清華大學仿生石墨烯壓力傳感器獲新發現

清華大學微電子系任天令教授團隊在《美國化學學會·納米》(ACS Nano)上發表了題為《仿生針刺隨機分布結構的高靈敏度和寬線性范圍石墨烯壓力傳感器》的研究成果，由人體皮膚感知微結構出發提出相似的仿生結構，通過微結構和分布模式的結合解決了靈敏度和線性范圍之間的矛盾，為力學器件性能的綜合提升提供了一種全新的思路。

近年來，柔性力學微納傳感器特別是在人體生理信息監測和檢測方面成為學術界的研究熱點，同時也有大量相關產業公司相繼成立。相比于傳統的硅基器件，由于具有舒適性、貼合性和可穿戴性等方面的特點而廣泛應用于人體物理和化學活動的監測，但作為力學器件的兩個重要指標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指標而為提升另一個指標服務，這往往限制了其實際應用的范圍，解決這一矛盾成研究難點。

基于人體皮膚，特別是指尖對于不同大小應力的高靈敏響應特點，根據對其微結構的研究提出了相似結構的制備。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敏感層，制備出具有針刺形貌和隨機分布的壓力傳感器。該傳感器表現出優異的穩定性、快速響應和低探測極限，實現了在更寬線性測量范圍的高靈敏度。其中針刺結構之間接觸面積突變主要貢獻出高的靈敏度，隨機分布主要貢獻寬的線性范圍，通過兩者結合在很大程度上解決了這一對矛盾。

正是由于該傳感器高的靈敏度和寬線性范圍，課題組成功了應用于對人體各種生理活動的監測，例如脈搏、呼吸和聲音識別，還實現對走、跑、跳等走路姿態的監控，以及對走路步態的監測。利用可穿戴的高性能力學傳感器對人體各種生理活動參數的獲取將會在個人健康和醫療方面具有重要的實際意義，具有重大的應用前景。

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

傳感器的特點包括：微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。傳感器的存在和發展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等類。

傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。

由此可見，傳感器技術在發展經濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發展。相信不久的將來，傳感器技術將會出現一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。