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(fā)表了題為《仿生針刺隨機分布結(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(jiān)測和檢測方面成為學術(shù)界的研究熱點，同時也有大量相關(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而廣泛應用于人體物理和化學活動的監(jiān)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(wù)，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。
(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比，腕部脈搏和呼吸監(jiān)測結(jié)果。
任天令課題組基于人體皮膚，特別是指尖對于不同大小應力的高靈敏響應特點，根據(jù)對其微結(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(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性、快速響應和低探測極限，實現(xiàn)了在更寬線性測量范圍的高靈敏度。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(jié)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(jiān)測，例如脈搏、呼吸和聲音識別，還實現(xiàn)對走、跑、跳等走路姿態(tài)的監(jiān)控，以及對走路步態(tài)的監(jiān)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(shù)的獲取將會在個人健康和醫(yī)療方面具有重要的實際意義，具有重大的應用前景。
該研究成果得到了國家自然基金重點項目和科技部項目的支持。
