作为下一代健康监测、人机交互和。智能。机器人。等范畴的中心器材，压阻。传感器。可以感知、剖析外界压力。信号。，并将其转换为电信号，其感应机制简略、信号收集快捷和机电功用优越，是传感器研讨和使用的热门方向。当时研讨中，一起完成传感器的高灵敏度和宽线性传感规模仍然是一个亟待解决的要害应战。

针对这一问题，上海交大赵亚平团队规划构建了一种兼具高灵敏度（37.3 kPa-1）和宽线性规模（0-1.4 MPa）的新式可穿戴全碳基压阻传感器，并结合试验数据及有限元剖析体系研讨了传感层微观结构与弹性支撑体之间的协同效果，全面剖析了传感器的灵敏度、传感规模、呼应时刻和长期稳定性等要害功用指标。。此外，研讨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、。语音辨认。及双要素。认证。等使用中的体现进行了深化评价。相关作业以《All-Carbon。 Pi。ez。or。esis。ti。ve Sensor: Enhanced Sensitivity and Wide。 Linear。Range via Multiscale Design for Wearable Appl。ic。ations》为题宣布在《。Ad。vanced Functional Materials》期刊上，上海交通大学博士研讨生。向麒璇。和哥伦比亚大学硕士研讨生。赵冠杰。为论文的一起榜首作者，赵亚平教授。和。谭慧君助理研讨员。为论文的一起通讯作者。

全碳基压阻式传感器的制备及功用表征。

根据对石墨烯基碳气凝胶微观拓扑结构的深化研讨，团队首要选用先进的微纳三维打印技能和环氧树脂转印技能制作了可拆卸的双面反金字塔模具，随后经过快速冷冻、冻干工艺及精确操控的热解工艺制备了具有双面金字塔微观描摹的石墨烯基碳气凝胶（DPA）（图1），并将其作为传感器的传感层。尔后，以超疏水石墨烯尼龙织物（BCS）作为电极层、Ecoflex橡胶结构作为弹性支撑体（ES）拼装制备了经典三明治构型的全碳基压阻传感器（DPA-ESBCS）。

图1 DPA-ESBCS传感器的制备及拼装进程示意图。

SEM、XRD等剖析（图2）标明，石墨烯气凝胶传感层资料具有规整的微观金字塔描摹，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供给了坚实的电学根底。所拼装的DPA-ESBCS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），证明传感器具有高效的气体交流才能。

图2 传感层、电极层及传感器的描摹结构及功用表征。

全碳基压阻式传感器的传感机制。

尔后，团队构建了精细的等效电路模型以深化解析DPA-ESBCS传感器的传感机制（图3）。结果标明，跟着压力的添加，DPA的金字塔结构被紧缩，传感层与电极层之间的触摸面积添加，触摸电阻敏捷下降；一起，DPA内部的多孔结构在外力效果下发生形变，构成更多的导电通路，明显降低了DPA的内阻；二者一起效果使DPA-ESBCS传感器对压力改变具有高灵敏度（37.3 kPa-1）。此外，橡胶结构的引进不只为传感器供给了必要的。机械。支撑，还经过其优异的弹性功用拓宽了传感器的线性传感规模（0-1.4 MPa）。此外，该传感器在30,000个周期内具有高稳定性，证明了其在长期使用中的可靠性。

图3 DPA-ESBCS传感器的功用表征及传感机制。

全碳基压阻式传感器的使用。

在实践使用方面，DPA-ESBCS传感器可以实时监测包含呼吸、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使用潜力。值得一提的是，该传感器在语音辨认方面体现出色（图5），可以精确区别单词，并使用。机器学习。算法。进行模式辨认，这一功用显示了其在长时刻语音信号记载方面的稳定性和可靠性，为。人工智能。范畴的人机交互供给了新思路。此外，在。信息。安全方面，研讨团队构建了4×4的传感器阵列（图6），经过结合传统暗码和压力感应模块完成了双要素认证体系，有用提升了信息安全性。

图4 DPA-ESBCS传感器对多种人体信号的监测。

图5 DPA-ESBCS传感器在语音辨认范畴的使用。

图6 DPA-ESBCS传感器在双要素认证体系中的使用。

小结。

本研讨立异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，并引进高弹性Ecoflex橡胶结构作为弹性支撑体，有用涣散机械应力，制备了兼具高灵敏度和宽线性规模的高功用压阻传感器。共同的全碳基规划不只增强了化学稳定性和透气性，还提高了生物兼容性，使其成为抱负的可穿戴设备资料。这项立异技能不只提升了传感器的功用，还为健康监测、人工智能、人机交互和信息安全等范畴的使用供给了新的可能性。

来历：高分子科学前沿。

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