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隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)發(fā)展高性能柔性傳感器的需求也在不斷增加。人們希望傳感器件可以舒適地穿戴在身上，或者直接貼附在皮膚表面，從而能夠獲得血壓、血糖、脈搏等一系列健康信息，并將這些信息收集到智能設(shè)備中，經(jīng)過分析和提取，幫助醫(yī)生進(jìn)行診斷，使未來(lái)的人類生活更具想象空間。此外，通過在人類假肢或機(jī)器人上貼附相應(yīng)柔性傳感器及傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境的感知，獲得多自由度的超級(jí)操控。本文總結(jié)了近年來(lái)柔性傳感器的研究進(jìn)展,包括柔性觸覺傳感、柔性成像陣列、生物傳感、氣體傳感以及多功能傳感集成等在可穿戴電子領(lǐng)域的最新應(yīng)用。

二、壓阻式傳感器

通常，當(dāng)施加外力時(shí)，基于壓阻效應(yīng)的觸覺傳感器將導(dǎo)致電導(dǎo)率信號(hào)發(fā)生變化。壓阻式觸覺傳感器由于功耗低，壓力測(cè)試范圍廣，易于讀取和簡(jiǎn)單的器件結(jié)構(gòu)及制造工藝，已經(jīng)得到廣泛的研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和電子皮膚的實(shí)際應(yīng)用具有很大希望。在過去的幾十年，已經(jīng)研究了許多不同種類的材料來(lái)發(fā)展高性能壓阻式傳感器。通常，壓阻傳感材料主要集中在具有導(dǎo)電性能的填料，如導(dǎo)電聚合物（CPs），金屬顆粒，碳納米管（CNTs）和還原氧化石墨烯（rGO）加入彈性體〔如聚氨酯（PU）和PDMS〕的復(fù)合材料。此外，導(dǎo)電纖維，金屬納米線和薄膜也可以用作壓阻傳感器的感測(cè)材料。 Hanif和他的團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種具有典型壓阻效應(yīng)的等離子體摻雜石墨烯片基柔性壓力傳感器。與UG片相比，等離子體摻雜進(jìn)一步提高了人類感知（0～10 kPa）最低工作區(qū)域的壓力感測(cè)性能；此外，還研究了在壓阻式壓力傳感器中使用的一些其它具有生物相容性，超疏水性等獨(dú)特性質(zhì)的導(dǎo)電聚合物。但是，大多數(shù)使用基于平面結(jié)構(gòu)的復(fù)合彈性體的壓阻型傳感器表現(xiàn)出較差的感測(cè)性能，在低壓狀態(tài)下無(wú)法感知。因此，深入研究一些新材料的工作原理和設(shè)計(jì)理念，來(lái)提供如傳感材料的3D網(wǎng)絡(luò)，多孔結(jié)構(gòu)的活性材料和微結(jié)構(gòu)的利用等來(lái)作為替代方案。Ko等人提出了一種使用互鎖微圓點(diǎn)陣列的可擴(kuò)展電阻式電子皮膚傳感器。將2個(gè)具有微圓圖案的CNT復(fù)合膜通過圖案?jìng)?cè)的接合，形成聯(lián)鎖幾何結(jié)構(gòu)（圖1）。聯(lián)鎖微圓陣列壓力傳感器的感測(cè)機(jī)理，可以通過外部壓力下微圓接觸面積和拉伸比的變化來(lái)解釋。因此，具有獨(dú)特幾何形狀的互聯(lián)微圓點(diǎn)陣列器件可以區(qū)分不同的機(jī)械刺激以提供不同的感測(cè)輸出模式，因?yàn)殛嚵懈鶕?jù)外部壓力的方向顯示不同程度的變形。與平面復(fù)合膜相比，微結(jié)構(gòu)器件在響應(yīng)時(shí)間（約18 ms）和恢復(fù)時(shí)間（約10 ms）上要快3～4倍。這種優(yōu)良的壓力感測(cè)性能通過人手腕的不同運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)量血壓，可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體生理信號(hào)。通過使用幾乎相同的器件結(jié)構(gòu)和感測(cè)機(jī)制，成功合成了具有導(dǎo)電彈性體復(fù)合材料的微錐體PDMS陣列，實(shí)現(xiàn)了高度可拉伸的電阻式壓力傳感器。

