Capteurs graphène/Ecoflex multi-échelles et hiérarchiques améliorés par les rides, intégrés à l'humain

npj Flexible Electronics volume 6, Numéro d'article : 55 (2022) Citer cet article

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Les capteurs étirables/flexibles de pointe actuels font l'objet d'exigences strictes en matière de sensibilité, de flexibilité, de linéarité et de capacité de mesure à large plage. Nous rapportons ici une méthodologie de capteurs de contrainte basée sur des composites graphène/Ecoflex en modulant des rides multi-échelles/hiérarchiques sur des substrats flexibles. Le capteur présente une sensibilité ultra-élevée avec un facteur de jauge de 1078,1, une extensibilité de 650 %, un temps de réponse d'environ 140 ms et une durabilité de cyclage supérieure. Il peut détecter une large gamme de signaux physiologiques, notamment des mouvements corporels vigoureux, la surveillance du pouls et la reconnaissance vocale, et être utilisé pour surveiller la respiration humaine en temps réel à l'aide d'une plate-forme cloud, démontrant ainsi un grand potentiel pour l'Internet des objets de santé. Les gestes/langues des signes complexes peuvent être détectés avec précision. L'interface homme-machine est démontrée en utilisant un gant intégré à un capteur pour contrôler à distance un manipulateur externe afin de désamorcer une bombe à distance. Cette étude propose des stratégies de diagnostic médical en temps réel/à longue portée et d'assistance à distance pour effectuer des tâches dangereuses dans les domaines industriel et militaire.

Les capteurs de contrainte flexibles, extensibles et portables ont récemment fait l'objet d'une grande attention car des contraintes importantes peuvent être appliquées sur les substrats flexibles/pliables/extensibles ou incurvés. Ils transforment efficacement des déformations mécaniques complexes en signaux électriques, prometteurs pour des applications dans les systèmes de surveillance de la santé humaine, l'Internet des objets portable (WIoT), l'interaction homme-machine et la robotique douce, etc.1,2,3,4,5. Ces capteurs de contrainte extensibles/flexibles/portables peuvent résister à une contrainte beaucoup plus importante (jusqu'à 500 %) et à une déformation importante par rapport à leurs homologues rigides (normalement avec une contrainte inférieure à 5 %)6. Par conséquent, ils sont explorés pour des mesures in situ et précises sur des surfaces de forme complexe. Différents types de capteurs de contrainte extensibles sont actuellement disponibles, par exemple des capteurs capacitifs7,8, des capteurs résistifs9,10, des capteurs triboélectriques11,12 et des capteurs piézoélectriques13,14. Parmi eux, ceux à contrainte résistive ont été largement utilisés pour les applications de détection portables, car ils ont non seulement des structures simples, un circuit de lecture pratique et des processus de microfabrication peu coûteux, mais offrent également une bonne extensibilité, une sensibilité et une flexibilité élevées.

Récemment, les recherches pertinentes se sont concentrées sur les matériaux conducteurs intégrés à des polymères flexibles pour fabriquer des capteurs de contrainte. Divers matériaux tels que les noirs de carbone (CB), les nanoparticules (NP), les nanotubes de carbone (CNT), le graphène, les nanofils (NW) et les micro/nanostructures hybrides ont été appliqués à cette fin17,18,19,20,21,22, 23. Parmi eux, les carbones de faible dimension (dont CB, NTC et graphène) sont très attractifs en raison de leur bonne flexibilité, de leur grand rapport surface/volume, de leurs bonnes stabilités chimiques et thermiques et de leur bonne conductivité électrique24,25,26.

Afin de réaliser leurs applications pratiques, ces capteurs doivent posséder à la fois une sensibilité élevée et une grande extensibilité. Cependant, leur sensibilité et leur extensibilité sont souvent considérées comme contradictoires. Par conséquent, de nombreux chercheurs ont proposé diverses méthodes d’ingénierie de surface et d’interface (telles que les microstructures en écailles de poisson27, la formation de microfissures réversibles28, l’architecture de réseaux de microprismes29, l’ingénierie d’interface acide30 et les structures de rides, etc.) pour résoudre ce dilemme et obtenir des résultats élevés. sensibilités et larges plages de détection de souches. Parmi ces méthodes, l’application de structures de rides est l’une des stratégies les plus répandues. Auparavant, Pegan et al. ont proposé un capteur de contrainte en platine froissé et ont obtenu une déformation en traction de 185 % et un facteur de jauge (GF) de 4 234. Sur la base d'une conception structurelle multi-échelle, Xue et al. ont proposé un capteur de contrainte utilisant du graphène et un film de carbone nanocristallin avec des structures ridées, démontrant un GF ultra-élevé de 107135. Chu et al. ont fabriqué un capteur basé sur les rides en utilisant une méthode de pré-étirement et ont démontré une déformation allant jusqu'à 300 %36. Néanmoins, il est encore difficile pour ces capteurs de contrainte développés d'atteindre une combinaison d'une sensibilité élevée (GF > 1 000) et d'une extensibilité élevée (> 500 %), ainsi que de réponses ultrarapides et de capacités pour une large gamme de détections de contraintes. Il est essentiel d’explorer différentes stratégies pour surmonter ces limitations et développer des capteurs de déformation très sensibles et extensibles, dotés d’une bonne stabilité et de réponses ultra-rapides, ainsi que d’une détection de déformation sur une large plage.