SIGS优硕风采 | 李宏正：基于高灵敏宽频带柔性应变传感器的可穿戴系统研究

编者按

2021年，清华大学深圳国际研究生院校优秀硕士学位论文篇数再创历年新高，占全校优秀硕士论文31%，共有63篇荣获清华大学优秀硕士学位论文，其中44篇为我院专职教师指导。本系列推送将向大家展示我院获奖同学的科研成果风采。

论文中文标题：基于高灵敏宽频带柔性应变传感器的可穿戴系统研究

论文英文标题:Wearable

SystemBased on Ultrasensitive and Broadband Flexible Strain Sensor

作 者：李宏正

指导教师：张旻

培养院系：精密仪器系

学 科：仪器仪表工程

学习感言：人之所贵在于思，人之所能在于行

获得荣誉：清华大学综合优秀二等奖学金

李宏正与导师张旻（左）合影

研究背景/选题意义/研究价值

未来物联网将人纳入网络节点，通过人机一体化的主动交互彻底改变我们的生活方式。为了提升穿戴式器件的佩戴舒适性，柔性电子技术得到了广泛的应用。其中，柔性应变传感器作为生理信息采集的重要器件，在智能医疗、运动康复、健康监测和仿生假肢等领域具有极大的应用前景。人体不同类型的生理信号强度和频率差异较大，要求检测传感器具有高灵敏度、宽频带的特性，并易于穿戴集成。针对以上设计目标，本文主要开展基于激光诱导石墨烯（LIG）的柔性高灵敏宽频带应变传感器及其全柔性可穿戴系统的研究，通过器件结构仿真分析和制备工艺优化，获得了超薄高灵敏宽频带石墨烯应变传感器，实现了同一器件对脉搏波、呼吸、心音、声音等不同频段生理信息的检测。

柔性可穿戴系统示意图

主要研究内容

基于激光诱导多孔石墨烯的柔性应变传感器仿真结构优化设计。从导电复合材料压阻应变传感机理出发，分析影响传感器灵敏度和带宽的因素，采用顺序耦合的方法，建立传感器应力场和等效电阻网络模型，研究多孔石墨烯机械性能、聚二甲基硅氧烷（PDMS）层厚度和老化工艺对器件性能的影响。

柔性压阻式应变传感器结构示意图

基于激光诱导多孔石墨烯的柔性应变传感器制备工艺。制备了厚度为40 µm的超薄应变传感器件，最后通过各向异性导电胶（ACF）键合工艺，实现了传感器与外围电路的稳定电气连接。

柔性压阻式应变传感器实物图

柔性传感器标定与测试。分别搭建了静态、动态和温湿度测试平台，对传感器的性能进行标定和测试。传感器电阻应变系数高达456.51，-3dB带宽约为0-170 Hz。同时，传感器还具有优良的稳定性（5000次应力循环后稳定输出）和抑制温湿度漂移特性（温漂为1330ppm/℃，湿漂为830ppm/%RH）。

全柔性可穿戴系统设计与人体生理参数检测。针对长期轻便佩戴和连续监测两种需求，分别设计了基于近场通信（NFC）的无线无源全柔性可穿戴系统和基于低功耗蓝牙（BLE）的持续监测可穿戴系统，实现了同一器件对呼吸、脉搏波、心音、声音等多种不同频率和强度生理信号的检测，验证了肢体扰动和运动场景下柔性可穿戴系统的应用可行性。

可穿戴系统用于不同生理信号检测的结果：（a）颈动脉搏波；（b）桡动脉搏波；（c）指尖脉搏波；（d）呼吸波形

论文主要创新点

本文结合生理信号频带宽强度微弱和集成柔性可穿戴设备的要求，以柔性应变传感器的结构设计与制备工艺为主要研究对象，设计了电阻应变系数为456.51、带宽高达170Hz的高灵敏宽频带40um超薄电阻式柔性应变传感器，这一性能超过了以往报道的绝大多数应变传感器。

1、提出了一种制备超薄应变传感器的制备工艺；

2、搭建了应变传感器的静态、动态和温湿度测试平台；

3、将制备的传感器进行了柔性可穿戴集成，并进行了人体实测，展现了其潜在商用价值。

学位论文相关学术成果

[1] Yixin Liu+, Hongzheng Li+, and Min Zhang*. Wireless Battery-Free Broad-Band Sensor for Wearable Multiple Physiological Measurement [J]. ACS Appl Electron Mater,2021,3(4): 1681-1690.（共同一作，封面文章）

[2] 张旻, 李宏正, 刘易鑫, 一种柔性可穿戴设备及其制备方法，发明专利，CN202010545408.2，2020. （专利已公开）

来源|培养处

策划|陈金静、兑晓晴

文、图|李宏正

编辑|余飞慧

排版|蒋坤伦

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