上海交通大學(xué)：全碳基壓阻傳感器為可穿戴技術(shù)帶來革命性進(jìn)步

作為下一代健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互和智能機(jī)器人等領(lǐng)域的核心器件，壓阻傳感器能夠感知、分析外界壓力信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其感應(yīng)機(jī)制簡(jiǎn)單、信號(hào)采集便捷和機(jī)電性能優(yōu)越，是傳感器研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)方向。當(dāng)前研究中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳感器的高靈敏度和寬線性傳感范圍仍然是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

針對(duì)這一問題，上海交大趙亞平團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)建了一種兼具高靈敏度（37.3 kPa-1）和寬線性范圍（0-1.4 MPa）的新型可穿戴全碳基壓阻傳感器，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及有限元分析系統(tǒng)研究了傳感層微觀結(jié)構(gòu)與彈性支撐體之間的協(xié)同作用，全面分析了傳感器的靈敏度、傳感范圍、響應(yīng)時(shí)間和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能指標(biāo)。此外，研究還對(duì)所制備的具有超疏水性、高透氣性及生物相容性的傳感器在人體生理信號(hào)監(jiān)測(cè)、語音識(shí)別及雙因素認(rèn)證等應(yīng)用中的表現(xiàn)進(jìn)行了深入評(píng)估。相關(guān)工作以《All-Carbon Piezoresistive Sensor: Enhanced Sensitivity and Wide Linear Range via Multiscale Design for Wearable Applications》為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上，上海交通大學(xué)博士研究生向麒璇和哥倫比亞大學(xué)碩士研究生趙冠杰為論文的共同第一作者，趙亞平教授和譚慧君助理研究員為論文的共同通訊作者。

全碳基壓阻式傳感器的制備及性能表征

基于對(duì)石墨烯基碳?xì)饽z微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的深入研究，團(tuán)隊(duì)首先采用先進(jìn)的微納三維打印技術(shù)和環(huán)氧樹脂轉(zhuǎn)印技術(shù)制作了可拆卸的雙面反金字塔模具，隨后通過快速冷凍、凍干工藝及精確控制的熱解工藝制備了具有雙面金字塔微觀形貌的石墨烯基碳?xì)饽z（DPA）（圖1），并將其作為傳感器的傳感層。此后，以超疏水石墨烯尼龍織物（BCS）作為電極層、Ecoflex橡膠框架作為彈性支撐體（ES）組裝制備了經(jīng)典三明治構(gòu)型的全碳基壓阻傳感器（DPA-ES@BCS）。

圖1 DPA-ES@BCS傳感器的制備及組裝過程示意圖

SEM、XRD等分析（圖2）表明，石墨烯氣凝膠傳感層材料具有規(guī)整的微觀金字塔形貌，熱解后石墨烯基氣凝膠轉(zhuǎn)化為高度有序的石墨結(jié)構(gòu)。對(duì)電極層而言，改性后的尼龍織物基底表面呈超疏水結(jié)構(gòu)，涂覆丙烯酸乳液粘合劑及轉(zhuǎn)印石墨烯粉末后的石墨烯/尼龍織物電極層具有5.2 Ω/cm的低電阻，為傳感器的高靈敏度提供了堅(jiān)實(shí)的電學(xué)基礎(chǔ)。所組裝的DPA-ES@BCS傳感器的水蒸氣傳輸率（548.62 g·m-2·d-1）優(yōu)于傳統(tǒng)的PDMS膜（376.06 g·m-2·d-1），證明傳感器具備高效的氣體交換能力。

圖2 傳感層、電極層及傳感器的形貌結(jié)構(gòu)及性能表征

全碳基壓阻式傳感器的傳感機(jī)制

此后，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了精密的等效電路模型以深入解析DPA-ES@BCS傳感器的傳感機(jī)制（圖3）。結(jié)果表明，隨著壓力的增加，DPA的金字塔結(jié)構(gòu)被壓縮，傳感層與電極層之間的接觸面積增加，接觸電阻迅速下降；同時(shí)，DPA內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)在外力作用下產(chǎn)生形變，形成更多的導(dǎo)電通路，顯著降低了DPA的內(nèi)阻；二者共同作用使DPA-ES@BCS傳感器對(duì)壓力變化具有高靈敏度（37.3 kPa-1）。此外，橡膠框架的引入不僅為傳感器提供了必要的機(jī)械支撐，還通過其優(yōu)異的彈性性能拓寬了傳感器的線性傳感范圍（0-1.4 MPa）。此外，該傳感器在30,000個(gè)周期內(nèi)具有高穩(wěn)定性，證明了其在長(zhǎng)期應(yīng)用中的可靠性。

圖3 DPA-ES@BCS傳感器的性能表征及傳感機(jī)制

全碳基壓阻式傳感器的應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用方面，DPA-ES@BCS傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)包括呼吸、語音和運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的多種人體生理信號(hào)和活動(dòng)（圖4），展現(xiàn)出其在可穿戴生理監(jiān)測(cè)設(shè)備中的廣泛應(yīng)用潛力。值得一提的是，該傳感器在語音識(shí)別方面表現(xiàn)出色（圖5），能夠準(zhǔn)確區(qū)分單詞，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行模式識(shí)別，這一功能彰顯了其在長(zhǎng)時(shí)間語音信號(hào)記錄方面的穩(wěn)定性和可靠性，為人工智能領(lǐng)域的人機(jī)交互提供了新思路。此外，在信息安全方面，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了4×4的傳感器陣列（圖6），通過結(jié)合傳統(tǒng)密碼和壓力感應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)了雙因素認(rèn)證系統(tǒng)，有效提升了信息安全性。

圖4 DPA-ES@BCS傳感器對(duì)多種人體信號(hào)的監(jiān)測(cè)

圖5 DPA-ES@BCS傳感器在語音識(shí)別領(lǐng)域的應(yīng)用

圖6 DPA-ES@BCS傳感器在雙因素認(rèn)證系統(tǒng)中的應(yīng)用

小結(jié)

本研究創(chuàng)新性地將雙面金字塔石墨烯基碳?xì)饽z作為傳感層、超疏水石墨烯尼龍織物作為電極層，并引入高彈性Ecoflex橡膠框架作為彈性支撐體，有效分散機(jī)械應(yīng)力，制備了兼具高靈敏度和寬線性范圍的高性能壓阻傳感器。獨(dú)特的全碳基設(shè)計(jì)不僅增強(qiáng)了化學(xué)穩(wěn)定性和透氣性，還提高了生物兼容性，使其成為理想的可穿戴設(shè)備材料。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)不僅提升了傳感器的性能，還為健康監(jiān)測(cè)、人工智能、人機(jī)交互和信息安全等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能性。

來源：高分子科學(xué)前沿

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