圖1　　 微結(jié)構(gòu)壓阻型壓力傳感器

三、壓電式傳感器

壓電效應(yīng)是用于解釋由于一些各向異性結(jié)晶材料的電偶極矩響應(yīng)所施加的機(jī)械刺激而產(chǎn)生電勢(shì)的材料的名詞。眾所周知，動(dòng)態(tài)測(cè)量需要器件實(shí)現(xiàn)10～50kHz范圍內(nèi)的典型頻率范圍的瞬態(tài)感測(cè)能力和高靈敏度。因此，具有令人印象深刻的自驅(qū)動(dòng)能力和低功耗特性的壓電傳感器具有檢測(cè)高頻壓力的優(yōu)勢(shì)。為了滿足可穿戴電子產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)觸覺傳感器的要求，一些新型的壓電材料已被廣泛研究以替代市售的脆性陶瓷和石英，包括P（VDF-TrFE），鋯鈦酸鉛（PZT），鈦酸鋇（BaTiO3），鈦酸鉛（PbTiO3）和氧化鋅（ZnO）等[9]。因?yàn)榫哂谢瘜W(xué)惰性，簡(jiǎn)單的加工技術(shù)和較大的壓電系數(shù)特點(diǎn)，柔性P（VDF-TrFE）是最有希望的壓電材料之一。到目前為止，已經(jīng)研究了大量P（VDF-TrFE）膜基柔性壓力傳感器。 Persano等人通過使用靜電紡絲法開發(fā)了獨(dú)立排列的P（VDF-TrFE）納米纖維陣列。然后，他們基于這些納米纖維陣列制作出高性能柔性壓電壓力傳感器。這種裝置對(duì)施加的力具有高響應(yīng)，并且可以檢測(cè)到0.1Pa的非常低的壓力。

這些結(jié)果表明，制造的P（VDF-TrFE）器件應(yīng)用在未來(lái)的自供電可穿戴系統(tǒng)中具有很大的潛力。但是對(duì)于P（VDF-TrFE），難以將壓電效應(yīng)與熱電效應(yīng)分開，導(dǎo)致熱量干擾器件。

四、電容式傳感器

柔性電容傳感器是可穿戴感應(yīng)中最重要的設(shè)備之一。電容器由2個(gè)由電介質(zhì)材料隔開的導(dǎo)電板組成。電容定義為C =ε0εrA/ d，其中ε0，εr，A和d對(duì)應(yīng)于介電常數(shù)，電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，2個(gè)板的重疊面積和電介質(zhì)?？蓪?dǎo)致物理尺寸或介電常數(shù)變化的任何化學(xué)或物理刺激在電容中都是可測(cè)量的類型。作為觸覺傳感器，外部壓力通常導(dǎo)致彈性材料的位移隨著A變化以響應(yīng)剪切力，改變d以響應(yīng)正向力，以及2種變化對(duì)應(yīng)張力。需要彈性體材料的低機(jī)械模量以實(shí)現(xiàn)高機(jī)械靈敏度。因此，對(duì)于電介質(zhì)層，具有小模量的一些彈性體電介質(zhì)是理想的材料，例如聚氨酯（PU），共聚酯（Ecoflex）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。具有小模量的PDMS通常用于可穿戴電容式觸覺傳感器。近年來(lái)，已經(jīng)報(bào)道了基于簡(jiǎn)單PDMS作為電介質(zhì)，CNT或PEDOT：PSS作為電極的高靈敏度電容式傳感器。例如，已經(jīng)報(bào)道了基于層狀設(shè)計(jì)的彈性CNT織物的柔性電容式觸覺傳感器，其結(jié)合了在PDMS上具有良好介電特性的拉伸彈性體。該裝置顯示出高響應(yīng)速度，并通過可靠的觸覺傳感器陣列進(jìn)行位置檢測(cè)，超低檢測(cè)限制為0.4Pa，響應(yīng)時(shí)間快達(dá)63ms。然而，對(duì)于非結(jié)構(gòu)化彈性體電介質(zhì)，其具有高粘彈性和低壓縮性，導(dǎo)致電容式壓力傳感器的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間慢，靈敏度低。為了解決這些問題，設(shè)計(jì)介電材料的壓縮性是可以直接提高器件靈敏度的重要因素。最有效的方法是設(shè)計(jì)氣相微結(jié)構(gòu)介電層或引入超低模量材料。此外，與塊體材料相比，由于粘彈性效應(yīng)的降低，含空氣的彈性體顯示出更好的響應(yīng)速度。 Di等人制造了以純空氣作為介電層的柔性壓力傳感器，靈敏度達(dá)到空前的192/kPa（圖2）。此外，制備好的器件還顯示出10ms的短響應(yīng)時(shí)間和0.5Pa的檢測(cè)下限壓力。然而，空氣的低介電常數(shù)可導(dǎo)致小的電容值和相應(yīng)的抗干擾能力。

