柔性可穿戴传感器发展现状

娄正 沈国震

一、引言

随着信息技术的不断进步，人们对发展高性能柔性传感器的需求也在不断增加。人们希望传感器件可以舒适地穿戴在身上，或者直接贴附在皮肤表面，从而能够获得血压、血糖、脉搏等一系列健康信息，并将这些信息收集到智能设备中，经过分析和提取，帮助医生进行诊断，使未来的人类生活更具想象空间[1-3]。此外，通过在人类假肢或机器人上贴附相应柔性传感器及传感系统，实现对外界环境的感知，获得多自由度的超级操控[4，5]。本文总结了近年来柔性传感器的研究进展，包括柔性触觉传感、柔性成像阵列、生物传感、气体传感以及多功能传感集成等在可穿戴电子领域的最新应用。

二、压阻式传感器

通常，当施加外力时，基于压阻效应的触觉传感器将导致电导率信号发生变化。压阻式触觉传感器由于功耗低，压力测试范围广，易于读取和简单的器件结构及制造工艺，已经得到广泛的研究，对实现人机交互和电子皮肤的实际应用具有很大希望。在过去的几十年，已经研究了许多不同种类的材料来发展高性能压阻式传感器。通常，压阻传感材料主要集中在具有导电性能的填料，如导电聚合物（CPs），金属颗粒，碳纳米管（CNTs）和还原氧化石墨烯（rGO）加入弹性体〔如聚氨酯（PU）和PDMS〕的复合材料[6]。此外，导电纤维，金属纳米线和薄膜也可以用作压阻传感器的感测材料。Hanif和他的团队报道了一种具有典型压阻效应的等离子体掺杂石墨烯片基柔性压力传感器。与UG片相比，等离子体掺杂进一步提高了人类感知（0～10kPa）最低工作区域的压力感测性能；此外，还研究了在压阻式压力传感器中使用的一些其它具有生物相容性，超疏水性等独特性质的导电聚合物[7]。但是，大多数使用基于平面结构的复合弹性体的压阻型传感器表现出较差的感测性能，在低压状态下无法感知。因此，深入研究一些新材料的工作原理和设计理念，来提供如传感材料的3D网络，多孔结构的活性材料和微结构的利用等来作为替代方案。Ko等人提出了一种使用互锁微圆点阵列的可扩展电阻式电子皮肤传感器。将2个具有微圆图案的CNT复合膜通过图案侧的接合，形成联锁几何结构（图1）[8]。联锁微圆阵列压力传感器的感测机理，可以通过外部压力下微圆接触面积和拉伸比的变化来解释。因此，具有独特几何形状的互联微圆点阵列器件可以区分不同的机械刺激以提供不同的感测输出模式，因为阵列根据外部压力的方向显示不同程度的变形。与平面复合膜相比，微结构器件在响应时间（约18ms）和恢复时间（约10ms）上要快3～4倍。这种优良的压力感测性能通过人手腕的不同运动来测量血压，可以用于实时监测人体生理信号。通过使用几乎相同的器件结构和感测机制，成功合成了具有导电弹性体复合材料的微锥体PDMS阵列，实现了高度可拉伸的电阻式压力传感器。

三、压电式传感器

压电效应是用于解释由于一些各向异性结晶材料的电偶极矩响应所施加的机械刺激而产生电势的材料的名词。众所周知，动态测量需要器件实现 10～50kHz范围内的典型频率范围的瞬态感测能力和高灵敏度。因此，具有令人印象深刻的自驱动能力和低功耗特性的压电传感器具有检测高频压力的优势。为了满足可穿戴电子产品的动态触觉传感器的要求，一些新型的压电材料已被广泛研究以替代市售的脆性陶瓷和石英，包括P（VDF-TrFE），锆钛酸铅（PZT），钛酸钡（BaTiO3），钛酸铅（PbTiO3）和氧化锌（ZnO）等[9]。因为具有化学惰性，简单的加工技术和较大的压电系数特点，柔性P（VDF-TrFE）是最有希望的压电材料之一。到目前为止，已经研究了大量P（VDF-TrFE）膜基柔性压力传感器。Persano等人通过使用静电纺丝法开发了独立排列的P（VDF-TrFE）纳米纤维阵列。然后，他们基于这些纳米纤维阵列制作出高性能柔性压电压力传感器。这种装置对施加的力具有高响应，并且可以检测到0.1Pa的非常低的压力[10]。

