7月15日,清華大學(xué)微電子所任天令教授團隊在納米領(lǐng)域重要期刊《美國化學(xué)學(xué)會納米》(ACS Nano)上發(fā)表了題為“正電阻特性的類三極管石墨烯壓力傳感器”(Triode-Mimicking Graphene Pressure Sensor with Positive Resistance Variation for Physiology and Motion Monitoring)的研究論文。該器件實現(xiàn)了可定制的石墨烯壓力傳感器,具有極高的靈敏度和較大的量程,可以直接貼覆在皮膚上用于探測呼吸、脈搏等多重功能,并實現(xiàn)了人體多部位血壓值和波形采集、足底壓力和步態(tài)監(jiān)測,未來在運動監(jiān)測、智慧醫(yī)療等方面具有重大應(yīng)用前景。
石墨烯柔性壓力傳感器
壓力傳感器是一種重要的信號采集器件,要求器件同時兼顧較高的靈敏度和較大的量程,同時為了用于人體信號采集,還應(yīng)具備良好的柔性、貼合度和耐用性。傳統(tǒng)的壓力傳感器在受到外界壓力時,電阻值減小,呈現(xiàn)一種負電阻變化,這使得量程和靈敏度呈負相關(guān)關(guān)系相互制約,從而使得性能難以提高。
任天令教授團隊基于激光還原石墨烯,將石墨烯與硅橡膠柔性基底相結(jié)合,制備了類三極管結(jié)構(gòu)的石墨烯壓力傳感器,在整個量程區(qū)間內(nèi),傳感器的靈敏度也隨著壓力增大而提高呈現(xiàn)指數(shù)變化趨勢。將壓力傳感器受力端看做基極,模仿調(diào)節(jié)晶體管靜態(tài)工作點的方式,通過調(diào)節(jié)力學(xué)靜態(tài)偏置實現(xiàn)微小力學(xué)信號測量與放大。由于傳感器核心采用了激光還原的多層石墨烯,在宏觀結(jié)構(gòu)上可被視為二維材料,器件總體呈現(xiàn)出正電阻變化的特性。同時還探究了圖案、掃描角度等多種方法來增強和定制器件。除了貼附在手腕監(jiān)測脈搏、貼附在胸口監(jiān)測呼吸信號外,還能夠在人體多處分別測量和還原血壓值和波形。傳感器的大量程還可以被運用于足底壓力測量和步態(tài)監(jiān)測,并組建了一個實時步態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。
石墨烯壓力傳感器實現(xiàn)人體多部位血壓測量以及步態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)
近年來,任天令教授致力于石墨烯器件的基礎(chǔ)研究和實用化應(yīng)用的探索,尤其關(guān)注研究突破傳統(tǒng)器件限制的新型微納電子器件,在新型石墨烯聲學(xué)器件和各類傳感器件方面已獲得了多項創(chuàng)新成果,如柔性石墨烯發(fā)聲器件、新型石墨烯阻變存儲器、光譜可調(diào)的石墨烯發(fā)光器件、石墨烯仿生突觸器件、可調(diào)石墨烯應(yīng)力傳感器、仿生石墨烯壓力傳感器、極低功耗石墨烯鈣鈦礦阻變存儲器等相關(guān)成果曾多次發(fā)表于《自然通訊》(Nature Communications)、《先進材料》(Advanced Materials)、《納米快報》(Nano Letters)、《美國化學(xué)學(xué)會納米》(ACS Nano)、國際電子器件大會(IEDM)等。
清華大學(xué)微納電子系碩士生吳祺和博士生喬彥聰是文章的共同第一作者,清華大學(xué)微電子所任天令教授是論文的通訊作者,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。
論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c03294
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