基于有序石墨烯的可检测应力方向的柔性力学传感器及其制备方法

摘要

本发明提供了一种基于有序石墨烯的可检测应力方向的柔性力学传感器，其包括：第一有序石墨烯传感单元，其包括有序排列的石墨烯片层、包埋所述石墨烯片层的聚二甲基硅氧烷、以及从聚二甲基硅氧烷引出的导线和电极；以及第二有序石墨烯传感单元，其包括有序排列的石墨烯片层、包埋所述石墨烯片层的聚二甲基硅氧烷、以及从聚二甲基硅氧烷引出的导线和电极；其中第一有序石墨烯传感单元的石墨烯排列平行的方向与第二有序石墨烯传感单元的石墨烯排列垂直的方向对齐并重叠，用聚二甲基硅氧烷黏附接触面并固化、封装。本发明的柔性力学传感器能够同时测量应力大小和应力方向。

权利要求

1.一种基于有序石墨烯的可检测应力方向的柔性力学传感器，其特征在于包括：第一有序石墨烯传感单元，其包括有序排列的石墨烯片层、包埋所述石墨烯片层的聚二甲基硅氧烷、以及从聚二甲基硅氧烷引出的导线和电极；以及第二有序石墨烯传感单元，其包括有序排列的石墨烯片层、包埋所述石墨烯片层的聚二甲基硅氧烷、以及从聚二甲基硅氧烷引出的导线和电极；

其中所述第一有序石墨烯传感单元的石墨烯排列平行的方向与所述第二有序石墨烯传感单元的石墨烯排列垂直的方向对齐并且 所述第一有序石墨烯传感单元和所述第二有序石墨烯传感单元重叠，用聚二甲基硅氧烷黏附接触面并固化、封装；

所述导线和所述电极位于石墨烯结构的边缘；

所述导线和所述电极的位置是在所述石墨烯片层的平行方向和垂直方向的四个位置。

2.根据权利要求1所述的柔性力学传感器，其特征在于，所述导线为银线或铜线。

3.根据权利要求1所述的柔性力学传感器，其特征在于，所述电极的材料为银胶或聚乙撑二氧噻吩。

4.权利要求1至3任一项所述的柔性力学传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)利用化学气相沉积技术制备垂直生长的石墨烯片层，并在生长石墨烯的不锈钢基片上放置金属诱导体，将基片表面的垂直电场诱导出平行方向的分量，制备出垂直且有序排列的石墨烯片层，将石墨烯片层转移并嵌入至聚二甲基硅氧烷；

(2)将导线插入含有石墨烯的聚二甲基硅氧烷内部，在导线穿刺聚二甲基硅氧烷表面的位置灌注电极，引出导线，在电极和导线引出所在的一面再涂敷聚二甲基硅氧烷并固化，从而制得第一有序石墨烯传感单元和第二有序石墨烯传感单元；

(3)将第一有序石墨烯传感单元的石墨烯排列平行的方向与第二有序石墨烯传感单元的石墨烯排列垂直的方向对齐并重叠，用聚二甲基硅氧烷黏附接触面并固化、封装。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述导线插入的位置位于石墨烯结构的边缘。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，插入所述导线和灌注所述电极的位置是在所述石墨烯片层的平行方向和垂直方向的四个位置。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述导线为银线或铜线。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，用于灌注所述电极的材料为银胶或聚乙撑二氧噻吩。

说明书

基于有序石墨烯的可检测应力方向的柔性力学传感器及其制

备方法

背景技术

[0001] 本发明属于柔性传感技术领域，具体涉及一种基于有序石墨烯的可检测应力方向的柔性力学传感器及其制备方法。

技术领域

[0002] 传感器是现今社会测量、测控和智能自动化系统的重要功能单元之一，因此传感技术的研究与发展具有重要的科研和社会价值。近年来，柔性电子、仿生皮肤、可穿戴电子
等柔性传感技术成为国内外研究的热点之一，以柔性传感技术替代传统的传感技术，颠覆
了对传统电子器件、传感器件及系统等形态和功能的认知。柔性传感技术通过柔性功能单
元感知力学信号触发，实现对柔性形态系统的测量。

[0003] 目前柔性形态系统中力学信号测试主要有两种方法：力电敏感检测和力光敏感检测方法。通过力敏功能单元感知力学信号，结合测试电路进行信号处理实现信号传感，但存
在着拉伸导致导线断裂、引线互连接口脱落、功能单元与金属粘附等问题。

