清華大學(xué)仿生石墨烯壓力傳感器課題研究取得重要進(jìn)展

清華大學(xué)仿生石墨烯壓力傳感器課題研究取得重要進(jìn)展

清華大學(xué)微電子系任天令教授團(tuán)隊(duì)在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)·納米》（ACS Nano）上發(fā)表了題為《仿生針刺隨機(jī)分布結(jié)構(gòu)的高靈敏度和寬線性范圍石墨烯壓力傳感器》（Epidermis Microstructure Inspired Graphene Pressure Sensor with Random Distributed Spinosum for High Sensitivity and Large Linearity）的研究成果，由人體皮膚感知微結(jié)構(gòu)出發(fā)提出相似的仿生結(jié)構(gòu)，通過微結(jié)構(gòu)和分布模式的結(jié)合解決了靈敏度和線性范圍之間的矛盾，為力學(xué)器件性能的綜合提升提供了一種全新的思路。


近年來，柔性力學(xué)微納傳感器特別是在人體生理信息監(jiān)測(cè)和檢測(cè)方面成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，同時(shí)也有大量相關(guān)產(chǎn)業(yè)公司相繼成立。相比于傳統(tǒng)的硅基器件，由于具有舒適性、貼合性和可穿戴性等方面的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于人體物理和化學(xué)活動(dòng)的監(jiān)測(cè)，但作為力學(xué)器件的兩個(gè)重要指標(biāo)靈敏度和線性度之間的矛盾一直未能得到很好的解決。通常制備出的器件都需要以犧牲一個(gè)指標(biāo)而為提升另一個(gè)指標(biāo)服務(wù)，這往往限制了其實(shí)際應(yīng)用的范圍，解決這一矛盾成研究難點(diǎn)。

（從上到下，從左到右）皮膚的微結(jié)構(gòu)示意圖，皮膚微結(jié)構(gòu)和仿生結(jié)構(gòu)照片，線性度和靈敏度與前人工作性能對(duì)比，腕部脈搏和呼吸監(jiān)測(cè)結(jié)果。


任天令課題組基于人體皮膚，特別是指尖對(duì)于不同大小應(yīng)力的高靈敏響應(yīng)特點(diǎn)，根據(jù)對(duì)其微結(jié)構(gòu)的研究提出了相似結(jié)構(gòu)的制備。通過砂紙作為模板倒模成型柔性的基底，利用氧化石墨烯在高溫下還原后作為力學(xué)敏感層，制備出具有針刺形貌和隨機(jī)分布的壓力傳感器。該傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性、快速響應(yīng)和低探測(cè)極限，實(shí)現(xiàn)了在更寬線性測(cè)量范圍的高靈敏度。其中針刺結(jié)構(gòu)之間接觸面積突變主要貢獻(xiàn)出高的靈敏度，隨機(jī)分布主要貢獻(xiàn)寬的線性范圍，通過兩者結(jié)合在很大程度上解決了這一對(duì)矛盾。


正是由于該傳感器高的靈敏度和寬線性范圍，課題組成功了應(yīng)用于對(duì)人體各種生理活動(dòng)的監(jiān)測(cè)，例如脈搏、呼吸和聲音識(shí)別，還實(shí)現(xiàn)對(duì)走、跑、跳等走路姿態(tài)的監(jiān)控，以及對(duì)走路步態(tài)的監(jiān)測(cè)。利用可穿戴的高性能力學(xué)傳感器對(duì)人體各種生理活動(dòng)參數(shù)的獲取將會(huì)在個(gè)人健康和醫(yī)療方面具有重要的實(shí)際意義，具有重大的應(yīng)用前景。
該研究成果得到了國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目和科技部項(xiàng)目的支持。

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