圖2　電容式壓力傳感器

五、柔性圖像感應(yīng)陣列

柔性電子設(shè)備的光敏性是柔性成像傳感系統(tǒng)，生物健康監(jiān)測(cè)和遙控的技術(shù)核心。設(shè)計(jì)具有新材料和結(jié)構(gòu)的柔性平臺(tái)來(lái)開發(fā)高感測(cè)性能光電探測(cè)器是十分必要的，為了實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和寬帶寬，低維度材料得到認(rèn)可，包括納米線、納米帶、2D材料和納米復(fù)合材料。這些基于納米材料的可穿戴式光電探測(cè)器在感測(cè)平臺(tái)上是可拉伸，可彎曲，重量輕和透明的，并且由于它們?cè)趯?lái)的人性化應(yīng)用中的潛在價(jià)值受到極大關(guān)注。以下主要介紹柔性光電探測(cè)器的最新應(yīng)用。

近年來(lái)，圖像傳感器廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)，工業(yè)和防護(hù)領(lǐng)域。例如，機(jī)器人可以通過植入機(jī)器人眼睛中的圖像感測(cè)陣列獲得視覺。此外，柔性圖像傳感器是柔性光電子和輕量級(jí)的重要功能單元，由于與柔性基板不兼容和低光吸收，現(xiàn)有的剛性硅基圖像傳感器不可能實(shí)現(xiàn)這一功能。由于耐用性和柔性，高性能柔性光電探測(cè)器的發(fā)展對(duì)于可穿戴式圖像傳感器起著重要的作用。近年來(lái)，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦材料由于其具有良好的光學(xué)和電學(xué)特性而被引入到光電子器件中，包括CH3NH3PbI3，MAPbBr3等。特別地，與多晶硅相比，通過改變材料的組成成分，具有能帶隙調(diào)節(jié)的混合鈣鈦礦材料具有長(zhǎng)載流子壽命和高的光吸收系數(shù)。因此，幾個(gè)組研制出基于鈣鈦礦納米結(jié)構(gòu)的柔性圖像傳感器陣列。Jie和他的團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種簡(jiǎn)單，低成本的刮涂方法，其可以在大面積中一步制備高結(jié)晶緊湊型CH3NH3PbI3微絲陣列。基于具有高響應(yīng)度和分辨率的MW陣列制備的光電探測(cè)器顯示出超快的響應(yīng)速度（80μs），其比人眼的響應(yīng)速度（≈42ms）快得多。更重要的是，這種方法使得MWs能夠成功地轉(zhuǎn)移到柔性基板上，從而得到出色的柔性圖像傳感功能。在這項(xiàng)研究中，基于MW陣列的21×21像素光電探測(cè)器已經(jīng)集成在柔性PET基板上。值得注意的是，字母（“e”）可以根據(jù)不同的彎曲條件進(jìn)行清晰的呈現(xiàn)（圖3）

