上海交通大学：全碳基压阻传感器为可穿戴技术带来革命性进步

传感器专家网 20241206

作为下一代健康监测、人机交互和智能机器人等领域的核心器件，压阻传感器能够感知、分析外界压力信号，并将其转换为电信号，其感应机制简单、信号采集便捷和机电性能优越，是传感器研究和应用的热点方向。当前研究中，同时实现传感器的高灵敏度和宽线性传感范围仍然是一个亟待解决的关键挑战。

针对这一问题，上海交大赵亚平团队设计构建了一种兼具高灵敏度（37.3 kPa-1）和宽线性范围（0-1.4 MPa）的新型可穿戴全碳基压阻传感器，并结合实验数据及有限元分析系统研究了传感层微观结构与弹性支撑体之间的协同作用，全面分析了传感器的灵敏度、传感范围、响应时间和长期稳定性等关键性能指标。此外，研究还对所制备的具有超疏水性、高透气性及生物相容性的传感器在人体生理信号监测、语音识别及双因素认证等应用中的表现进行了深入评估。相关工作以《All-Carbon Piezoresistive Sensor: Enhanced Sensitivity and Wide Linear Range via Multiscale Design for Wearable Applications》为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上，上海交通大学博士研究生向麒璇和哥伦比亚大学硕士研究生赵冠杰为论文的共同第一作者，赵亚平教授和谭慧君助理研究员为论文的共同通讯作者。

全碳基压阻式传感器的制备及性能表征

基于对石墨烯基碳气凝胶微观拓扑结构的深入研究，团队首先采用先进的微纳三维打印技术和环氧树脂转印技术制作了可拆卸的双面反金字塔模具，随后通过快速冷冻、冻干工艺及精确控制的热解工艺制备了具有双面金字塔微观形貌的石墨烯基碳气凝胶（DPA）（图1），并将其作为传感器的传感层。此后，以超疏水石墨烯尼龙织物（BCS）作为电极层、Ecoflex橡胶框架作为弹性支撑体（ES）组装制备了经典三明治构型的全碳基压阻传感器（DPA-ES@BCS）。

图1 DPA-ES@BCS传感器的制备及组装过程示意图

SEM、XRD等分析（图2）表明，石墨烯气凝胶传感层材料具有规整的微观金字塔形貌，热解后石墨烯基气凝胶转化为高度有序的石墨结构。对电极层而言，改性后的尼龙织物基底表面呈超疏水结构，涂覆丙烯酸乳液粘合剂及转印石墨烯粉末后的石墨烯/尼龙织物电极层具有5.2 Ω/cm的低电阻，为传感器的高灵敏度提供了坚实的电学基础。所组装的DPA-ES@BCS传感器的水蒸气传输率（548.62 g·m-2·d-1）优于传统的PDMS膜（376.06 g·m-2·d-1），证明传感器具备高效的气体交换能力。

图2 传感层、电极层及传感器的形貌结构及性能表征

全碳基压阻式传感器的传感机制

此后，团队构建了精密的等效电路模型以深入解析DPA-ES@BCS传感器的传感机制（图3）。结果表明，随着压力的增加，DPA的金字塔结构被压缩，传感层与电极层之间的接触面积增加，接触电阻迅速下降；同时，DPA内部的多孔结构在外力作用下产生形变，形成更多的导电通路，显著降低了DPA的内阻；二者共同作用使DPA-ES@BCS传感器对压力变化具有高灵敏度（37.3 kPa-1）。此外，橡胶框架的引入不仅为传感器提供了必要的机械支撑，还通过其优异的弹性性能拓宽了传感器的线性传感范围（0-1.4 MPa）。此外，该传感器在30,000个周期内具有高稳定性，证明了其在长期应用中的可靠性。

图3 DPA-ES@BCS传感器的性能表征及传感机制

全碳基压阻式传感器的应用

在实际应用方面，DPA-ES@BCS传感器能够实时监测包括呼吸、语音和运动在内的多种人体生理信号和活动（图4），展现出其在可穿戴生理监测设备中的广泛应用潜力。值得一提的是，该传感器在语音识别方面表现出色（图5），能够准确区分单词，并利用机器学习算法进行模式识别，这一功能彰显了其在长时间语音信号记录方面的稳定性和可靠性，为人工智能领域的人机交互提供了新思路。此外，在信息安全方面，研究团队构建了4×4的传感器阵列（图6），通过结合传统密码和压力感应模块实现了双因素认证系统，有效提升了信息安全性。

图4 DPA-ES@BCS传感器对多种人体信号的监测

图5 DPA-ES@BCS传感器在语音识别领域的应用

图6 DPA-ES@BCS传感器在双因素认证系统中的应用

小结

本研究创新性地将双面金字塔石墨烯基碳气凝胶作为传感层、超疏水石墨烯尼龙织物作为电极层，并引入高弹性Ecoflex橡胶框架作为弹性支撑体，有效分散机械应力，制备了兼具高灵敏度和宽线性范围的高性能压阻传感器。独特的全碳基设计不仅增强了化学稳定性和透气性，还提高了生物兼容性，使其成为理想的可穿戴设备材料。这项创新技术不仅提升了传感器的性能，还为健康监测、人工智能、人机交互和信息安全等领域的应用提供了新的可能性。

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来源：高分子科学前沿

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