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技術(shù)文章
Technical articles
更新時(shí)間：2018-03-02
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清華大學(xué)微電子系任天令教授團(tuán)隊(duì)在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)·納米》(ACS Nano)上發(fā)表了題為《仿生針刺隨機(jī)分布結(jié)構(gòu)的高靈敏度和寬線性范圍石墨烯壓力傳感器》的研究成果，由人體皮膚感知微結(jié)構(gòu)出發(fā)提出相似的仿生結(jié)構(gòu)，通過(guò)微結(jié)構(gòu)和分布模式的結(jié)合解決了靈敏度和線性范圍之間的矛盾，為力學(xué)器件性能的綜合提升提供了一種全新的思路。
近年來(lái)，柔性力學(xué)微納傳感器特別是在人體生理信息監(jiān)測(cè)和檢測(cè)方面成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，同時(shí)也有大量相關(guān)產(chǎn)業(yè)公司相繼成立。相比于傳統(tǒng)的硅基器件，由于具有舒適性、貼合性和可穿戴性等方面的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于人體物理和化學(xué)活動(dòng)的監(jiān)測(cè)，但作為力學(xué)器件的兩個(gè)重要指標(biāo)靈敏度和線性度之間的矛盾一直未能得到很好的解決。通常制備出的器件都需要以犧牲一個(gè)指標(biāo)而為提升另一個(gè)指標(biāo)服務(wù)，這往往限制了其實(shí)際應(yīng)用的范圍，解決這一矛盾成研究難點(diǎn)。
基于人體皮膚，特別是指尖對(duì)于不同大小應(yīng)力的高靈敏響應(yīng)特點(diǎn)，根據(jù)對(duì)其微結(jié)構(gòu)的研究提出了相似結(jié)構(gòu)的制備。通過(guò)砂紙作為模板倒模成型柔性的基底，利用氧化石墨烯在高溫下還原后作為力學(xué)敏感層，制備出具有針刺形貌和隨機(jī)分布的壓力傳感器。該傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性、快速響應(yīng)和低探測(cè)極限，實(shí)現(xiàn)了在更寬線性測(cè)量范圍的高靈敏度。其中針刺結(jié)構(gòu)之間接觸面積突變主要貢獻(xiàn)出高的靈敏度，隨機(jī)分布主要貢獻(xiàn)寬的線性范圍，通過(guò)兩者結(jié)合在很大程度上解決了這一對(duì)矛盾。
正是由于該傳感器高的靈敏度和寬線性范圍，課題組成功了應(yīng)用于對(duì)人體各種生理活動(dòng)的監(jiān)測(cè)，例如脈搏、呼吸和聲音識(shí)別，還實(shí)現(xiàn)對(duì)走、跑、跳等走路姿態(tài)的監(jiān)控，以及對(duì)走路步態(tài)的監(jiān)測(cè)。利用可穿戴的高性能力學(xué)傳感器對(duì)人體各種生理活動(dòng)參數(shù)的獲取將會(huì)在個(gè)人健康和醫(yī)療方面具有重要的實(shí)際意義，具有重大的應(yīng)用前景。
傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。
傳感器的特點(diǎn)包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)等感官，讓物體慢慢變得活了起來(lái)。通常根據(jù)其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等類(lèi)。
傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域。可以毫不夸張地說(shuō)，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開(kāi)各種各樣的傳感器。
由此可見(jiàn)，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國(guó)都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。相信不久的將來(lái)，傳感器技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)飛躍，達(dá)到與其重要地位相稱(chēng)的新水平。
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