圖3 　　柔性圖像傳感器

六、生物傳感器

隨著疾病診斷和個(gè)人保健的潛在應(yīng)用的發(fā)展，柔性的生物傳感器已廣泛應(yīng)用于檢測(cè)不同種類的生物學(xué)指標(biāo)，如pH值、細(xì)胞、有機(jī)分子、DNA保護(hù)等。與傳統(tǒng)的生物傳感器相比，可穿戴式生物傳感器具有一些特殊的優(yōu)點(diǎn)，如可植入、無(wú)創(chuàng)、質(zhì)量輕、極強(qiáng)的舒適性。這樣的裝置可以通過附著到組織表面，而無(wú)需個(gè)體中斷運(yùn)動(dòng)，以便連續(xù)地監(jiān)測(cè)到生化和電化學(xué)信號(hào)，從而生成的電子和生理信號(hào)。

特別是隨著可穿戴式生物傳感器的發(fā)展，基于FET結(jié)構(gòu)的生物傳感器已經(jīng)成為最具吸引力的生物電子設(shè)備的選擇之一，因?yàn)樗鼈兊碾娮訖z測(cè)時(shí)間十分快速，并且在沒有標(biāo)簽的情況下做到能耗少。Jang等開發(fā)了可以檢測(cè)汞（Hg）的柔性液體離子門控型FET石墨烯生物傳感器[。由于其具備高導(dǎo)電性和高載流子遷移率，他們制造的器件具有高靈敏度和快速的響應(yīng)速度（<1s）。更重要的是，在現(xiàn)實(shí)的復(fù)雜樣品解決方案中，基于石墨烯的柔性傳感器也可以對(duì)Hg2+進(jìn)行特異性鑒別和檢測(cè)。盡管缺陷游離石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，檢測(cè)靈敏度顯著增加，但只能用于檢測(cè)高于PM水平（10 pM）的分析物濃度。因此，降低檢測(cè)限的有效方法是高需求。除了基于石墨烯的生物傳感器，基于金屬氧化物半導(dǎo)體的器件還包括用于電輸出的電極。當(dāng)活性層遇到目標(biāo)分析物時(shí)，器件的電導(dǎo)率將被增加或降低。最近，基于超薄氧化銦（In2O3）印刷PI膜的保形FET生物傳感器已現(xiàn)世?；搴统n2O3薄膜的柔軟性可以使器件與復(fù)雜曲線表面具有高度保形接觸。該組研究院稱，其器件具有高靈敏度的In2O3基生物傳感器可以整合到人造眼睛中，以監(jiān)測(cè)眼淚中的葡萄糖。綜上所述，基于FET的生物傳感器能為運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備提供了更多的機(jī)遇。

七、氣體傳感器

氣體傳感器在人們?nèi)粘Ｉ钪袀涫苤匾暋４送?，使用柔性微孔板基板可以降低氣體傳感器在具體情況下的功耗。這擴(kuò)大了潛在應(yīng)用的范圍。其主要挑戰(zhàn)是消除器件制備過程中的高溫步驟，以及包括活性材料和所需電路在內(nèi)的所有器件的拉伸性。為了實(shí)現(xiàn)可靠的柔性氣體傳感器，必須仔細(xì)地處理這些要求。近年來(lái)，幾個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了使用不同納米材料的不同種類的的柔性氣體傳感器，如CNT、石墨烯、金屬氧化物納米線等。Manohar報(bào)道了一種使用噴墨印刷制備的CNT在纖維素基材上的柔性氣體傳感器，其制造方法簡(jiǎn)單。該柔性氣體傳感器在侵蝕性蒸汽（Cl2和NO2）的檢測(cè)方面表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性和穩(wěn)定性。然而，他們的5min響應(yīng)時(shí)間對(duì)于實(shí)際中實(shí)時(shí)感應(yīng)方面的應(yīng)用來(lái)說(shuō)太慢了。對(duì)于在室溫下工作的大多數(shù)柔性氣體傳感器，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間限制了它在可穿戴電子設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用。因此，Tang和他的團(tuán)隊(duì)證明了基于PbS膠體量子點(diǎn)的柔性氣體傳感器具有快速反應(yīng)的特征。器件在室溫下工作，具有高靈敏度，響應(yīng)時(shí)間快（14s），完全可恢復(fù)和良好的機(jī)械性能的特點(diǎn)。他們進(jìn)一步研究了這些裝置的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)通過去除表面配體，實(shí)現(xiàn)了氣體分子極好的進(jìn)入CQD表面以及NO2與PbS CQDs的理想結(jié)合能量是關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)說(shuō)明了該器件能快速敏感地檢測(cè)NO2。

