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清华大学研发高灵敏度和较大量程的可定制石墨烯压力传感器
2020-07-24    来源:清华新闻网  浏览次数:
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7月15日,清华大学微电子所任天令教授团队在纳米领域重要期刊《美国化学学会纳米》(ACS Nano)上发表了题为“正电阻特性的类三极管石墨烯压力传感器”(Triode-Mimicking Graphene Pressure Sensor with Positive Resistance Variation for Physiology and Motion Monitoring)的研究论文。该器件实现了可定制的石墨烯压力传感器,具有极高的灵敏度和较大的量程,可以直接贴覆在皮肤上用于探测呼吸、脉搏等多重功能,并实现了人体多部位血压值和波形采集、足底压力和步态监测,未来在运动监测、智慧医疗等方面具有重大应用前景。



石墨烯柔性压力传感器


压力传感器是一种重要的信号采集器件,要求器件同时兼顾较高的灵敏度和较大的量程,同时为了用于人体信号采集,还应具备良好的柔性、贴合度和耐用性。传统的压力传感器在受到外界压力时,电阻值减小,呈现一种负电阻变化,这使得量程和灵敏度呈负相关关系相互制约,从而使得性能难以提高。


任天令团队基于激光还原石墨烯,将石墨烯与硅橡胶柔性基底相结合,制备了类三极管结构的石墨烯压力传感器,在整个量程区间内,传感器的灵敏度也随着压力增大而提高呈现指数变化趋势。将压力传感器受力端看做基极,模仿调节晶体管静态工作点的方式,通过调节力学静态偏置实现微小力学信号测量与放大。由于传感器核心采用了激光还原的多层石墨烯,在宏观结构上可被视为二维材料,器件总体呈现出正电阻变化的特性。同时还探究了图案、扫描角度等多种方法来增强和定制器件。除了贴附在手腕监测脉搏、贴附在胸口监测呼吸信号外,还能够在人体多处分别测量和还原血压值和波形。传感器的大量程还可以被运用于足底压力测量和步态监测,并组建了一个实时步态监测系统。



石墨烯压力传感器实现人体多部位血压测量以及步态监测系统


近年来,任天令致力于石墨烯器件的基础研究和实用化应用的探索,尤其关注研究突破传统器件限制的新型微纳电子器件,在新型石墨烯声学器件和各类传感器件方面已获得了多项创新成果,如柔性石墨烯发声器件、新型石墨烯阻变存储器、光谱可调的石墨烯发光器件、石墨烯仿生突触器件、可调石墨烯应力传感器、仿生石墨烯压力传感器、极低功耗石墨烯钙钛矿阻变存储器等相关成果曾多次发表于《自然通讯》(Nature Communications)、《先进材料》(Advanced Materials)、《纳米快报》(Nano Letters)、《美国化学学会纳米》(ACS Nano)、国际电子器件大会(IEDM)等。