[0004] 力电敏感检测作为力学信号测试较为常用的方式，其主要通过压阻式传感器实现功能：传感材料在应力作用下电阻值发生规律变化实现测量。由于功耗低，应力量程范围
大，信号易读取，器件结构和制造工艺较为简单等优势，得到了广泛的研究。近几十年来，研
究者开发出了各种各样的材料来发展高性能压阻式传感器。通常，压阻传感填料为导电性
较好的材料，如导电聚合物(CPs)、金属颗粒、碳纳米管(CNTs)和还原氧化石墨烯(rGO)和弹
性聚合物〔如聚氨酯(PU)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)〕的复合材料，此外，导电纤维、金属纳米
线和薄膜也可用作压阻传感器的感测材料。例如，马来西亚理科大学Hanif等人报道了一种
具有典型压阻效应的缺陷石墨烯片构建的柔性压力传感器。与完整的石墨烯片相比，引入
缺陷的石墨烯在0～50kPa的压力范围内都能保持良好的线性传感特性；此外还研究了一些
具有生物相容性、超疏水性等特性的导电聚合物在压阻式压力传感器的应用。然而，大多数
基于平面结构的弹性体聚合物复合压阻型传感器在低载荷状态下表现出较差的感测性能，
无法准确相应应力的变化，从而限制了其在柔性力学传感方面的应用，因为大部分柔性力
学传感器的设计应用场景是人体的皮肤表面、关节处等应力相对较小的位置。因此，研究者
们开发设计出新的材料和结构来提高其低载荷性能，如3D网格结构、多孔结构和其他微结
构的传感材料等。例如韩国首尔大学Ko等人提出了一种使用互锁微圆柱阵列的电阻式电子
皮肤传感器：将2片具有微圆柱阵列的CNT复合膜贴合，构成联锁的几何结构。联锁微圆柱阵
列压力传感器，通过利用微圆柱体上的纳米线在应力作用时互相之间接触面积和拉伸比的
变化，实现微弱应力信号的测量。与平面复合膜结构相比，联锁微圆柱器件在响应时间(约
18ms)和恢复时间(约10ms)上快3～4倍。快速的响应使得联锁微圆柱传感器还能识别一定
频率的机械震动信号模式。同时这样优良的压力感测性能可实现对脉搏波的检测从而实现
血压的测量，以及用于实时监测其他人体生理信号等。可见，仅通过材料微观结构的创新，
使得“传统”的弹性聚合物复合感测材料实现了高灵敏度的电阻式压力传感。稍显不足的
是，这种压力传感器仍仅限于测量单一方向的应力。

[0005] 近年来，石墨烯纤维材料作为有序排列石墨烯的一种类型，发展丰富了由石墨烯构建的功能、结构材料的研究领域，使其具备宏观的力学和电学性能，为其在力学传感、电
学器件等领域的应用奠定了基础。在可拉伸超级电容器、可携带太阳能电池、柔性传感器等
领域作用尤为明显。然而，在石墨烯纤维的应用研究中还存在一些问题，如机械性能不足
等。可通过优化制备工艺，或者利用其他材料改善石墨烯纤维的这一缺陷。同时，借助石墨
烯纤维制作力学传感器的工艺虽然得到持续发展，但仍以单一的拉力或者压力传感为主，
且应变易使平面的石墨烯纤维断裂或者堆叠，在性能上无法完全发挥出石墨烯材料的优
势，因此未能突破单一使用功能的局限。譬如基于石墨烯材料的柔性力学传感器中无法实
现同时检测应力的方向和大小。因此石墨烯材料在柔性传感器的应用仍是一个亟需新技
术、新工艺、新方法的领域。