最近，化學(xué)氣體傳感器被廣泛用于無(wú)創(chuàng)和安全領(lǐng)域的篩查診斷。疾病狀況的追蹤依賴于人體呼出的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的檢測(cè)。 Haick和他的合作者報(bào)告了一種基于柔性金納米粒子的呼吸診斷陣列。這些裝置用于在實(shí)際呼吸樣本中檢查卵巢癌，這些樣本來(lái)自43名患有卵巢癌及對(duì)照實(shí)驗(yàn)的志愿者。在他們的研究中，卵巢癌已經(jīng)被成功地定位，這可以進(jìn)一步證實(shí)，通過分析收集呼吸數(shù)據(jù)，傳感器陣列能針對(duì)性地識(shí)別疾病。此外，由于易于化學(xué)官能化，顯著的機(jī)械性能，令人滿意的化學(xué)成分天然多糖聚合物原位裁剪。Wang等人報(bào)告了一個(gè)流線型策略，設(shè)計(jì)了一個(gè)模仿天然蝴蝶翅膀表面形貌的多功能生物材料，并添加了石墨烯的功能特征?；诔焖夙憫?yīng)速度（1s）和檢測(cè)下限（20 ppb），該合成材料已被整合到基于概念驗(yàn)證的腕帶中，該腕帶用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與糖尿病相關(guān)的丙酮蒸氣。更重要的是，濕度對(duì)丙酮感測(cè)性能幾乎沒有影響，這對(duì)于呼出氣體的丙酮檢測(cè)非常重要。

八、多功能集成感應(yīng)系統(tǒng)

可穿戴平臺(tái)具有人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)、個(gè)人衛(wèi)生保健和人機(jī)界面的應(yīng)用，與人體相連，提供人類活動(dòng)的長(zhǎng)期連續(xù)記錄。而急性身體反應(yīng)可用于預(yù)防醫(yī)學(xué)、疾病診斷、患者預(yù)后監(jiān)測(cè)和老年護(hù)理。因此，它需要可穿戴感應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以檢測(cè)單個(gè)感測(cè)信號(hào)，而且可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)信號(hào)。最近，已經(jīng)開發(fā)了具有物理傳感器，和諸如化學(xué)傳感器、藥物遞送元件、刺激器的部件集成可穿戴平臺(tái)。Kim和他的同事實(shí)現(xiàn)了一個(gè)智能的假體電子皮膚，可以同時(shí)感測(cè)溫度，濕度和多種形式的應(yīng)變，并配有加熱器來(lái)調(diào)節(jié)體溫（圖4）[22]。這些不同傳感元件陣列的科學(xué)而精確的設(shè)計(jì)使得該裝置能夠?qū)勺兊沫h(huán)境環(huán)境具有良好的機(jī)械可靠性和高時(shí)空靈敏度。這表明這些裝置在人造電子皮膚、人機(jī)界面和先進(jìn)的機(jī)器人學(xué)中受到廣泛的應(yīng)用。

