[论文解读] Laser-patterned multifunctional sensor array with graphene nanosheets as a smart biomonitoring fashion accessory

Vijay Shirhatti, Suresh Nuthalapati+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2021

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials参考文献 45被引用 5

一句话总结

本文提出一种采用微波剥离石墨烯纳米片在金叉指电极上激光图案化的多功能可穿戴传感器阵列，用于实时生物监测。其具有超高的应变分辨率（0.024%）和创纪录的 gauge factor（6.3×10⁷），可精确监测心率、呼吸、体温、水合状态和运动情况，同时作为时尚配饰兼具传感与控制功能。

ABSTRACT

Biomonitoring wearable sensors based on two-dimensional nanomaterials have lately elicited keen research interest and potential for a new range of flexible nanoelectronic devices. Practical nanomaterial-based devices suited for real-world service, which have first-rate performance while being an attractive accessory, are still distant. We report a multifunctional flexible wearable sensor fabricated using an ultra-thin percolative layer of microwave exfoliated graphene nanosheets on laser-patterned gold circular inter-digitated electrodes for monitoring vital human physiological parameters. This Graphene on Laser-patterned Electrodes (GLE) sensor displays an ultra-high strain resolution of 0.024% and a record gauge factor of 6.3e7 and exceptional stability and repeatability in its operating range. The sensor was subjected to biomonitoring experiments like measurement of heart rate, breathing rate, body temperature, and hydration level, which are vital health parameters, especially considering the current pandemic scenario. The sensor also served in applications such as a pedometer, limb movement tracking, and control switch for human interaction. The innovative laser-etch process used to pattern gold thin-film electrodes and shapes, with the multifunctional incognizable graphene layer, provides a technique for integrating multiple sensors in a wearable fashion accessory. The reported work marks a giant leap from the conventional banal devices to a highly marketable multifunctional sensor array as a biomonitoring fashion accessory.

研究动机与目标

• 开发一种柔性可穿戴传感器阵列，实现高性能传感与美学时尚设计的融合。
• 解决高性能纳米材料传感器与实际、可市场化可穿戴设备之间的差距。
• 实现实时、多功能的生理参数监测，如心率、呼吸频率、体温和水合状态。
• 展示利用激光蚀刻金电极与石墨烯纳米片实现可扩展、多功能传感器集成的可行性。
• 开发一种支持人机交互的智能生物监测配饰，包括运动追踪与控制切换功能。

提出的方法

• 采用激光光刻在柔性基底上制备圆形叉指状金电极，用于电学信号传导。
• 将一层薄而连通的微波剥离石墨烯纳米片转移至激光图案化的金电极上，形成活性传感层。
• 由于其二维结构和连通网络，石墨烯层表现出优异的电学灵敏度，从而实现高gauge factor与高应变分辨率。
• 在多种生理条件下（如拉伸与弯曲）对传感器系统进行校准与动态应变响应测试。
• 通过实时信号采集与处理，开展心率、呼吸频率、体温与水合水平的生物监测实验。
• 验证设备在计步功能、肢体运动追踪及通过控制切换实现的人机交互等附加应用中的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于激光图案化石墨烯的传感器是否能在柔性可穿戴结构中实现超高的应变分辨率与卓越的gauge factor？
• RQ2 该传感器在实时监测心率、呼吸、体温与水合状态等多种生命体征方面效果如何？
• RQ3 将石墨烯纳米片与激光蚀刻金电极集成，是否能在保持稳定性与重复性的同时实现多功能性？
• RQ4 该传感器系统在不牺牲性能或舒适度的前提下，作为时尚配饰的适用程度如何？
• RQ5 该传感器是否能在可穿戴应用中支持高级人机交互任务，如运动追踪与控制切换？

主要发现

• 传感器实现了0.024%的超高的应变分辨率，可检测微小的生理运动。
• 测得创纪录的gauge factor为6.3×10⁷，表明对机械形变具有极高的敏感性。
• 传感器在多次应变循环中表现出优异的稳定性和重复性。
• 生物监测实验证实可准确实时测量心率、呼吸频率、体温与水合水平。
• 该设备成功实现计步功能，可追踪肢体运动，并通过控制切换实现人机交互。
• 激光蚀刻技术可实现金电极的精确、可扩展图案化，有助于将多种传感功能集成于单一可穿戴配饰中。