这些结果表明，制造的P（VDFTrFE）器件应用在未来的自供电可穿戴系统中具有很大的潜力。但是对于P（VDF-TrFE），难以将压电效应与热電效应分开，导致热量干扰器件。

四、电容式传感器

柔性电容传感器是可穿戴感应中最重要的设备之一。电容器由2个用电介质材料隔开的导电板组成。电容定义为C=ε0εrA/d，其中ε0，εr，A和d对应于介电常数，电介质的相对介电常数，2个板的重叠面积和电介质[11]。可导致物理尺寸或介电常数变化的任何化学或物理刺激在电容中都是可测量的类型。作为触觉传感器，外部压力通常导致弹性材料的位移随着A变化以响应剪切力，改变 d以响应正向力，以及2种变化对应张力。需要弹性体材料的低机械模量以实现高机械灵敏度。因此，对于电介质层，具有小模量的一些弹性体电介质是理想的材料，例如聚氨酯（PU），共聚酯（Ecoflex）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）[12]。具有小模量的PDMS通常用于可穿戴电容式触觉传感器。近年来，已经报道了基于简单PDMS作为电介质，CNT或PEDOT：PSS作为电极的高灵敏度电容式传感器。例如，已经报道了基于层状设计的弹性CNT织物的柔性电容式触觉传感器，其结合了在PDMS上具有良好介电特性的拉伸弹性体。该装置显示出高响应速度，并通过可靠的触觉传感器阵列进行位置检测，超低检测限制为0.4Pa，响应时间快达63ms。然而，对于非结构化弹性体电介质，其具有高粘弹性和低压缩性，导致电容式压力传感器的响应/恢复时间慢，灵敏度低。为了解决这些问题，设计介电材料的压缩性是可以直接提高器件灵敏度的重要因素。最有效的方法是设计气相微结构介电层或引入超低模量材料。此外，与块体材料相比，由于粘弹性效应的降低，含空气的弹性体显示出更好的响应速度。Di等人制造了以纯空气作为介电层的柔性压力传感器，灵敏度达到空前的192/kPa（图2）。此外，制备好的器件还显示出10ms的短响应时间和0.5Pa的检测下限压力。然而，空气的低介电常数可导致小的电容值和相应的抗干扰能力[13]。

八、多功能集成感應系统

可穿戴平台具有人类活动监测、个人卫生保健和人机界面的应用，与人体相连，提供人类活动的长期连续记录。而急性身体反应可用于预防医学、疾病诊断、患者预后监测和老年护理。因此，它需要可穿戴感应系统，该系统不仅可以检测单个感测信号，而且可以同时测量多个信号。最近，已经开发了具有物理传感器，和诸如化学传感器、药物递送元件、刺激器的部件集成可穿戴平台。Kim和他的同事实现了一个智能的假体电子皮肤，可以同时感测温度，湿度和多种形式的应变，并配有加热器来调节体温（图4）[22]。这些不同传感元件阵列的科学而精确的设计使得该装置能够对可变的环境环境具有良好的机械可靠性和高时空灵敏度。这表明这些装置在人造电子皮肤、人机界面和先进的机器人学中受到广泛的应用。

