上海交通大学《AFM》：双面金字塔形碳气凝胶，用于可穿戴应用

摘要：压阻传感器在医疗保健监测、人工智能和先进通信系统等应用中不可或缺。然而，实现同时具有高灵敏度和宽线性范围的可穿戴传感器仍然是一项重大挑战。本文，上海交通大学赵亚平教授、谭慧君助理研究员等在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表

1成果简介

压阻传感器在医疗保健监测、人工智能和先进通信系统等应用中不可或缺。然而，实现同时具有高灵敏度和宽线性范围的可穿戴传感器仍然是一项重大挑战。本文，上海交通大学赵亚平教授、谭慧君助理研究员等在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表名为“All-Carbon Piezoresistive Sensor: Enhanced Sensitivity and Wide Linear Range via Multiscale Design for Wearable Applications”的论文，研究介绍了一种全碳压阻传感器，该传感器具有生物相容性高、化学稳定性好、环境可持续发展和制造工艺简单等特点。

这种传感器集成了双面金字塔形碳气凝胶（DPA）作为传感层，硅胶框架作为弹性支撑（ES），超疏水石墨烯涂层尼龙织物作为透气导电基底（BCS），被命名为 DPA-ES@BCS。有限元分析证实，DPA 和硅胶框架之间的协同作用增强了传感器的灵敏度，同时扩大了其线性范围。这种多尺度设计实现了 37.3 kPa-1 的超高灵敏度、0 至 1.4 MPa 的宽线性检测范围以及超过 30 000 次循环的出色稳定性。此外，这款高性能可穿戴传感器非常适合用于实时生理信号监测，并在语音识别方面表现出卓越的能力，能利用机器学习算法准确分辨单词。此外，DPA-ES@BCS 传感器阵列在通过双因素身份验证增强信息安全方面显示出巨大潜力。这种方法不仅提高了全碳传感器的压阻性能，还为开发下一代传感器技术奠定了坚实的基础。

2图文导读

图1、DPA-ES@BCS 的制造示意图。

图2、DPA-ES@BCS 的特性和性能。

图3、DPA-ES@BCS 传感器的性能特性和传感机制。

图4、使用 DPA-ES@BCS 检测各种生理信号。

图5、DPA-ES@BCS 用于语音识别。

图6、DPA-ES@BCS 用于双重身份验证的应用程序。

3小结

综上所述，本文开发了一种全碳可穿戴压阻传感器，它兼具高灵敏度和宽线性感应范围。该传感器集成了双面金字塔形碳气凝胶（DPA）作为传感层，硅胶框架作为弹性支撑（ES），超疏水石墨烯涂层尼龙织物作为透气导电基底（BCS）。这种不含金属成分的全碳设计增强了化学稳定性、渗透性和生物相容性。有限元分析证实，传感器的卓越性能源于 DPA 复杂的微观结构与 ES 坚固的机械性能之间的协同作用。这种配置实现了 37.3 kPa-1 的超高灵敏度、0-1.4 MPa 的宽线性范围、低至 4 Pa 的检测限以及超过 30 000 次循环的出色耐用性。此外，BCS 还提高了皮肤亲和性，实现了对生理信号的实时、无创监测。该传感器的声音检测能力已通过模拟人类听觉系统的实验得到验证，并利用机器学习算法实现了精确的语音识别。此外，结合传统密码和压力模式的双因素身份验证系统也证明了传感器在提高信息安全方面的潜力。这种创新设计为下一代传感器技术铺平了道路，可广泛应用于医疗保健监测、语音识别、人机交互和安全信息系统。

文献：