近日，機電工程學院王衛東教授團隊在柔性傳感技術領域取得重要研究進展，相關成果以“Dual-Graded Microstructure Engineering for Flexible Piezoresistive Sensors with High Sensitivity and Broad Linear Range in Physiological Monitoring”為題，發表于國際權威期刊Advanced Science。
 

　　該研究提出了一種基于雙梯度微結構(DGM)的柔性壓阻式傳感器設計方案，在保證高靈敏度的同時突破了傳感器線性響應范圍的限制，實現了高達69.8 kPa?1的靈敏度及高達300 kPa的線性響應區間，并具備快速響應(5 ms)、頻率檢測能力達200 Hz及優異的機械穩定性(5000次循環)。西安電子科技大學為論文第一完成單位，王衛東、白寧寧(菁英副教授)和西安微電子技術研究所吳道偉研究員為論文通訊作者，白寧寧和博士研究生徐丹丹為共同第一作者。
 

圖1. DGM柔性壓阻式傳感器制備工藝
 

　　研究亮點介紹
 

　　生物醫學監測對柔性傳感器提出了“高靈敏度+寬線性響應范圍”的雙重性能需求，而傳統壓阻式傳感器通常難以同時兼顧。針對這一問題，研究團隊創新性地設計了雙梯度微結構，通過面對面組裝具有梯度微結構的TPU@MWCNTs(熱塑性聚氨酯@多壁碳納米管)膜，在結構變形和隧穿導電效應的協同作用下，實現了更大的有效接觸面積變化率，賦予器件優異的線性響應性能。該傳感器具備以下幾個核心優勢：
 

　　?高靈敏度與寬線性響應并存：通過結構設計和材料調控，實現了69.8 kPa?1的高靈敏度與高達300 kPa的寬線性檢測范圍；
 

　　?動態響應快：響應/恢復時間小于5 ms，可實時捕捉高頻振動信號(最高可達200 Hz)；
 

　　?高穩定性與柔韌性：器件在高達300 kPa壓力下循環加載5000次后仍保持穩定信號輸出，具備出色的機械可靠性；
 

　　?多模態生理信號檢測能力：器件可準確監測橈動脈脈搏波、呼吸頻率、心跳微振動以及吞咽與語音引起的喉部振動，顯示出在可穿戴健康監測中的廣闊應用前景。
 

圖2. DGM柔性壓阻式傳感器在呼吸監測方面的應用
 

　　應用前景廣闊
 

　　在實際測試中，該傳感器成功分辨呼吸前后脈搏波形變化、呼吸速率提升以及心跳節律與波形形態，甚至能夠捕捉吞咽和發音所產生的高頻喉部振動，充分展現了其在多模態、動態健康監測中的潛力。憑借高性能、低成本、工藝簡單等優勢，該器件有望廣泛應用于智能穿戴設備、遠程健康監測與智能醫療等領域。
 

　　王衛東教授團隊長期致力于柔性傳感技術、可穿戴健康監測設備以及MEMS技術方面的研究，近年來已在Nature Communications、Microsystems and Nanoengineering、Nano Energy、Advanced Science等國際重要期刊發表多篇高水平論文。相關工作也得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、陜西省重點研發計劃、陜西省自然基金、中國博士后科學基金等項目資助。