面向人体生理信号检测的石墨烯基可拉伸集成传感器研究

The real time monitoring of human physiological signal can reflect the healthy state of the human body, and it is an important reference for clinical diagnosis and medical care. The development of high performance and extensible integrated sensors can solve the problems of larger size and limited application in traditional physiological monitoring equipment. In this project, graphene based nano-composite materials are selected in the construction of highly extensible integrated sensor with high sensitivity, multi-parameter analysis, stable and stretchable performance. Through the design of components and controllable assembly of graphene based nano-composite materials, the highly sensitive device with specific identification of multi-parameter is made. The micro-nano-etching transfer technology is employed to achieve the precise and controllable preparation of the integrated stretchable sensor array with the aim of multi-parameter analysis. Through the molecular design of elastic material, the contact of substrate material and sensitive device is guaranteed. Through the implementation of this project, the mechanism for the improvement of sensitivity, specificity and stability of the device will be clarified, and the method of constructing high sensitivity and specific identification element and the method of preparing multi-parameter integrated sensor with good mechanical and electrical stability will be proposed. The results will provide the meaningful ideas and scientific basis for the preparation of integrated sensor of sensitive materials system.

人体的生理信号实时监测可以反映出人体所处的健康状态，是临床诊断、医疗监护的重要参考依据。高性能可拉伸集成传感器件的研制，能够解决传统生理监测设备体积大、应用场合受限等问题。本项目针对人体不同生理健康参数的实时监测，采用石墨烯复合材料作为敏感材料，以构建高敏感性、支持多参数分析、拉伸性能稳定的可拉伸生理健康信号监测传感器件为目标，通过对复合材料进行组分的构筑设计以及可控组装，实现器件在多参数检测中的高敏感特异性识别；采用微纳刻蚀转印技术，实现可拉伸多参数分析集成传感器件的精确可控制备，通过弹性材料分子设计，解决在人体复杂应用环境下的衬底材料与敏感器件接触稳定性问题。通过本项目的实施，阐明器件敏感性和特异性和稳定性的提高机制，提出高敏感特异性识别元件构建方法以及具有良好力学和电学稳定性的可拉伸多参数分析集成传感的制备方法，为构建集成传感的敏感材料体系提供科学依据。

随着社会的老龄化和人们对个人健康关注度的提高，在日常生活中进行长期的生理信号监测成为需求。近年来，用于日常健康监测应用的柔性可拉伸传感器凭借其在高质量生理信号监测和系统集成方面的优势，获得了快速发展。因此，如何突破现有柔性传感系统灵敏度极限而实现高背景下的微弱信号获取、如何降低多功能传感器集成后信号采集的相互干扰，如何实现多参数的同时检测与分析、如何获得具有更大延展性的集成传感器件使之能够与弯曲表面紧密贴合并在拉伸运动过程中实现信号稳定输出等等诸多重要科学技术问题迫切需要得到解决。本项目以低维石墨烯等材料为敏感材料，从复合体系的选择性构建和器件微结构设计两方面入手，通过集成柔性可拉伸压力传感、光电探测以及气体传感三种功能传感器，实现包括心率、血压、血氧、呼出气体等人体基本的生理参数的多功能实时监控。同时针对多功能集成、抗干扰特异性感知、敏感性和拉伸可靠性的提高等关键问题，开展新结构、新设计、新原理集成系统研究。本项目从材料制备、器件设计到集成工艺，研制了一系列具有不同敏感功能的柔性传感器，包括气体传感器，温度传感器，压力传感器以及光电传感器等。不同功能的传感器均具有非常好的敏感性能。本项目也开拓了一类制备高敏感性复合材料的方法，并将这些复合材料应用于多功能传感集成阵列。系列研究了不同传感之间的特异性以及各种类型传感器集成工艺，建立了材料组份结构与敏感性能之间的关系。研究的多功能柔性传感集成系统也应用于人机交互，健康监测等领域。在论文发表方面，共发表 SCI 论文 24 篇，包括 Nature Communications，Advanced Materials等国际知名期刊。