG Guoqing， HE Yuxin， JI Shanpeng，et al. Analysis of sensing behavior of laser-induced graphene-based flexible strain sensor［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2023，49（1）：9-16.

Analysis of sensing behavior of laser-induced graphene-based flexible strain sensor

FANG Guoqinga， HE Yuxinb， JI Shanpenga， LIU Aipingb

（a.School of Materials Science & Engineering; b.School of Science， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： Strain sensors based on flexible polyimide （PI） substrates usually have limited deformation and low sensitivity under axial tension or compression， which restricts their development as multi-dimensional flexible strain sensors. In order to prepare a sensor with multi-dimensional strain sensing ability and high detection sensitivity， a patterned graphene material was prepared by ultraviolet laser ablation of PI film， and then it was transferred with a polyethylene （PE） foam acrylic double-sided adhesive to construct a double-layer graphene-based flexible strain sensor. The microstructure of laser-induced graphene was characterized and analyzed， and the sensing property of the sensor under different deformation was tested. The experimental results showed that the laser-induced graphene film showed a fluffy porous structure and presented tensile or compressive states under different strains， thus changing the conduction path of grapheme and leading to the increase or decrease of the resistance of graphene film. The double-layer graphene-based flexible sensor can sense complex deformations such as tension， compression， bending and torsion in different directions and show high sensitivity， good linearity and excellent mechanical repeatability. In addition， the double-layer sensor can adapt to multi-dimensional movement of human limbs or joints， effectively monitor and recognize finger bending， palm bending and other limb movements， and achieve Morse code coding. The laser-induced graphene-based flexible strain sensor prepared has a broad application prospect in gesture recognition， intelligent control， man-machine interaction and other fields.

Key words： laser-induced; graphene; strain sensor; limb movement monitoring; Morse code

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)健康生活需求的不斷提高，柔性可穿戴傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在人體健康監(jiān)測(cè)、智能控制以及人機(jī)交互等諸多領(lǐng)域［1-4］。柔性應(yīng)變傳感器作為采集外部機(jī)械信號(hào)的重要媒介，是柔性傳感系統(tǒng)中不可缺少的組成部分［5-8］。電阻式應(yīng)變傳感器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、檢測(cè)范圍寬、靈敏度可調(diào)等特點(diǎn)，在柔性可穿戴傳感領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［9-10］。雖然近年來(lái)電阻式柔性應(yīng)變傳感器在傳感性能方面有了極大的提升，但大多數(shù)傳感器只能檢測(cè)預(yù)設(shè)方向的應(yīng)變，例如只能感應(yīng)某一方向的拉伸應(yīng)變，無(wú)法同時(shí)感應(yīng)其他方向或其他形式的變形，不具有方向識(shí)別能力［11］。開(kāi)發(fā)新型的柔性應(yīng)變傳感器并對(duì)復(fù)雜而精細(xì)的人體活動(dòng)進(jìn)行傳感監(jiān)測(cè)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

石墨烯材料由于具有電子遷移率高、比表面積大、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)［12-13］，被視為制備柔性應(yīng)變傳感器的理想材料之一。傳統(tǒng)的石墨烯制備方法包括機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、氧化還原法等［14］，然而這些方法存在著成本高、污染嚴(yán)重、制備時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。近年來(lái)，激光誘導(dǎo)技術(shù)［15-16］的應(yīng)用有效克服了這些問(wèn)題。激光按照特定功率在聚酰亞胺（PI）膜上掃描時(shí)，會(huì)在PI膜表面生成圖案化的三維多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯材料，從而簡(jiǎn)化了石墨烯的制備流程，而且有利于電極的圖案化設(shè)計(jì)。因此，激光誘導(dǎo)石墨烯材料在電化學(xué)傳感器、物理傳感器、新型能源系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

