中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
作為下一代健康監測、人機交互和智能機器人等領(lǐng)域的核心器件，壓阻傳感器能夠感知、分析外界壓力信號，并將其轉換為電信號，其感應機制簡(jiǎn)單、信號采集便捷和機電性能優(yōu)越，是傳感器研究和應用的熱點(diǎn)方向。當前研究中，同時(shí)實(shí)現傳感器的高靈敏度和寬線(xiàn)性傳感范圍仍然是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵挑戰。
針對這一問(wèn)題，上海交大趙亞平團隊設計構建了一種兼具高靈敏度（37.3 kPa-1）和寬線(xiàn)性范圍（0-1.4 MPa）的新型可穿戴全碳基壓阻傳感器，并結合實(shí)驗數據及有限元分析系統研究了傳感層微觀(guān)結構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、響應時(shí)間和長(cháng)期穩定性等關(guān)鍵性能指標。此外，研究還對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監測、語(yǔ)音識別及雙因素認證等應用中的表現進(jìn)行了深入評估。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
基于對石墨烯基碳氣凝膠微觀(guān)拓撲結構的深入研究，團隊首先采用先進(jìn)的微納三維打印技術(shù)和環(huán)氧樹(shù)脂轉印技術(shù)制作了可拆卸的雙面反金字塔模具，隨后通過(guò)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(guān)形貌的石墨烯基碳氣凝膠（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(guò)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整的微觀(guān)金字塔形貌，熱解后石墨烯基氣凝膠轉化為高度有序的石墨結構。對電極層而言，改性后的尼龍織物基底表面呈超疏水結構，涂覆丙烯酸乳液粘合劑及轉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實(shí)的電學(xué)基礎。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構及性能表征
全碳基壓阻式傳感器的傳感機制
此后，團隊構建了精密的等效電路模型以深入解析DPA-ES@BCS傳感器的傳感機制（圖3）。結果表明，隨著(zhù)壓力的增加，DPA的金字塔結構被壓縮，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內部的多孔結構在外力作用下產(chǎn)生形變，形成更多的導電通路，顯著(zhù)降低了DPA的內阻；二者共同作用使DPA-ES@BCS傳感器對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械支撐，還通過(guò)其優(yōu)異的彈性性能拓寬了傳感器的線(xiàn)性傳感范圍（0-1.4 MPa）。此外，該傳感器在30,000個(gè)周期內具有高穩定性，證明了其在長(cháng)期應用中的可靠性。
圖3 DPA-ES@BCS傳感器的性能表征及傳感機制
全碳基壓阻式傳感器的應用
在實(shí)際應用方面，DPA-ES@BCS傳感器能夠實(shí)時(shí)監測包括呼吸、語(yǔ)音和運動(dòng)在內的多種人體生理信號和活動(dòng)（圖4），展現出其在可穿戴生理監測設備中的廣泛應用潛力。值得一提的是，該傳感器在語(yǔ)音識別方面表現出色（圖5），能夠準確區分單詞，并利用機器學(xué)習算法進(jìn)行模式識別，這一功能彰顯了其在長(cháng)時(shí)間語(yǔ)音信號記錄方面的穩定性和可靠性，為人工智能領(lǐng)域的人機交互提供了新思路。此外，在信息安全方面，研究團隊構建了4×4的傳感器陣列（圖6），通過(guò)結合傳統密碼和壓力感應模塊實(shí)現了雙因素認證系統，有效提升了信息安全性。
圖4 DPA-ES@BCS傳感器對多種人體信號的監測
圖5 DPA-ES@BCS傳感器在語(yǔ)音識別領(lǐng)域的應用
圖6 DPA-ES@BCS傳感器在雙因素認證系統中的應用
小結
本研究創(chuàng )新性地將雙面金字塔石墨烯基碳氣凝膠作為傳感層、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，有效分散機械應力，制備了兼具高靈敏度和寬線(xiàn)性范圍的高性能壓阻傳感器。獨特的全碳基設計不僅增強了化學(xué)穩定性和透氣性，還提高了生物兼容性，使其成為理想的可穿戴設備材料。這項創(chuàng )新技術(shù)不僅提升了傳感器的性能，還為健康監測、人工智能、人機交互和信息安全等領(lǐng)域的應用提供了新的可能性。