[0006] 现有的柔性传感器存在以下缺陷：(1)可靠性有待提升。现有的柔性传感器存在着金属材料与柔性衬底容易脱落，并且在发生较大形变时金属电极容易断裂导致传感器失效
的问题。在实际应用中需要柔性衬底与金属材料的良好接触来保证器件的正常服役。如果
在非不可逆的严重破坏的情况下，柔性传感器因自身的使用寿命短或者环境影响而导致失
效，是无法投入实际应用的。现阶段，大多数的柔性传感器均存在较为严重的此类问题，如
电极接触不良、环境扰动对测量结果影响较大以及可重复使用寿命较短等。虽然可靠性在
传感器的研究中不是最重要的部分，但作为设计应用场景为较长时间监测较小应力，尤其
是人体生理特征信号等的柔性力学传感器，可靠性的缺失则是致命的弱点。不仅会导致测
量的信号数值变得毫无意义，还会因寿命太短大幅增加使用成本。(2)低载荷传感性能较
差。大多数使用基于平面结构的弹性聚合物复合压阻型传感器在低载荷状态下表现出较差
的感测性能。如石墨烯这种新型材料具备诸多优异物理化学特性，但在力学传感器中并未
被充分挖掘，常见的应用也仅限于平铺石墨烯这种简单的结构。这种结构对较小应变的响
应较差。同时，因力学传感器的设计通常为拉伸或压缩应力环境，拉、压应力易使平铺的石
墨烯断裂或者堆叠，结构遭到不可逆破坏，可靠性下降。(3)传感功能单一。目前常见的压力
传感器仅限于测量单一方向的应力，因此在测量空间中某一应力时，至少需要三个传感器
才能实现对应力在x、y、z三个方向的分量的测量，使得测量的复杂性提升，测量效率和准确
性有所下降。而柔性力学传感器所面对的应用场景中的应力通常具有多变的空间方向，而
传统力学传感器的设计使得这种情况下的准确测量变得复杂而低效。

[0007] 综上可知，随着技术的进步，现有的柔性力学传感器大多数能在测量范围和灵敏度上满足应用的需要，但是测量功能仍比较单一，如：仅能测量在应力变化暂态的点而不能
反映准确的应力数值，或者仅能测量某个方向的应力。而在日常生活和生产应用上，经常需
要同时获取施力方向和大小的信息。因此这仍是一个有待发展和完善的领域，需要更加多
样化的传感器材料，如应用石墨烯纤维等有序排列石墨烯材料等在柔性力学传感器当中，
促进功能更加完善全面的柔性力学传感器的发展。目前尚未有有序石墨烯运用在柔性力学
传感器中的报道，而普通无序石墨烯只能实现单一方向应力的测量，因此，亟需开发一种能
够实现应力大小和应力方向同时测量的柔性力学传感器。

发明内容

[0008] 本发明的一个目的是针对以上要解决的技术问题，提供一种能够同时测量应力大小和应力方向的柔性力学传感器。

[0009] 本发明的另一个目的是提供所述柔性力学传感器的制备方法。

[0010] 为了实现以上目的，本发明提供了一种基于有序石墨烯的可检测应力方向的柔性力学传感器，其包括：

[0011] 第一有序石墨烯传感单元，其包括有序排列的石墨烯片层、包埋所述石墨烯片层的聚二甲基硅氧烷、以及从聚二甲基硅氧烷引出的导线和电极；以及

[0012] 第二有序石墨烯传感单元，其包括有序排列的石墨烯片层、包埋所述石墨烯片层的聚二甲基硅氧烷、以及从聚二甲基硅氧烷引出的导线和电极；

[0013] 其中第一有序石墨烯传感单元的石墨烯排列平行的方向与第二有序石墨烯传感单元的石墨烯排列垂直的方向对齐并重叠，用聚二甲基硅氧烷黏附接触面并固化、封装。

[0014] 根据本发明的柔性力学传感器，优选地，所述导线和电极位于石墨烯结构的边缘。

[0015] 优选地，导线和电极的位置是在石墨烯片层的平行方向和垂直方向的四个位置。

[0016] 优选地，导线包括但不限于银线或铜线。

[0017] 优选地，电极的材料包括但不限于银胶和聚乙撑二氧噻吩。

[0018] 虽然现有的柔性力学传感器已经有很多种类型，但是基于石墨烯制作的柔性力学传感器的种类还尚不丰富。而这类柔性石墨烯力学传感器大多数是在柔性材料上平铺石墨
烯片层，利用石墨烯在应力(通常为拉应力)作用下片层之间的间隙来改变传感器的导电
性。这种结构的缺点主要在于不利于石墨烯在拉伸后的恢复，且功能单一。作为对这种传感
器结构的改进，本发明开发了基于垂直且有序排列的石墨烯片层的柔性力学传感器。选择
PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)作为石墨烯的载体和封装材料，其弹性好、
生物相容性好，是柔性传感器的常用载体材料。垂直结构的石墨烯片层嵌入PDMS中，随PDMS
在应力作用下拉伸和回弹。与平铺石墨烯相比，这种结构对多次反复的拉伸有更好的耐受
力，因此制得的传感器的寿命得以大大提高。

