可穿戴傳感器件能夠執行多種物理及生理信號的檢測，在軟體機器人、運動感應、電子皮膚以及私人健康監測等領域有著廣泛的應用。其中，可拉伸性和靈敏度是可穿戴傳感器件的兩個關鍵性能參數。目前，聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酯、柔性紗線以及聚氨酯等聚合物材質被廣泛用作高柔性傳感器基底，碳納米管、碳纖維、石墨烯、納米線及其複合材料等高導電材料被用於提升傳感器件的靈敏度。但是，在一個傳感器件中同時實現寬檢測範圍和高靈敏度，仍是一項具有挑戰性的工作。
近期，澳大利亞新南威爾士大學Chun H. Wang教授研究團隊以具有迷宮狀網絡形貌的垂直生長石墨烯納米片（VGN）為導電材質、PDMS為上下柔性基底，構築了具有“三明治”結構的柔性傳感器件。該柔性器件展現出優異可拉伸性（可拉伸∼120%）和高靈敏度（應變係數k ∼ 32.6）。同時器件的靈敏度和可拉伸性可通過調控石墨烯層的厚度進行調節，石墨烯層厚度增加，靈敏度隨之提高，而可拉伸性卻會降低。此外，這種柔性傳感器件對溫度和多種液體（例如水和模擬人體汗液的0.1 M氯化鈉溶液）均不敏感，適用於可穿戴設備。
傳感器件構築過程示意圖及結構表徵。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces
VGN由多層石墨烯構成，壁厚為1-5 nm、高度約7 μm，呈空腔結構，底部有緩衝薄碳層，側面含支化石墨烯片層。這一結構特性賦予了VGN高導電性，同時有利於後續PDMS柔性改性。通過浸潤PDMS後固化，研究人員分別構築了兩層體系傳感器件和三層體系傳感器件。
傳感器件可拉伸性能表徵。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces
對比測試表明，三層體系傳感器件具有更為優異的敏感度（k ~ 32.6）和柔性（最大拉伸率120%）；可逆拉伸循環1000餘次ΔR/R0未出現明顯降低。同時，三層體系具有更小的ΔR/R0變化滯後（兩層體系~ 21%；三層體系~ 6.7%）。
兩層與三層體系器件傳感滯後測試。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces
進一步通過不同拉伸狀態下材料體系形貌/結構變化測試表明：拉伸初期拉伸應變的承載主體為上下層的PDMS基底；隨著應變增加，拉伸應變逐步轉移至中間VGN層；當應變進一步增加，體系會生產逐漸增多的裂紋；但是，VGN層裂紋之間仍存在石墨烯/PDMS橋接結構，這使得體系在高拉伸狀態下仍保持導電轉態。同時，研究發現通過調節VGN層厚度，能夠進一步提升器件的靈敏度，當VGN厚度為13 μm時，k 達到88.4。
傳感器件高性能內在機理研究。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces
此外，傳感器件在壓敏性方面也展現出優異的靈敏度。對於VGNs厚度分別為13、7、2 μm的傳感器件，其靈敏度（kz = ΔR/R0/p）分別為0.030、0.014、0.002。該柔性傳感器件能夠適應不同的溫度氛圍及各種液體環境（水、0.1 M NaCl溶液），在實際人體運動及生理監測的應用中展現出優異的實用性能。
傳感器件實用性能測試。圖片來源：ACS Appl. Mater. Interfaces
——總結——
作者採用具有迷宮狀網絡形貌的垂直取向生長石墨烯納米片為導電介質，通過夾心式器件結構設計，實現了可拉伸、高靈敏應變傳感器件的構築。該新型柔性傳感器件在監測人體脈搏、肌肉運動等細微動作以及大運動幅度手指關節旋轉等運動方面展現優異的實用性，在柔性可穿戴電子器件方面具有極大的應用前景。
原文
Ultrasensitive and Stretchable Strain Sensors Based on Mazelike Vertical Graphene Network
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 36312–36322, DOI: 10.1021/acsami.8b15848
導師介紹
Chun H. Wang
http://www.x-mol.com/university/faculty/50127