圖4 　　多功能柔性傳感集成

對(duì)于連接到人體的可穿戴感測(cè)系統(tǒng)，溫濕度是不僅需要檢測(cè)的2個(gè)重要參數(shù)，而且可能會(huì)干擾其他集成物理或化學(xué)和生物傳感器的性能。最近很多研究人員對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了大量的研究，其中之一是使用溫度和濕度補(bǔ)償來(lái)進(jìn)行傳感性能的修改。Javey等人提供了一種機(jī)械柔性、完全集成的傳感器陣列，用于多路分析汗液，同時(shí)選擇性地測(cè)量葡萄糖和乳酸代謝物、鈉離子和鉀離子電解質(zhì)，以及皮膚溫度。他們?cè)诳纱┐魇缴飩鞲衅髦校ㄟ^將與皮膚相結(jié)合的可穿戴生物傳感器，與硅集成電路結(jié)合在一個(gè)靈活的電路板上，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號(hào)處理，從而彌補(bǔ)了信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、調(diào)節(jié)(擴(kuò)增和濾波)、處理和無(wú)線傳輸?shù)募夹g(shù)差距。更重要的是，該系統(tǒng)集成允許實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，以根據(jù)溫度變化校準(zhǔn)傳感器讀數(shù)。隨著溫度的升高，未補(bǔ)償?shù)膫鞲衅骺赡軐?duì)給定葡萄糖和乳酸鹽溶液的實(shí)際濃度有大量過高讀數(shù)。但是溫度補(bǔ)償允許有精確和一致的讀數(shù)。研究證實(shí)，隨著溫度補(bǔ)償與穿戴式系統(tǒng)結(jié)合，能夠消除物理和環(huán)境溫度的影響。另一種方法是設(shè)計(jì)只對(duì)其特定刺激敏感的耐磨傳感器，對(duì)其他刺激沒有反應(yīng)。Cho等人開發(fā)了具有3種不同傳感器（濕度、溫度和壓力）的透明和可拉伸的全石墨烯多功能電子皮膚。使用CVD生長(zhǎng)的石墨烯來(lái)形成這3個(gè)傳感器的電極和互連，而GO和rGO分別用作濕度和溫度傳感器的主動(dòng)傳感材料[24]。重要的是，每個(gè)傳感器對(duì)其相關(guān)的外部刺激敏感，但不受其他2種刺激的影響。如作者所示，基于GO的濕度傳感器的單純度感測(cè)性能在3種刺激下進(jìn)行測(cè)試：溫度、濕度和壓力。GO電容只響應(yīng)濕度，而不是溫度和壓力。實(shí)驗(yàn)觀察到高于80℃的GO電容略微增加，但是這種變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于由濕度變化引起的響應(yīng)。此外，基于rGO的熱傳感器的電阻僅隨溫度而變化。并且壓力傳感特性受RH和溫度傳感測(cè)試的影響較小。這些結(jié)果表明，所有傳感器能同時(shí)工作并分別記錄不同的刺激。

信息技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向是通過人與外部信息交互融合，從而達(dá)到對(duì)物理世界、信息數(shù)據(jù)以及人類社會(huì)資源的綜合高效利用。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，最大的瓶頸在于傳統(tǒng)的剛性無(wú)機(jī)集成器件無(wú)法與人體柔性組織高度緊密貼合與集成。通過物理底層設(shè)計(jì)無(wú)機(jī)元器件的微納結(jié)構(gòu)并與柔性可拉伸襯底集成，實(shí)現(xiàn)人體信息獲取、處理、無(wú)線傳輸?shù)?，是突破這一瓶頸的有效途徑。本文總結(jié)了近年柔性傳感器方面的最新研究成果, 包括柔性觸覺傳感、柔性成像陣列、生物傳感、氣體傳感以及多功能傳感集成等在可穿戴電子領(lǐng)域的最新應(yīng)用。同時(shí)隨著學(xué)科交叉及研究的進(jìn)一步深入, 更多柔性、擁有良好電學(xué)性能的材料將被開發(fā)出來(lái)應(yīng)用于可穿戴傳感器。