[0019] 有序排列的石墨烯片层阵列，是通过在化学气相沉积生长少层石墨烯片层结构的过程中添加诱导体实现的。本发明的主要原理是在垂直于基片(不锈钢片)的方向施加电
场，在电场力的诱导下，石墨烯片会有序地排列于钢片上。这样得到的有序石墨烯，由于石
墨烯片层的二维结构，片层之间的接触具有较大的各向异性，即沿石墨烯片层平面的方向
接触重叠面积大，垂直于石墨烯片层平面方向的接触重叠面积小，而介于中间的方向则接
触面积也居中。这就使得整个石墨烯阵列的导电性也具备了各向异性，且可通过于片层平
面平行或垂直方向的夹角来量化导电性与方向的关系。而在石墨烯片层阵列受到拉伸的过
程中，不同方向上的电阻随应力变化的规律(应变率)也不相同，且应变率同角度同样具有
量化的关系，据此原理实现传感器对应力方向的测量。

[0020] 本发明的柔性力学传感器相较于使用旋涂或者平铺的方法制作的石墨烯力学传感器，具有功能多样化的特点：可以在平面上测量不同方向的拉应力大小，同时判断应力的
方向，甚至可以在此基础上测量垂直于平面的压力的大小(三维应力的测量)。当拉应力变
化时，平面上两个回路的电信号传入测量设备，与标准量进行对比，计算出平面上施加的拉
应力大小，同时判断出应力方向同规定的正方向的夹角。同现有的力学传感器相比，这种二
维的柔性力学传感器实现了对应力大小和方向的同时测量。

[0021] 本发明还提供了所述柔性力学传感器的制备方法，其包括以下步骤：

[0022] (1)利用化学气相沉积技术制备垂直生长的石墨烯片层，并在生长石墨烯的不锈钢基片上放置金属诱导体，将基片表面的垂直电场诱导出平行方向的分量，制备出垂直且
有序排列的石墨烯片层，将石墨烯片层转移并嵌入至聚二甲基硅氧烷；

[0023] (2)将导线插入含有石墨烯的聚二甲基硅氧烷内部，在导线穿刺聚二甲基硅氧烷表面的位置灌注电极，引出导线，在电极和导线引出所在的一面再涂敷聚二甲基硅氧烷并
固化，从而制得第一有序石墨烯传感单元和第二有序石墨烯传感单元；

[0024] (3)将第一有序石墨烯传感单元的石墨烯排列平行的方向与第二有序石墨烯传感单元的石墨烯排列垂直的方向对齐并重叠，用聚二甲基硅氧烷黏附接触面并固化、封装。

[0025] 优选地，步骤(2)中，导线插入的位置位于石墨烯结构的边缘。

[0026] 优选地，步骤(2)中，插入导线和灌注电极的位置是在石墨烯片层的平行方向和垂直方向的四个位置。

[0027] 优选地，步骤(2)中，导线包括但不限于银线或铜线。

[0028] 优选地，步骤(2)中，用于灌注电极的材料包括但不限于银胶和聚乙撑二氧噻吩。

[0029] 在本发明的基于有序石墨烯的柔性力学传感器的制备过程中，需要将石墨烯片层阵列从不锈钢片上整体转移至柔性的PDMS薄膜。当垂直有序的石墨烯被转移至PDMS后，石
墨烯结构几乎整体嵌入固化的PDMS中，只露出极少的根部于PDMS表面。使用金属导线(铜丝
或银丝)插入含石墨烯的PDMS内部，插入位置要求石墨烯分布均匀并位于石墨烯结构的边
缘。在导线穿刺PDMS表面的位置用银胶灌注制成电极，引出导线。插入导线和灌注电极所选
择的位置，一般是在有序石墨烯片层结构的平行方向和垂直方向的四个位置。为充分保证
连接部位良好的接触不致松动，在完成导线和电极制作后，于PDMS露出石墨烯根部的一面
(亦是电极和导线引出所在的一面)再涂敷一层薄的PDMS并固化，完成单个传感单元的制
作。转移后的石墨烯结构经测量证实了其导电性的各向异性，且平行于石墨烯片层排列方
向的导电性明显优于垂直方向。