对于连接到人体的可穿戴感测系统，温湿度是不仅需要检测的2个重要参数，而且可能会干扰其他集成物理或化学和生物传感器的性能。最近很多研究人员对这个问题进行了大量的研究，其中之一是使用温度和湿度补偿来进行传感性能的修改。Javey等人提供了一种机械柔性、完全集成的传感器阵列，用于多路分析汗液，同时选择性地测量葡萄糖和乳酸代谢物、钠离子和钾离子电解质，以及皮肤温度[23]。他们在可穿戴式生物传感器中，通过将与皮肤相结合的可穿戴生物传感器，与硅集成电路结合在一个灵活的电路板上，以实现复杂的信号处理，从而弥补了信号转导、调节（扩增和滤波）、处理和无线传输的技术差距。更重要的是，该系统集成允许实现实时补偿，以根据温度变化校准传感器读数。随着温度的升高，未补偿的传感器可能对给定葡萄糖和乳酸盐溶液的实际浓度有大量过高读数。但是温度补偿允许有精确和一致的读数。研究证实，随着温度补偿与穿戴式系统结合，能够消除物理和环境温度的影响。另一种方法是设计只对其特定刺激敏感的耐磨传感器，对其他刺激没有反应。Cho等人开发了具有3种不同传感器（湿度、温度和压力）的透明和可拉伸的全石墨烯多功能电子皮肤。使用CVD生长的石墨烯来形成这3个传感器的电极和互连，而GO和rGO分别用作湿度和温度传感器的主动传感材料[24]。重要的是，每个传感器对其相关的外部刺激敏感，但不受其他2种刺激的影响。如作者所示，基于GO的湿度传感器的单纯度感测性能在3种刺激下进行测试：温度、湿度和压力。GO电容只响应湿度，而不是温度和压力。实验观察到高于80℃的GO电容略微增加，但是这种变化远远小于由湿度变化引起的响应。此外，基于rGO的热传感器的电阻仅随温度而变化。并且压力传感特性受RH和温度传感测试的影响较小。这些结果表明，所有传感器能同时工作并分别记录不同的刺激。

九、结语

信息技术的未来发展方向是通过人与外部信息交互融合，从而达到对物理世界、信息数据以及人类社会资源的综合高效利用。实现这一目标，最大的瓶颈在于传统的刚性无机集成器件无法与人体柔性组织高度紧密贴合与集成。通过物理底层设计无机元器件的微纳结构并与柔性可拉伸衬底集成，实现人体信息获取、处理、无线传输等，是突破这一瓶颈的有效途径。本文总结了近年柔性传感器方面的最新研究成果，包括柔性触觉传感、柔性成像阵列、生物传感、气体传感以及多功能传感集成等在可穿戴电子领域的最新应用。同时随着学科交叉及研究的进一步深入，更多柔性、拥有良好电学性能的材料将被开发出来应用于可穿戴传感器。

参考文献

[1] Patel S，Park H，Bonato P，et al.A review of wearable sensors and systems with application in rehabilitation[J]. Journal of neuroengineering and rehabilitation，2012，9（1）：21.

[2] Park S，Jayaraman S.Smart Textiles：Wearable Electronic Systems[J].MRS Bulletin，2003，28（8）：585-591.

[3] Sun Minggui，Fernstrom J D，Jia Wenyan，et al.A Wearable Electronic System for Objective Dietary Assessment[J]. Journal of the American Dietetic Association，2010，110（1）：45-7.

[4] Ermes M，P rkk J，M ntyj rvi J，et al.Detection of Daily Activities and Sports With Wearable Sensors in Controlled and Uncontrolled Conditions[J].IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine，2008，12（1）：20-26.

[5] Meng Yunning，Zhao Yang，Hu Chuangang，et al.All-graphene core-sheath microfibers for all-solid-state，stretchable fibriform supercapacitors and wearable electronic textiles[J].Advanced Materials，2013，25（16）：2326-31.

[6] Zhang Yuexian，Li Bin.Research on pressure sensor characteristics of conductive rubber polymer composites[J].Journal of Functional Materials，2016（11）.

