新型柔性化、可穿戴微纳智能传感器
基
于半导体纳米材料的高性能微纳传感信息器件，是后摩尔定律时代信息系统的重要组成部分。传感器的物联网应用和个性化医疗管理与服务将是下一代传感信息产业的主要驱动力，发展柔性化和微型化的新型微纳传感器技术，并在此基础上探索微纳传感器对人体健康、环境的动态实时检测具有重要的科学意义，是传感器技术、纳米技术交叉研究的重要前沿。研究高性能微纳传感器的设计方法、可控制备、响应原理及创新应用等关键科学技术问题，有望为我国物联网、健康医疗、环境监测等相关产业的战略发展提供有力的支撑。
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中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的张珽研究员课题组聚焦于“微纳传感信息器件”的研究方向，面向社会可持续发展面临的环境、健康问题和我国智能化、信息化的重大需求，针对“柔性微纳传感器件设计制备方法及响应原理、微型化MEMS硅基微纳传感器可控制备方法、功能化纳米敏感材料可控制备方法，以及微纳传感器在可穿戴健康管理与环境污染物检测中的创新应用”等方面开展了较为深入的研究，在《科学进展》（Science Advances）、《先进材料》（Advanced Material)等高水平国际期刊上发表了一系列学术论文，有数项发明专利成功许可相关企业实现了技术转化和产业化应用，为高性能微纳传感器件的设计、制造及应用提供了新的研究思路。
可穿戴电子皮肤
课题组基于柔性电子技术、碳纳米材料超薄膜制备和仿生功能原理研制了柔性电子皮肤、柔性电子耳膜等独具特色的新型可穿戴柔性传感器件；揭示了电子皮肤的电阻-应变响应原理和电子耳膜的力学振动机制；提出了液气-界面层层剥离的方法，实现用于柔性器件的高质量碳纳米管、石墨烯薄膜的可控制备；突破了传统刚性的无机传感器件无法与人体柔性组织集成的瓶颈；电子皮肤研究成果实现了对微压强高灵敏度、高稳定性的快速检测，这种电子皮肤能够通过实时监测脉搏、心跳、体温、肌肉群震动等人体健康生理指标，对人体健康数据变化及时做出反馈，甚至实现疾病的前期预防和诊断。
柔性仿生电子耳膜-用于振动信号（语音）感知
以上这些研究成果为柔性传感材料与器件的设计方法及其在柔性可穿戴智能系统中的应用奠定了一定的理论和技术基础。国际著名学术网站Elsevier以《电子皮肤和卡片诊断仪为病人排忧解难》为题高度评价了课题组的研究成果，物理组织网(Phys Org)、世界印刷电子（Printed Electronics World）、纳米材料与纳米技术网（Nano Werk）、每日科学（Science Daily）等国际知名网站也均有相关报道。《福布斯》杂志2013年10月“超越新材料”专栏也专题报道了电子皮肤的研究进展。
基于碳基纳米材料超薄膜的柔性环境及人机交互传感器
性质和厚度均匀的碳纳米材料超薄膜可控制备一直是柔性器件制备的难点， 张珽课题组通过溶液表面张力的调控实现了高质量石墨烯、碳纳米管敏感薄膜可控制备，并从界面化学角度深入分析了薄膜湿法剥离的过程并揭示了其形成机理。该方法可有效、重复地制备出用于柔性器件的厚度可控、透光性高、尺寸和性能均一的晶圆级碳纳米材料超薄膜。
基于碳纳米管/柔性衬底界面微纳结构设计的柔性电子皮肤及其高灵敏压力感知
该团队进一步利用该方法成功构筑了碳纳米管及柔性环境气体传感器、石墨烯基新型非接触式柔性阵列化传感器件，实现了对相对湿度的高灵敏度、宽范围、稳定及快速检测。该阵列化传感器件可用于追踪非接触模式下手指尖周围的湿度分布，有望应用于柔性非接触式控制或实现非接触操作的新型人机交互设备中。
基于层层剥离石墨烯敏感薄膜的柔性湿度传感器及其手指湿度场非接触感知
具有仿生微结构的高性能柔性电容式触觉传感器
对于电容式力传感器，对介电层微结构进行设计优化是提升柔性电容式传感器性能的有效方法之一。张珽课题组利用荷叶表面存在的天然微结构为仿生模板，实现了柔性衬底表面均匀分布的微结构，并结合聚苯乙烯（PS）微球和空气介质构筑了微结构化的双介质介电层。
通过对表面微结构与聚苯乙烯微球的尺寸匹配进行优化，以及在受力条件下利用微结构扩张同时实现极距减小、接触面积增加及介电常数改变等多参数的协同变化，大大增加了柔性电容式传感器的灵敏度、响应时间及响应范围等，由此构建的柔性传感阵列可实现对触压、扭曲及拉伸等不同力学量的选择性响应。