[0030] 最后，采用两片有序石墨烯传感单元，将其中一个单元石墨烯排列平行的方向同另一个单元石墨烯排列垂直的方向对齐然后重叠，并用PDMS黏附接触面并固化，封装成一
个完整的传感器。采用两片传感单元的目的在于，当仅用一片传感单元时，难以将应力实际
的角度同该角度的补角区分开来，而使用两片石墨烯排列方向垂直的传感单元叠加时，则
可以更加明确地测定应力的实际角度。通过8个电极4组回路测量出的不同电阻值进行比对
和分析，即可计算出应力的方向和应变大小，再根据PDMS的弹性模量计算出应力的大小。同
时，这种结构也可以测量压力，实现了多维的力学传感。

[0031] 上述方案中，导线与传感器基底材料(PDMS)的连接处使用银胶作为电极。但由于PDMS和银胶的粘连性不好，因此在器件制作时存在一定的难度，同时电极的可靠性也受到
影响。也可选择导电性较好的高分子导电材料(如PEDOT(聚乙撑二氧噻吩))作为电极材料，
使电极更为牢固；或者通过离子刻蚀改变PDMS的表面亲疏水性，使银胶能够充分浸润PDMS，
提高其与石墨烯接触的质量，以达到更好的测量效果。

附图说明

[0032] 图1是根据本发明的基于有序石墨烯的可检测应力方向的柔性力学传感器的第一有序石墨烯传感单元的结构示意图。

[0033] 图2是根据本发明的基于有序石墨烯的可检测应力方向的柔性力学传感器的第二有序石墨烯传感单元的结构示意图。

[0034] 图3是根据本发明的基于有序石墨烯的可检测应力方向的柔性力学传感器在封装后的结构示意图。

[0035] 图4是有序石墨烯传感单元的石墨烯排列的平视方向侧视图。

[0036] 图5是有序石墨烯传感单元的石墨烯排列的垂直方向侧视图。

[0037] 图6是化学气相沉积生长有序石墨烯的示意图。

[0038] 图7是关节受力测量实例数据图表。

[0039] 图8是脉搏测量实例数据图表。

[0040] 图9是部分颈部活动测量数据图表。

具体实施方式

[0041] 下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的详述，但本发明并不限于以下实施例。

[0042] 应当理解的是，为了简洁起见，以下描述中对本领域熟知的操作或流程并未给出详尽的细节，除非特别指出，这些相关的操作和/或材料均为本领域技术人员所知晓。

[0043] 实施例1：有序石墨烯柔性力学传感器的制备

[0044] 首先利用化学气相沉积(CVD)生长垂直石墨烯。可选择微波等离子增强化学气相沉积(MPCVD)或感应耦合等离子增强化学气相沉积(ICPCVD)中的一种作为垂直石墨烯的生
长方式。两种生长方式均以不锈钢片61作为石墨烯生长的基体材料，放置于沉积系统中生
长腔体内的阴极样品台上。

[0045] MPCVD首先将生长腔体真空抽至5Pa以下，然后通入100sccm(标准毫升/分钟)的氢气至约220±10Pa，然后施加500W的微波起辉。随后在阴极上施加‑100V的偏压以增强等离
子体，腔体温度随之逐渐上升至460±20℃。20分钟后，腔体通入7sccm的甲烷，腔体温度和
压强变化至490±20℃随后保持稳定，同时阴极上施加的偏压增大至‑200V。保持以上生长
条件稳定，连续生长30分钟后结束生长，腔体在保持真空的状态下冷却至室温。

[0046] ICPCVD首先将生长腔体真空抽至5×10‑4Pa以下，并将不锈钢基体61加热至900±50℃。随后在腔体中通入15sccm的氢气和15sccm的氩气，气压改变至0.4±0.02Pa，然后施
加900W的射频源起辉，并在阴极上施加‑100V的偏压以增强等离子体。15分钟后，通入
60sccm的甲烷并调整氢气流量至10sccm，腔体气压改变至0.4±0.02Pa，然后提高射频功率
和阴极偏压分别至1000W和‑200V，持续生长20分钟后停止，最后腔体保持真空冷却至室温。