然而，PI基底只能發(fā)生彎曲變形，難以進(jìn)行拉伸和壓縮變形，大大限制了激光誘導(dǎo)石墨烯的應(yīng)用場(chǎng)景，所以需要將激光誘導(dǎo)的石墨烯轉(zhuǎn)移到柔性可拉伸的基底材料表面。目前常用的柔性基底為聚二甲基硅氧烷（PDMS），雖然PDMS的機(jī)械彈性好，然而其機(jī)械強(qiáng)度不高，拉伸幅度過(guò)大會(huì)發(fā)生斷裂，韌性較差［17］。相比之下，聚乙烯（PE）泡棉具有三維獨(dú)立閉孔的泡孔結(jié)構(gòu)，表面光滑，回彈性?xún)?yōu)良，力學(xué)強(qiáng)度高，隔熱、防水、耐化學(xué)腐蝕等性能優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域［18］。另外，由于PE泡棉雙面膠帶表面涂有黏性極強(qiáng)的丙烯酸，能夠與石墨烯緊密結(jié)合并將其從PI基底上剝離下來(lái)，是低成本轉(zhuǎn)印激光誘導(dǎo)石墨烯的極佳材料之一。為此，本文選擇PE泡棉雙面膠帶轉(zhuǎn)印激光誘導(dǎo)石墨烯，低成本制備具有多維力感知能力的柔性應(yīng)變傳感器。

本文利用355 nm的紫外激光器燒蝕PI薄膜獲得石墨烯材料，利用PE泡棉雙面膠帶對(duì)石墨烯薄膜進(jìn)行轉(zhuǎn)印，并對(duì)轉(zhuǎn)印的石墨烯材料進(jìn)行表征分析。隨后將兩個(gè)轉(zhuǎn)印的石墨烯電極垂直相向貼合，構(gòu)造雙層石墨烯結(jié)構(gòu)，以提供石墨烯基傳感器多個(gè)方向的變形能力。其次，探究石墨烯基柔性應(yīng)變傳感器的傳感行為，分析其靈敏度、線(xiàn)性度、穩(wěn)定性等基本性能，并對(duì)簡(jiǎn)單的肢體運(yùn)動(dòng)（如手指、手掌彎曲等）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。最后，考察石墨烯傳感器在摩爾斯電碼編碼方面的應(yīng)用潛能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

主要實(shí)驗(yàn)材料：商用PI薄膜（厚度50 μm），購(gòu)自深圳市金綠葉電子材料有限公司；PE泡棉雙面膠帶（CIP66），購(gòu)自明尼蘇達(dá)礦業(yè)與制造公司；無(wú)水乙醇，分析純，購(gòu)自杭州高晶精細(xì)化工有限公司；導(dǎo)電銅箔膠帶（YXW-229），購(gòu)自深圳市旺興膠帶有限公司。

主要實(shí)驗(yàn)儀器：CY-ZW3W型紫外激光切割機(jī)（深圳市超越激光智能裝備股份有限公司），吉時(shí)利2400數(shù)字源表（中檢科電儀器有限公司），MX-0350型應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試儀（江蘇摩信工業(yè)系統(tǒng)有限公司），D8 Discover型X射線(xiàn)衍射儀（XRD，Bruker公司），GeminiSEM500型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，Carl Zeiss公司），K-ALPHA型X射線(xiàn)光電子能譜儀（XPS，Thermo Fisher科技公司），LabRAM HR Evolution型顯微激光拉曼光譜儀（Raman spectra，HORIBA Jobin Yvon公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 激光誘導(dǎo)石墨烯的制備

在硅膠墊上灑上無(wú)水乙醇，將50 μm厚的PI膜貼到硅膠墊上，并用無(wú)水乙醇擦拭PI膜表面，去除表面污染物。調(diào)整激光參數(shù)，確定激光聚焦在樣品上方4 mm處，設(shè)置激光掃描速度為50 mm/s，激光的Q波脈沖頻率為150 kHz，掃描間距為0.02 mm，脈沖寬度為1 μs；點(diǎn)擊標(biāo)刻，將計(jì)算機(jī)上事先設(shè)計(jì)好的圖案化電極燒蝕在PI膜表面，制備傳感電極。