[7] Masm H，Hafiz S M，Huang N M，et al.Piezoresistive Effect in Plasma-Doping of Graphene Sheet for HighPerformance Flexible Pressure Sensing Application.[J].Acs Applied Materials & Interfaces，2017.

[8] Park J，Lee Y，Hong J，et al.Tactile-direction-sensitive and stretchable electronic skins based on human-skin-inspired interlocked microstructures[J].Acs Nano，2014，8（12）：12020-9.

[9] Chen Zefeng，Zhao Wang，Li Xinming，et al.Flexible Piezoelectric-Induced Pressure Sensors for Static Measurements Based on Nanowires/Graphene Heterostructures[J].Acs Nano，2017.

[10] Persano L，Dagdeviren C，Su Y，et al. High performance piezoelectric devices based on aligned arrays of nanofibers of poly（vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene）[J].Nature Communications，2013，4（3）：1633.

[11] Wan Shu，Bi Hengcheng，Zhou Yilong，et al.Graphene oxide as high-performance dielectric materials for capacitive pressure sensors[J].Carbon，2017，114：209-216.

[12] Lei K F，Lee K F，Lee M Y.Development of a flexible PDMS capacitive pressure sensor for plantar pressure measurement[J].Microelectronic Engineering，2012，99（11）：1-5.

[13] Zang Yaping，Zhang Fengjiao，Huang Dazhen，et al.Flexible suspended gate organic thin-film transistors for ultrasensitive pressure detection[J].Nature Communications，2011，6：6269.

[14] Gu Leilei，Tavakoli M M，Zhang Daquan，et al.Perovskite Nanowires：3D Arrays of 1024–Pixel Image Sensors based on Lead Halide Perovskite Nanowires [J].Advanced Materials，2016，28（44）：9657-9657.

[15] Deng Wei，Zhang Xiujuan，Huang Liming，et al.Aligned Single-Crystalline Perovskite Microwire Arrays for HighPerformance Flexible Image Sensors with Long-Term Stability[J].Advanced Materials，2016，28（11）：2201.

[16] Ji H A，Park S J Kwon O S，et al.High-Performance Flexible Graphene Aptasensor for Mercury Detection in Mussels[J].Acs Nano，2013，7（12）：10563.

[17] Hu Y J，Lee D S，Hong K C，et al.Flexible room-temperature NO2 gas sensors based on carbon nanotubes/reduced graphene hybrid films[J].Applied Physics Letters，2010，96（21）：666.

[18] Parikh K，Cattanach K，Rao R，et al.Flexible vapour sensors using single walled carbon nanotubes[J].Sensors & Actuators B Chemical，2006，113（1）：55-63.

[19] Liu Huan，Li Min， Voznyy O，et al.Physically flexible， rapid-response gas sensor based on colloidal quantum dot solids[J]. Advanced Materials，2014，26（17）：2718.

[20] Kahn N，Lavie O，Paz M，et al.Dynamic Nanoparticle-Based Flexible Sensors： Diagnosis of Ovarian Carcinoma from Exhaled Breath[J].Nano Letters，2015，15（10）：7023.

[21] Wang L，Jackman J A，Park J H，et al.Flexible，Ultra-Sensitive Chemical Sensor with 3D Biomimetic Templating for Diabetes-Related Acetone Detection[J].Journal of Materials Chemistry B，2017.

[22] Lee H，Choi T K，Lee Y B，et al.A graphene-based electrochemical device with thermoresponsive microneedles for diabetes monitoring and therapy[J].Nature Nanotechnology，2016，11（6）：566.

[23] Gao W，Emaminejad S，Nyein H Y Y，et al.Fully integrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspiration analysis[J].Nature，2016，529（7587）：509.

[24] Ho D H，Sun Qijun，Kim S Y，et al.Stretchable and Multimodal All Graphene Electronic Skin[J].Advanced Materia ls，2016，28（13）：2601-2608.