[0047] 而有序垂直石墨烯64的生长则依靠在不锈钢片61基体两端放置金属诱导体62改变电场分布实现。本发明中，金属诱导体62为不锈钢或钛材质的长方体块，长度同石墨烯生
长的不锈钢基体61相同，宽为0.5–2cm，高为1–3cm，两两一对平行放置于不锈钢基体61的两
端。生长过程中，生长腔体内阴极和阳极之间垂直的电场受到诱导体影响，在不锈钢基体表
面发生弯曲并在接近诱导体的位置同基体表面平行。在这样的电场63影响下，垂直石墨烯
诱导生长为具有特定取向的有序石墨烯64。金属诱导体62摆放位置和诱导生长有序垂直石
墨烯的示意图如图6所示。

[0048] 将载有有序石墨烯的钢片放入培养皿中，把准备好的PDMS离心去除气泡后，按照石墨烯排列的沟道方向缓慢导入培养皿的空区，避免PDMS液体流动太快破坏石墨烯结构。
将培养皿放置于60℃烘箱12小时，取出培养皿后，将固化的PDMS取出。此时固态PDMS中嵌有
垂直的石墨烯和钢片，将PDMS沿不含钢片的方向弯曲，使钢片逐渐剥离PDMS，这样垂直有序
石墨烯就完全嵌入PDMS中了，如图1、图2、图4、图5所示。

[0049] 将PDMS含石墨烯的一面朝上，插入铜丝或银丝到石墨烯结构边缘的区域，注入银胶使铜丝或银丝与石墨烯充分粘合，制成电极，保证石墨烯同导线良好的电气接触。每片石
墨烯传感单元都有四个电极，两两一对分别位于平行于石墨烯排列方向的边缘处和垂直于
石墨烯排列方向的边缘处，如图1中电极1、2、3、4和和图2中电极1’、2’、3’、4’所示，其中，1、
2、3、4点代表铜导线与石墨烯的连接点；1’、2’、3’、4’点同理；F1、F2分别是两个方向的拉应
力。图1中石墨烯11排列的平行方向与2、4连线平行，图2中石墨烯21排列的平行方向与1’、
3’连线平行。这个过程中应在导线13、23上做好标记，记录好平行于石墨烯排列的方向和垂
直于石墨烯排列的方向，方便实验数据的对比验证。

[0050] 随后，在器件上再铺一层PDMS封装好石墨烯与电极，并静置直至PDMS完全固化。石墨烯在PDMS中的结构如图4(平行方向侧视图)和图5(垂直方向侧视图)所示，图中，石墨烯
11、21包埋在PDMS12、22中。

[0051] 如要观测转移至PDMS的有序垂直石墨烯的形貌，可以将钢片上含有有序垂直石墨烯的一面朝下，面对培养皿底部放置，然后缓慢注入PDMS，待PDMS完全凝固后，用镊子轻轻
取下含石墨烯的PDMS，减薄后使用透射电子显微镜(TEM)观察样品内部的有序垂直石墨烯
结构。

[0052] 按上述步骤制备两片大小相同的样品，将其中一片沿石墨烯排列方向旋转90°同另一片重叠在一起，接触面用PDMS黏附并固化，即得到有序石墨烯柔性力学传感器，如图3
所示，其中该柔性力学传感器包括重叠后的两片有序石墨烯传感单元31、PDMS封装载体32
和8条导线33。

[0053] 实施例2：有序石墨烯柔性力学传感器对应力的测量

[0054] 首先按以下步骤对传感单元进行标定和校准。

[0055] 1、测定传感单元的弹性拉伸范围。沿图1和图2中F1或F2方向拉伸传感单元，同时测定13(或1’3’)回路和24(或2’4’)回路的电阻值，直至电阻R随应变ε的变化不再呈现线性关
系，此时的应变εlimit即为弹性极限。取13(或1’3’)回路和24(或2’4’)回路中弹性较小的一
个作为传感单元的弹性极限。

[0056] 2、在弹性极限内，测量固定角度的应变率G。规定平行于有序石墨烯排列的方向为0°，设定一系列固定的拉伸角度，如5°，10°，15°，25°，…，175°，180°，在弹性极限内拉伸传
感单元，得到一系列13(或1’3’)回路和24(或2’4’)回路测得的电阻值R13和R24同13(或1’
0
3’)方向和24(或2’4’)方向应变ε13和ε24的线性规律，根据公式G＝(ΔR/R)/ε计算出传感单
元在每个方向拉伸时所表现的应变率G13和G24。其中R0为未施加应力时的电阻值，ΔR为施加
应力之后测得的电阻值同R0的差值。ε13和ε24为总的应变ε在13(或1’3’)和24(或2’4’)方向
的分量。