1.2.2 雙層柔性應(yīng)變傳感器的制備

雙層石墨烯基柔性應(yīng)變傳感器的制備流程如圖1所示。具體流程如下：首先，將PE泡棉雙面膠帶貼合到已經(jīng)制作好的激光誘導(dǎo)石墨烯電極上，完全覆蓋石墨烯部分，用力按壓使膠帶緊密貼合石墨烯，隨后撕開(kāi)PI層和膠帶層，將PI基底上的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)印到PE雙面膠帶上；其次，利用激光器的切割功能切割銅箔，獲得傳感器引腳，并貼到石墨烯電極上（保持銅箔與石墨烯緊密接觸）。最后，將兩個(gè)相同的石墨烯電極垂直貼合在一起，石墨烯材料部分緊密接觸，得到雙層石墨烯柔性傳感器。

1.3 測(cè)試與表征

采用SEM觀察激光誘導(dǎo)石墨烯的微觀形貌，測(cè)試前利用PE泡棉雙面膠帶轉(zhuǎn)印PI基底上的石墨烯。采用拉曼光譜儀和X射線(xiàn)衍射儀研究激光誘導(dǎo)石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)，設(shè)置拉曼光譜儀波數(shù)采集范圍為1200～3000 cm-1，設(shè)置X射線(xiàn)衍射儀掃描范圍為10°～50°。采用X射線(xiàn)光電子能譜儀測(cè)試激光誘導(dǎo)石墨烯的成分，能量掃描范圍為0～1400 eV。利用應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試儀和吉時(shí)利2400數(shù)字源表探究傳感器在不同應(yīng)變下的傳感性能。調(diào)節(jié)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試儀的拉伸速率為1 mm/min，壓縮速率為5 mm/min，并利用2400數(shù)字源表捕捉傳感器電阻信號(hào)的變化。拉伸和壓縮應(yīng)變時(shí)測(cè)量模式設(shè)置為R-T模式，彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)變時(shí)測(cè)量模式設(shè)置為I-V模式，繪制出應(yīng)變與電阻變化率間的函數(shù)關(guān)系圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光誘導(dǎo)石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)分析

利用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)石墨烯電極的形狀，其中心位置是一個(gè)10 mm×10 mm的正方形，兩端引腳為3 mm×15 mm的矩形（圖2 （a））。利用紫外激光燒蝕PI基底獲得激光誘導(dǎo)石墨烯。圖2（b）為PE泡棉雙面膠帶轉(zhuǎn)印后的石墨烯SEM圖像，石墨烯呈現(xiàn)蓬松多孔的三維結(jié)構(gòu)并伴有一些不規(guī)則裂紋。從放大的SEM圖像可以看到，石墨烯薄膜微孔的尺寸分布在一微米到數(shù)十微米之間。石墨烯與PI之間存在著明顯的分層，石墨烯膜的厚度約為60 μm（圖2 （c））。石墨烯的拉曼光譜顯示出三個(gè)特征峰，分別為1350 cm-1處的D峰、1580 cm-1處的G峰與2700 cm-1處的2D峰（圖2 （d））。通常認(rèn)為，G峰與2D峰的強(qiáng)度比與石墨烯的層數(shù)有關(guān)，即G峰的高度明顯高于2D峰，說(shuō)明激光誘導(dǎo)石墨烯具有多層堆疊的結(jié)構(gòu)［19］。石墨烯的XRD圖譜也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。如圖2（e）所示，石墨烯的XRD曲線(xiàn)在2θ=23.8°附近出現(xiàn)了一個(gè)寬的衍射峰，歸因于石墨（002）晶面的衍射峰。由于激光誘導(dǎo)石墨烯在微觀上具有多層納米片堆疊的多孔結(jié)構(gòu)，因此衍射峰較寬，峰強(qiáng)較弱［20］。進(jìn)一步利用XPS技術(shù)分析激光誘導(dǎo)石墨烯的原子構(gòu)成及其相對(duì)含量。樣品主要包含C、N、O三種元素（圖2 （f）），C與O元素的含量比約為6∶1，這是由于激光燒蝕過(guò)程中PI膜分解，部分N、O元素以氣體的形式釋放出來(lái)并參與碳原子重排，形成石墨烯網(wǎng)絡(luò)［21］。利用2400數(shù)字源表測(cè)得激光誘導(dǎo)石墨烯的電阻約為0.5～2.0 kΩ·cm，表明本文制備的石墨烯適合用作傳感材料。