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该工作中以自然界中存在的生物表面为模板构筑三维多孔柔性衬底，可以作为一种普适方法，在改善其他柔性电子器件（如柔性超级电容器及柔性太阳能电池等）性能方面也可得到广泛应用。
医疗器械用微纳传感器
传统的医疗器械不具备感知能力，工作时无法判断力的大小，从而容易导致组织受损，因此为其组装一种能完全贴附在医疗器械表皮的柔性力学传感器至关重要。张珽课题组开展了一项基于聚酰亚胺（PI）衬底的柔性力学传感器在消化道吻合医疗器械中的应用研究。该系统包括柔性压力传感系统、信号采集、滤波放大电路系统、输入输出测试等部分。
柔性传感器用于机器人、医疗器械
其中，传感器采用高杨氏模量的具有叉齿电极图案的PI，利用喷墨打印碳基敏感浆料的纤维基布作为压力敏感层，实现了传感器小面积、宽检测的压力范围。将此传感器结合电路系统、测试系统组装在消化道吻合器械上，成功地实现了该系统的智能化人机交互过程。
可穿戴汗液传感器
为了更深入地了解与人体生理状态（如疲劳、抑郁、亢奋等）、健康和疾病相关的信息，张珽课题组不止局限于开发用于人体物理体征数据采集和监控的柔性电子器件，目前，对与健康和疾病关系密切的生物化学分子水平的可穿戴分析设备也在积极地进行测试。
可穿戴生物化学传感设备最大的特点是可以实现非侵入（即无创无痛）和实时连续的生化指标监测，这相对于传统侵入式的血液检测来说无疑是一个巨大的优势，不仅可以避免扎针给人带来的痛苦，同时还可以促进未来床边快速检测（Point-of-Care）的实现。
高选择性柔性湿度传感器及其用于皮肤水分健康管理
目前，非侵入的体液检测主要包括对汗液、唾液、眼泪和尿液中存在的生物标志物的检测。例如对汗液中钠离子水平的实时监测，可以反映人体不同类别的水盐代谢紊乱症状，也能够间接地监测人体的出汗量和体内温度，这对经常在极端环境中（包括剧烈运动、火灾抢险、战争）工作的运动员、工人、军人的健康评估和工作指导具有重要意义。
可穿戴电子设备对汗液和眼泪中葡萄糖浓度变化的监测，可以逐渐取代常规的血糖检测，进而极大地减少频繁取血给病人带来的痛苦，提高疾病的及时监管和治疗。尿液、唾液和汗液中的皮质醇是人体应激程度的重要指示，开发可穿戴检测设备对现代快节奏高压生活状态下人们身体和心理健康水平的监控具有重要的意义。
可视化柔性智能传感器
可视化传感器是指传感器将外界环境的变化以颜色/光变化的形式表现出来，从而达到人眼可识别的效果。材料的电致发光效应、光致发光效应、电致变色效应等化学变化可以引起其颜色/光发生变化，此外，对于结构色材料来说，其物理结构改变时颜色也将发生变化。可视化传感器具有直观、生动的特点，并且结构色材料可以直接借助外界环境的变化实现变色，实现无源传感，从而降低能耗。
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张珽课题组未来5年将围绕“信息科学领域-敏感电子学和传感器”中“具有重要应用前景的原创性新型信息器件研究”方向，从“纳米-电子-仿生”多学科综合交叉角度开展新型柔性仿生器件设计与制备的基础和应用研究。
多参数柔性传感（气体、湿度、温度、光电）
主要研究基于纳米技术和柔性电子的多种柔性仿生传感器，通过可穿戴的方式感知多种信息（如压力、张力、温湿度、气体、振动等）及模拟触觉、嗅觉、听觉等仿生感知能力，实时获取脉搏、心电、血压等生理参数以及温湿度、气体等环境信息，并无线传输到智能手机等终端进行数据的采集、存储、处理和发射。此研究将为可穿戴柔性仿生传感器件设计、制备提供技术途径。
张珽课题组团队
张珽：研究员，博士生导师， 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所。
李铁：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所博士后。
丁海燕：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所助理研究员。
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