近日，機電工程學(xué)院王衛(wèi)東教授團隊在柔性傳感技術(shù)領(lǐng)域取得重要研究進展，相關(guān)成果以“Dual-Graded Microstructure Engineering for Flexible Piezoresistive Sensors with High Sensitivity and Broad Linear Range in Physiological Monitoring”為題，發(fā)表于國際權(quán)威期刊Advanced Science。
 

　　該研究提出了一種基于雙梯度微結(jié)構(gòu)(DGM)的柔性壓阻式傳感器設(shè)計方案，在保證高靈敏度的同時突破了傳感器線性響應(yīng)范圍的限制，實現(xiàn)了高達69.8 kPa?1的靈敏度及高達300 kPa的線性響應(yīng)區(qū)間，并具備快速響應(yīng)(5 ms)、頻率檢測能力達200 Hz及優(yōu)異的機械穩(wěn)定性(5000次循環(huán))。西安電子科技大學(xué)為論文第一完成單位，王衛(wèi)東、白寧寧(菁英副教授)和西安微電子技術(shù)研究所吳道偉研究員為論文通訊作者，白寧寧和博士研究生徐丹丹為共同第一作者。
 

圖1. DGM柔性壓阻式傳感器制備工藝
 

　　研究亮點介紹
 

　　生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測對柔性傳感器提出了“高靈敏度+寬線性響應(yīng)范圍”的雙重性能需求，而傳統(tǒng)壓阻式傳感器通常難以同時兼顧。針對這一問題，研究團隊創(chuàng)新性地設(shè)計了雙梯度微結(jié)構(gòu)，通過面對面組裝具有梯度微結(jié)構(gòu)的TPU@MWCNTs(熱塑性聚氨酯@多壁碳納米管)膜，在結(jié)構(gòu)變形和隧穿導(dǎo)電效應(yīng)的協(xié)同作用下，實現(xiàn)了更大的有效接觸面積變化率，賦予器件優(yōu)異的線性響應(yīng)性能。該傳感器具備以下幾個核心優(yōu)勢：
 

　　?高靈敏度與寬線性響應(yīng)并存：通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料調(diào)控，實現(xiàn)了69.8 kPa?1的高靈敏度與高達300 kPa的寬線性檢測范圍；
 

　　?動態(tài)響應(yīng)快：響應(yīng)/恢復(fù)時間小于5 ms，可實時捕捉高頻振動信號(最高可達200 Hz)；
 

　　?高穩(wěn)定性與柔韌性：器件在高達300 kPa壓力下循環(huán)加載5000次后仍保持穩(wěn)定信號輸出，具備出色的機械可靠性；
 

　　?多模態(tài)生理信號檢測能力：器件可準(zhǔn)確監(jiān)測橈動脈脈搏波、呼吸頻率、心跳微振動以及吞咽與語音引起的喉部振動，顯示出在可穿戴健康監(jiān)測中的廣闊應(yīng)用前景。
 

圖2. DGM柔性壓阻式傳感器在呼吸監(jiān)測方面的應(yīng)用
 

　　應(yīng)用前景廣闊
 

　　在實際測試中，該傳感器成功分辨呼吸前后脈搏波形變化、呼吸速率提升以及心跳節(jié)律與波形形態(tài)，甚至能夠捕捉吞咽和發(fā)音所產(chǎn)生的高頻喉部振動，充分展現(xiàn)了其在多模態(tài)、動態(tài)健康監(jiān)測中的潛力。憑借高性能、低成本、工藝簡單等優(yōu)勢，該器件有望廣泛應(yīng)用于智能穿戴設(shè)備、遠程健康監(jiān)測與智能醫(yī)療等領(lǐng)域。
 

　　王衛(wèi)東教授團隊長期致力于柔性傳感技術(shù)、可穿戴健康監(jiān)測設(shè)備以及MEMS技術(shù)方面的研究，近年來已在Nature Communications、Microsystems and Nanoengineering、Nano Energy、Advanced Science等國際重要期刊發(fā)表多篇高水平論文。相關(guān)工作也得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、陜西省重點研發(fā)計劃、陜西省自然基金、中國博士后科學(xué)基金等項目資助。