近日，清華大學(xué)微納電子系任天令教授團隊在《美國化學(xué)學(xué)會·納米》(ACSNano)上發(fā)表了題為《用于動作探測的石墨烯紙基壓力傳感器》(“Graphene-PaperPressureSensorforDetectingHumanMotions”)的研究論文，實現(xiàn)了石墨烯紙壓力傳感器靈敏度的進一步提升，此項成果對于柔性智能可穿戴傳感器的發(fā)展具有重大意義。

石墨烯紙基壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。該器件能夠有效探測脈搏、呼吸等生理參數(shù)。

柔性力學(xué)器件近些年來受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。相比傳統(tǒng)硬質(zhì)基底器件，柔性力學(xué)器件在不犧牲性能的基礎(chǔ)上，大大提升了器件的可變形性，從而使其能夠適應(yīng)更為復(fù)雜的應(yīng)用場景，尤其適合可穿戴應(yīng)用。石墨烯材料自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，被廣泛應(yīng)用于柔性力學(xué)器件中，這得益于其獨特的電學(xué)、力學(xué)等特性，石墨烯力學(xué)器件具有很高的靈敏度。然而，現(xiàn)有石墨烯力學(xué)傳感器面臨諸多問題，存在制備工藝復(fù)雜、重復(fù)性與一致性較差、良品率低等缺點，距離實際應(yīng)用仍有較大距離。

任天令教授團隊創(chuàng)新性地提出了石墨烯紙基壓力傳感器的新方法，可通過熱還原手段，將多層混合的氧化石墨烯溶液與紙材料轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬邮┘?。利用石墨烯紙層間的空氣通道以及紙材料獨特的微孔結(jié)構(gòu)，使石墨烯紙在壓力作用下，阻值發(fā)生顯著變化，從而大幅度提高了對壓力的探測靈敏度。通過選取適當(dāng)?shù)氖┘堫愋秃图埖膶訑?shù)，還可以進一步提升壓力傳感器的靈敏度。該器件在可穿戴應(yīng)用方面可以實現(xiàn)脈搏、呼吸以及多種運動狀態(tài)的精確檢測。此外，這一新型石墨烯紙基器件還具有環(huán)保、低成本、高柔性等突出優(yōu)點。

近年來，任天令教授致力于研究突破傳統(tǒng)器件的局限性，為新一代微納電子器件技術(shù)奠定基礎(chǔ)，尤其關(guān)注石墨烯傳感器的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用探索，在新型石墨烯聲學(xué)器件和各類傳感器件方面獲得了多項重要創(chuàng)新成果，如柔性石墨烯發(fā)聲器件、智能石墨烯人工喉、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)力傳感器等，相關(guān)成果發(fā)表在《自然·通訊》(NatureCommunications)、《先進材料》(AdvancedMaterials)、《納米快訊》(NanoLetters)、《美國化學(xué)學(xué)會·納米》(ACSNano)等知名學(xué)術(shù)期刊上。

清華大學(xué)微納電子系博士畢業(yè)生陶璐琪是文章第一作者，清華大學(xué)微納電子系任天令教授和楊軼副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。