2.2 柔性應(yīng)變傳感器的傳感性能分析

與PI基底相比，PE泡棉雙面膠帶具有更好的應(yīng)變性能，能夠?qū)崿F(xiàn)拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等各種形變，與激光誘導(dǎo)的石墨烯復(fù)合，有利于傳感器傳感性能的提升。利用吉時(shí)利2400數(shù)字源表測(cè)量傳感器在不同形變下的阻值變化，并分析傳感器形變與電學(xué)性能變化間的函數(shù)關(guān)系。由于雙層石墨烯柔性傳感器呈現(xiàn)十字型結(jié)構(gòu)，因而選擇任意一組相對(duì)的電極引腳并固定在應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試儀上，測(cè)試傳感器在拉伸過(guò)程中的電阻變化。從圖3（a）所示的拉伸響應(yīng)曲線(xiàn)看到（插入圖為用手拉伸傳感器發(fā)生形變的示意圖），在應(yīng)變?yōu)?5%處的曲線(xiàn)可分成前后兩段。前段拉伸過(guò)程中傳感器的形變較小，伸長(zhǎng)的PE泡棉基底帶動(dòng)激光誘導(dǎo)石墨烯伸長(zhǎng)，導(dǎo)致三維空洞間隙不斷增大，電阻值呈線(xiàn)性增大趨勢(shì)。傳感器的靈敏度因子GF可以通過(guò)計(jì)算電阻變化率與形變量的比值得到，即GF=ΔR/Rε=80（其中：ΔR/R為電阻變化率，ε為形變量）。后段拉伸過(guò)程中由于基底形變過(guò)大，石墨烯三維多孔間隙進(jìn)一步增大并出現(xiàn)更多裂紋，導(dǎo)電通路減少導(dǎo)致電阻急劇增大，靈敏度進(jìn)一步提升（GF>1500）。在壓縮變形測(cè)試模式下，將雙層石墨烯傳感器的兩個(gè)相鄰電極引腳與2400數(shù)字源表的電極相連，記錄壓縮變形過(guò)程中傳感器電阻的變化情況。從圖3（b）中可以看到（插入圖為用手按壓傳感器發(fā)生形變的示意圖），在受壓狀態(tài)下石墨烯的三維多孔結(jié)構(gòu)變得致密，導(dǎo)電通路距離縮短，傳感器的導(dǎo)電性增強(qiáng)，電阻減小。通過(guò)線(xiàn)性擬合得到的GF在0.2到0.3之間，線(xiàn)性回歸系數(shù)為R2=97.934%，表明傳感器的壓縮應(yīng)變與電阻變化率呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性關(guān)系。

雙層石墨烯傳感器除了可以感知單一方向的拉伸和壓縮應(yīng)變以外，還可以感知復(fù)雜的彎曲和扭曲應(yīng)變。首先將傳感器貼到柔軟的塑料卡片上，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)機(jī)械滑塊運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)塑料卡片彎曲變形。由于傳感器緊密貼合在塑料卡片上并產(chǎn)生了與之相同的彎曲變形，因此通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行距離即可控制傳感器的彎曲曲率。當(dāng)將2400數(shù)字源表的兩個(gè)電極連接在傳感器相鄰的引腳上，測(cè)定不同彎曲角度下傳感器的伏安特性曲線(xiàn)，結(jié)果顯示，當(dāng)彎曲曲率由0.05 cm-1變化到0.30 cm-1時(shí)，傳感器的電阻不斷增大（圖4 （a），插入圖為用手彎曲傳感器發(fā)生形變的示意圖），即在彎曲變形中拉伸是主要形變因素。圖4（b）顯示了不同扭轉(zhuǎn)角度下傳感器的伏安特性曲線(xiàn)（插入圖為用手扭轉(zhuǎn)傳感器發(fā)生形變的示意圖），隨著扭轉(zhuǎn)角度的增加傳感器的電阻減小，說(shuō)明扭轉(zhuǎn)過(guò)程中壓縮是主要形變因素?？梢?jiàn)，雙層石墨烯應(yīng)變傳感器能夠感知復(fù)雜多方向的應(yīng)變，因而可以進(jìn)行更復(fù)雜的人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)。

