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  1月22日，中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院周建華教授/喬彥聰助理教授團(tuán)隊(duì)，清華大學(xué)集成電路學(xué)院任天令教授團(tuán)隊(duì)在納米材料領(lǐng)域重要期刊《Journal of Materials Chemistry A》上發(fā)表了題為《Intelligent Nanomesh-Reinforced Graphene Pressure Sensor with Ultra Large Linear Range》的研究論文，受鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)啟發(fā)，基于納米織物增強(qiáng)的激光直寫石墨烯作為核心材料實(shí)現(xiàn)了具有超大量程、超寬線性范圍、高靈敏度的壓力傳感器。該器件具有良好的透氣性與皮膚保形性，可以實(shí)現(xiàn)壓力信號的原位放大，可以模仿中醫(yī)把脈過程中的浮中沉脈診。通過與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合，基于納米織物增強(qiáng)的石墨烯壓力傳感器（NRGPS）可以通過按壓盲文圖案實(shí)現(xiàn)觸覺信號分析。

圖1. NRGPS的制備流程與微觀結(jié)構(gòu)。

  隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口結(jié)構(gòu)的改變，人們對于生理信號監(jiān)測的需求日漸加深。各大廠商紛紛推出各種可穿戴電子設(shè)備。人體無時不刻不在產(chǎn)生各種生理信號，在各種生理信號監(jiān)測中，壓力傳感器在脈搏、呼吸、觸覺等信號中扮演了重要的角色。但是，現(xiàn)有的傳感器大部分為負(fù)電阻式傳感器，即器件電阻隨著壓力的增大而減小，使得電阻變化小于100%，限制了傳感器的量程與靈敏度。另一方面，柔性傳感器由于材料性能，在大壓強(qiáng)情況下存在穩(wěn)定性不足的問題。為了解決上述問題，周建華團(tuán)隊(duì)與任天令團(tuán)隊(duì)借鑒鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，使用納米織物作為骨架，通過激光直寫的方式在其中嵌入多孔石墨烯結(jié)構(gòu)限制傳感器中裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，極大提高了傳感器的量程與靈敏度等參數(shù)，以納米織物增強(qiáng)石墨烯作為核心材料實(shí)現(xiàn)超大量程（1000 kPa），超寬線性范圍（1000 kPa），高靈敏度（4.19 kPa^-1），高穩(wěn)定性（>10000次循環(huán)）的NRGPS。

圖2. NRGPS的電機(jī)械特性以及與其他壓力傳感器對比。

  為了解釋傳感器工作機(jī)制，周建華團(tuán)隊(duì)與任天令團(tuán)隊(duì)基于傳感器的微觀結(jié)構(gòu)提出有限元電阻網(wǎng)絡(luò)模型，通過模擬不同壓強(qiáng)下裂紋與厚度的影響分析不同壓強(qiáng)情況下傳感器電阻分布情況，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合，該模型對指導(dǎo)織物型壓力傳感器設(shè)計具有重要意義。

圖3. 基于微觀結(jié)構(gòu)的NRGPS有限元模型。

  NRGPS在硬件與軟件兩個方面都具有智能特性。通過模擬MOSFET的信號放大特性，將NRGPS壓力受力端視為力學(xué)柵極，通過調(diào)節(jié)所施加壓力改變靜態(tài)工作點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)微小力學(xué)信號的原位放大�；�NRGPS原位信號放大的功能，周建華團(tuán)隊(duì)與任天令團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了中醫(yī)脈診中浮中沉三種壓力情況下的脈搏信號提取。并且由于NRGPS高超薄特性，脈診過程中傳感器并不會影響手感。

圖4. 基于NRGPS監(jiān)測寸關(guān)尺三個位置浮中沉力道下脈搏。

  為了實(shí)現(xiàn)觸覺信號的智能分析，周建華團(tuán)隊(duì)與任天令團(tuán)隊(duì)使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法用于分析NRGPS按壓盲文后的信號并進(jìn)行分類，最終準(zhǔn)確率達(dá)到88%。

圖5. NRGPS與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合用于觸覺信號智能分析。

  論文鏈接: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ta/d1ta09813f

  下載：Intelligent Nanomesh-Reinforced Graphene Pressure Sensor with Ultra Large Linear Range