7月15日，清華大學(xué)微電子所任天令教授團(tuán)隊(duì)在納米領(lǐng)域重要期刊《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)納米》(ACS Nano)上發(fā)表了題為“正電阻特性的類三極管石墨烯壓力傳感器”(Triode-Mimicking Graphene Pressure Sensor with Positive Resistance Variation for Physiology and Motion Monitoring)的研究論文。該器件實(shí)現(xiàn)了可定制的石墨烯壓力傳感器，具有極高的靈敏度和較大的量程，可以直接貼覆在皮膚上用于探測(cè)呼吸、脈搏等多重功能，并實(shí)現(xiàn)了人體多部位血壓值和波形采集、足底壓力和步態(tài)監(jiān)測(cè)，未來(lái)在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、智慧醫(yī)療等方面具有重大應(yīng)用前景。

石墨烯柔性壓力傳感器

壓力傳感器是一種重要的信號(hào)采集器件，要求器件同時(shí)兼顧較高的靈敏度和較大的量程，同時(shí)為了用于人體信號(hào)采集，還應(yīng)具備良好的柔性、貼合度和耐用性。傳統(tǒng)的壓力傳感器在受到外界壓力時(shí)，電阻值減小，呈現(xiàn)一種負(fù)電阻變化，這使得量程和靈敏度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系相互制約，從而使得性能難以提高。

任天令團(tuán)隊(duì)基于激光還原石墨烯，將石墨烯與硅橡膠柔性基底相結(jié)合，制備了類三極管結(jié)構(gòu)的石墨烯壓力傳感器，在整個(gè)量程區(qū)間內(nèi)，傳感器的靈敏度也隨著壓力增大而提高呈現(xiàn)指數(shù)變化趨勢(shì)。將壓力傳感器受力端看做基極，模仿調(diào)節(jié)晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)的方式，通過(guò)調(diào)節(jié)力學(xué)靜態(tài)偏置實(shí)現(xiàn)微小力學(xué)信號(hào)測(cè)量與放大。由于傳感器核心采用了激光還原的多層石墨烯，在宏觀結(jié)構(gòu)上可被視為二維材料，器件總體呈現(xiàn)出正電阻變化的特性。同時(shí)還探究了圖案、掃描角度等多種方法來(lái)增強(qiáng)和定制器件。除了貼附在手腕監(jiān)測(cè)脈搏、貼附在胸口監(jiān)測(cè)呼吸信號(hào)外，還能夠在人體多處分別測(cè)量和還原血壓值和波形。傳感器的大量程還可以被運(yùn)用于足底壓力測(cè)量和步態(tài)監(jiān)測(cè)，并組建了一個(gè)實(shí)時(shí)步態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

石墨烯壓力傳感器實(shí)現(xiàn)人體多部位血壓測(cè)量以及步態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

近年來(lái)，任天令致力于石墨烯器件的基礎(chǔ)研究和實(shí)用化應(yīng)用的探索，尤其關(guān)注研究突破傳統(tǒng)器件限制的新型微納電子器件，在新型石墨烯聲學(xué)器件和各類傳感器件方面已獲得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果，如柔性石墨烯發(fā)聲器件、新型石墨烯阻變存儲(chǔ)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、仿生石墨烯壓力傳感器、極低功耗石墨烯鈣鈦礦阻變存儲(chǔ)器等相關(guān)成果曾多次發(fā)表于《自然通訊》(Nature Communications)、《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)、《納米快報(bào)》(Nano Letters)、《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)納米》(ACS Nano)、國(guó)際電子器件大會(huì)(IEDM)等。