為了探究傳感器的抗疲勞性，對(duì)拉伸和壓縮兩個(gè)變形過(guò)程中傳感器的傳感行為進(jìn)行了重復(fù)性測(cè)試。雙層石墨烯柔性傳感器在反復(fù)拉伸和壓縮變形下電阻變化率隨時(shí)間變化的情況，如圖5（a）和圖5（b）所示，傳感器經(jīng)過(guò)多次反復(fù)拉伸和壓縮變形，電阻變化率保持相當(dāng)，且傳感器恢復(fù)原狀后電阻值基本保持不變，表明傳感器具有很好的機(jī)械重復(fù)性和穩(wěn)定性，可以滿(mǎn)足多次反復(fù)使用的要求。

2.3 柔性應(yīng)變傳感器對(duì)人體手部運(yùn)動(dòng)信號(hào)的監(jiān)測(cè)及摩爾斯電碼的加密編碼

人類(lèi)通過(guò)復(fù)雜的肢體動(dòng)作傳達(dá)豐富的信息，由于大部分運(yùn)動(dòng)伴有復(fù)雜的受力過(guò)程，可以借助多方向敏感的應(yīng)變傳感器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)捕捉和復(fù)雜信息分析。本文以手指和手掌的運(yùn)動(dòng)為例考察雙層石墨烯基應(yīng)變傳感器對(duì)人體手部運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)和識(shí)別能力，如圖6（a）和圖6（b）所示。圖6（c）表示手指彎曲的運(yùn)動(dòng)信息，當(dāng)手指由伸直狀態(tài)變?yōu)閺澢鸂顟B(tài)時(shí)，傳感器被拉伸，電阻迅速增大。當(dāng)手指再次伸直，傳感器的電阻恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)，多次反復(fù)運(yùn)動(dòng)得到的電阻變化信號(hào)穩(wěn)定，表明傳感器的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性良好。圖6（d）表示手掌運(yùn)動(dòng)的三種狀態(tài)信息，狀態(tài)一為手掌伸平狀態(tài)，表現(xiàn)為原始的電阻信號(hào)；狀態(tài)二為四指向內(nèi)彎曲，傳感器受壓，電阻減小；狀態(tài)三為所有手指均向中心彎曲，傳感器進(jìn)一步受壓，電阻變化更加明顯，峰值更強(qiáng)。重復(fù)手掌變形運(yùn)動(dòng)得到的電信號(hào)穩(wěn)定，重復(fù)性良好。因此，根據(jù)電阻信號(hào)的峰值大小及其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短即可判斷手掌的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。反之，通過(guò)控制手掌不同的運(yùn)動(dòng)形式，能夠?qū)崿F(xiàn)特定信號(hào)的輸出。

