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清华大学任天令团队:高灵敏和较大量程的可定制石墨烯压力传感器

 

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-07-22  浏览次数:733
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。

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。

       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。 
       清华大学微纳电子系硕士生吴祺和博士生乔彦聪是文章的共同第一作者,清华大学微电子所任天令教授是论文的通讯作者,该研究成果得到了国家自然基金重点项目和科技部项目的支持。

 

 
 
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