[0057] 3、获得应变率G同拉应力角度θ的关系函数。通过拟合一系列固定拉伸角度下的应变率G13和G24同拉应力角度θ的关系，获得关系函数G13＝f(θ)和G24＝g(θ)。

[0058] 然后即可对未知的拉应力进行测量。假设未知拉应力导致的应变为ε’，角度为θ’，传感单元测得的阻值为R13’和R24’，可建立如下方程组：

[0059] G13’＝(ΔR13’/R130)/ε13’   (1)

[0060] G24’＝(ΔR24’/R240)/ε24’   (2)

[0061] G13’＝f(θ’)   (3)

[0062] G24’＝g(θ’)   (4)

[0063] tanθ’＝ε13’/ε24’   (5)

[0064] 解方程(1)‑(5)即可求出角度θ’和应变分量ε13’，ε24’，进而计算出应变ε’＝√2 2
(ε13’+ε24’)，应力则为σ＝ε’E，其中E为PDMS的弹性模量。

[0065] 注意因有序石墨烯结构具有一定的对称性，因此仅通过一片传感单元计算出的应力角度θ’实际上是两个接近互为补角的解。此时通过另一片传感单元计算出的结果进行比
对，差值较小的一组角度即为实际的应力的角度。

[0066] 实施例3

[0067] 用电学测量设备如伏安计、电源表等(也可使用便携式伏安计以提高传感器的实用性)测量电信号，连接1’3’电极作为一个回路，2’4’电极作为一个回路，在自然状态下同
时测量者两组数据，发现相同电压下，1’3’电极回路的电流更大(或者是电阻要小)，2’4’电
极回路的电流小(或者电阻大)。

[0068] 实施例4

[0069] 同时连接1’3’电极作为回路1，2’4’电极作为回路2，同时在1’3’两侧固定拉力点，用固定拉力拉伸器件，发现回路1与回路2的电流同时减小(或者回路1与回路2的电阻同时
增大)，但是回路1的电流明显较回路2大(或者回路1的电阻明显比回路2小)；同样的方法固
定2’4’两侧作为拉力点，测量电流或者电阻，同样是回路1的电流明显比回路2大(或者回路
1的电阻明显比回路2小)。

[0070] 实施例5

[0071] 同时连接1’3’电极作为回路1，2’4’电极作为回路2，固定拉力点1’3’两侧作为施力点，用变力拉伸器件，发现回路1与回路2的电流同时减小(或者回路1与回路2的电阻同时
增大)，但是回路1的电流明显比回路2大(或者回路1的电阻明显比回路2小)；同样的方法固
定2’4’两侧作为拉力点，测量电流或者电阻，同样是回路1的电流明显比回路2大(或者回路
1的电阻明显比回路2小)。

[0072] 应用例1：关节受力测量

[0073] 将有序石墨烯柔性力学传感器贴于受试者手背靠近虎口处，手掌从平伸逐渐握紧拳头。利用多通道源表测量传感器8电极4回路在握拳过程中实时的电阻值变化，计算出应
力的大小和方向，实现对握拳程度的测量。测量结果如图7所示，通过4个回路测得的电阻值
变化显示了随着手掌逐渐握紧，传感器受到角度和力度逐渐增大的拉伸，通过计算获得了
量化的拉应力数据。

[0074] 应用例2：脉搏测量

[0075] 将有序石墨烯柔性力学传感器贴于受试者腕部，利用多通道源表测量传感器8电极4回路的初始电阻值和脉搏测量中的实时电阻值变化，并绘制出电阻值随时间变化的曲
线。通过对比两片传感单元的四组电阻值的波动，剔除环境影响(如受试者身体剧烈运动，
传感器松动)带来的测量误差，从而得出准确的脉搏波动曲线，如图8所示。

[0076] 应用例3：呼吸测量

[0077] 将有序石墨烯柔性力学传感器贴于受试者颈部，利用多通道源表测量传感器8电极4回路的初始电阻值和呼吸测量中的实时电阻值变化，并绘制出电阻值随时间变化的曲
线。通过对比两片传感单元的四组电阻值的波动，剔除环境影响(如受试者颈部快速转动、
传感器松动)带来的测量误差，从而得出准确的呼吸曲线。同时还可以检测出受试者咳嗽、
打喷嚏一类较为剧烈的颈部活动状态，提供更加丰富的生理信号监测，测量数据如图9所
示。