生活中人們通常需要將信息進(jìn)行加密以保證安全性。與二進(jìn)制代碼相比，摩爾斯電碼通過(guò)五種代碼（包括點(diǎn)、短線(xiàn)以及三種停頓狀態(tài)）的不同排列順序來(lái)表達(dá)不同的英文字母、數(shù)字和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)，在無(wú)線(xiàn)電通信等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用［22］。傳統(tǒng)的摩爾斯電碼必須通過(guò)特定的電子設(shè)備進(jìn)行編碼，設(shè)備復(fù)雜且笨重。如果利用柔性可穿戴的傳感設(shè)備進(jìn)行摩爾斯電碼的編碼則具有攜帶方便、成本低廉、隱蔽性好等優(yōu)勢(shì)?；诖?，本文將雙層石墨烯基柔性應(yīng)變傳感器貼合在手掌內(nèi)部，通過(guò)控制手掌彎曲的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)“· ”和“—”兩種狀態(tài)，并通過(guò)伸平狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間控制三種停頓間隔。通過(guò)查閱摩爾斯電碼表，可以得知字母“A”“B”、“C”“D”“E”和“F”的摩爾斯電碼分別表示為“· —”“— · · ·”“— · — ·”“— · ·”“· ”和“· · — ·”。通過(guò)控制手掌的彎曲運(yùn)動(dòng)并利用雙層石墨烯基柔性應(yīng)變傳感器采集手掌運(yùn)動(dòng)的信號(hào)，從而獲得代表這6個(gè)字母的摩爾斯電碼的電學(xué)信號(hào)（圖7）。同理，可以利用該傳感器獲得其他20個(gè)英文字母的摩爾斯電碼的電學(xué)信號(hào)，或編碼“ZSTU”的電信號(hào)（圖8），實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的信息加密。由于雙層石墨烯基柔性應(yīng)變傳感器能夠靈活、隱蔽、不受干擾地完成摩爾斯電碼的編碼工作，因此在加密技術(shù)、無(wú)線(xiàn)電通信、遇難求救等相關(guān)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

本文利用355 nm紫外激光器在PI薄膜上燒蝕出圖案化石墨烯，使用PE泡棉雙面膠帶轉(zhuǎn)印石墨烯電極，并將兩個(gè)轉(zhuǎn)印后的石墨烯電極垂直相向貼合，制作出具有多方向應(yīng)變傳感能力的雙層石墨烯基柔性應(yīng)變傳感器；通過(guò)吉時(shí)利2400數(shù)字源表測(cè)試傳感器在拉、壓、彎、扭等應(yīng)變狀態(tài)下的傳感信號(hào)，探究該傳感器的傳感性能（包括靈敏度、線(xiàn)性度、重復(fù)性等），并考察其在手部運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和摩爾斯編碼方面的應(yīng)用潛能。主要研究結(jié)論如下：

a）采用紫外激光燒蝕PI薄膜獲得的石墨烯呈現(xiàn)蓬松多孔的結(jié)構(gòu)，孔徑由一微米到數(shù)十微米不等，并伴有不規(guī)則的裂紋，該結(jié)構(gòu)對(duì)石墨烯傳感性能的調(diào)控起到至關(guān)重要的作用。

b）采用PE泡棉雙面膠帶轉(zhuǎn)印激光誘導(dǎo)的石墨烯，借助PE泡棉良好的應(yīng)變能力，雙層石墨烯基柔性應(yīng)變傳感器在拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等多種應(yīng)變下均展現(xiàn)出較高的靈敏度（拉伸變形下GF達(dá)到80左右，壓縮變形下GF處于0.2～0.3）、良好的線(xiàn)性度和機(jī)械重復(fù)性。

c）雙層石墨烯基柔性應(yīng)變傳感器能感知和分辨手指彎曲、手掌彎曲等多維肢體形變運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)調(diào)整手掌運(yùn)動(dòng)方式和動(dòng)作維持時(shí)間實(shí)現(xiàn)摩爾斯電碼的編碼，為手勢(shì)識(shí)別、手語(yǔ)通信、智能化控制和人機(jī)交互等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可行性。

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（責(zé)任編輯：劉國(guó)金編輯）

收稿日期： 2022-03-16? 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2022-06-02網(wǎng)絡(luò)出版日期

基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51572242）

作者簡(jiǎn)介： 房國(guó)慶（1996- ），男，江蘇睢寧人，碩士研究生，主要從事柔性可穿戴傳感器制備方面的研究。

通信作者： 劉愛(ài)萍，E-mail：aipingwz@163.com