柔性可穿戴压力传感器的研究进展

梁立容，李宁，魏爱香

(中山大学新华学院 信息科学学院，广东 广州 510520)

近年来，人们已经对各种具有弹性机械性能的柔性电子器件开展广泛研究，包括柔性传感器、柔性晶体管、柔性发光二极管(LED)、柔性储能设备和柔性能量采集器。柔性电子器件因其具有机械柔性，能贴合到各种曲面，使得它的应用场景得以扩展到传统的以半导体硅为基础的硬电子器件所无法胜任的场合[1]，比如，人机交互界面[2]、电子皮肤[3]、人体生理信号监测[4]、医用机器人等[5]领域。这些柔性传感器应用场景灵活，生产成本低，重量轻，与传统的大面积批量生产技术兼容性好，满足了要求电子器件与人体皮肤贴合度良好且不影响体验的各种应用场景的需求。各种功能的柔性传感器被广泛研究，包括压力传感器、光学传感器、温度传感器、湿度传感器、葡萄糖传感器等等。其中以柔性压力传感器的应用范围最为广阔，从测量微小的声音震动[6]、电子皮肤[7]、人体生理信号的腕部脉搏波监测[8]，一直到人机交互的机器手触感反馈[9]。传感器在人体健康监测方面发挥着至关重要的作用，对经济增长和改善人民生活质量起到重要作用。例如：将柔性压力传感器贴附于手腕，可以测得脉搏波信号，并从中提取出人体的呼吸、心率、脉搏波速、脉象，甚至血压等生理指标，最终可分析人体心血管系统的健康程度。相比较于目前商用的光电容积脉搏波描记法(PPG)而言，压力传感器能实现低功耗长时间连续监测。

1 柔性压力传感器的种类和特点

根据传感机理的不同，压力传感器可分为3类，分别是压电传感器、压电容传感器以及压阻传感器。压力传感器的器件结构与传感器机理见图1，3种压力传感器的优缺点比较见表1。

表1 3种压力传感器的优缺点比较Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of three kinds of pressure sensors

图1 柔性压力传感器的器件结构与传感器机理Fig.1 Structure and mechanism of flexible pressure sensor

压电传感器的响应来源于压电材料在压力作用下晶格形变导致的极化效应所产生的电压输出，因此它能够作为无源器件使用(器件给自己供电)。施加压力的一瞬间，压电传感器能输出一个脉冲响应电压；当施加的压力稳定时，传感器输出的电压归为零。因此压电传感器只能用于测量动态压力的变化值，不适用于测量静态稳恒压力的绝对值大小。如中国科学技术大学的徐春叶教授课题组采用静电纺丝技术和流延成膜技术分别制出柔性的压电薄膜，用于人体健康监测和治疗触觉传感器[10]。西安交通大学的刘卫华教授采用垂直定向ZnO纳米线作为变换器的核心材料，制作出柔性阵列式纳米压电触觉传感器[11]。中国科学院力学研究所的苏业旺等用锆钛酸铅(PZT)为压电材料，聚二甲基硅氧烷衬底上制备出柔性传感器，用来测量动脉血压，压力灵敏度达到0.005 Pa[12]。

压电容传感器的响应来源于平行板电容器上下电极的距离变化所产生的电容变化，因此它具有低功耗的优势。但它有寄生电容，抗干扰能力差，测量电路相对于其它类型传感器更为复杂。例如：南方科技大学郭传飞教授课题组直接利用自然材料制备了简单、低成本、高性能的柔性电子皮肤。将自然界中花瓣和叶子作为介电层，结合银纳米线柔性电极构建三明治结构电容式柔性电子皮肤[13]。

压阻传感器是通过感应由外力造成的电阻变化而产生的电信号来直观读取外力变化的器件。压阻传感器本质上是一个电阻器，它抗电磁干扰能力更强，功耗也低，同时测量电路也更为简单。电阻式压力传感器主要由柔性压阻材料组成，这种材料是通过将导电相掺入到绝缘基体材料中制成的复合材料。复合材料的力学弹性和导电性的耦合关系，导致了以它为核心传感材料的压阻传感器的线性区间和灵敏度之间存在竞争关系。灵敏度反映了器件对微小压力的敏感程度，而线性区间是指传感器能维持在相同灵敏度的最大测量范围。电子皮肤，人机交互，人体生理信号监测，都需要压力传感器能够在尽可能大的测量区间内维持高灵敏度。例如：韩国科学技术研究院Park等基于三维微孔介质弹性体的压阻效应制备柔性可穿戴压力传感器，用作机器人手指上的电子压力传感皮肤，以及用于人类手腕脉搏波监测[14-15]。清华大学任天令教授课题组利用石墨烯多孔网络(GPN)与PDMS复合材料制备的一种压力应变传感器，用于识别行走状态、手指弯曲活动和监测手腕血压，其压力传感测量范围较宽，压力传感范围可达2 000 kPa，但灵敏度仅有0.09 kPa-1[16]。

2 柔性可穿戴压力传感器的应用

柔性可穿戴压力传感器的应用越来越广泛，并逐渐走向商业化。深圳市力感科技有限公司基于柔性压力传感器生产的智能鞋垫应用于体育、医疗设备和保健康复等领域。该产品设计的柔性压力传感片放置在鞋垫中，可采集各个感应单元的压力数据，通过蓝牙与手机应用程序连接，实现步态分析。可以从步频、步行周期、触动时间和触动角度等分析跑步者状态，对分析、诊断足踝类疾病和评估、验证康复器械具有重要的意义。

合肥华科电子研究所利用压电材料研发了一系列柔性可穿戴式压力传感器，如HKH-11C呼吸波传感器。该产品是一款利用压电式器件采集于人体呼吸产生的腹部起伏信号，经过放大、滤波、AD、USB通信等电路输出呼吸波形数字信号，实现睡眠质量和呼吸暂停监测。另外一种HKF-12肺活动量传感器，该产品利用气体流动压力积分的方法测量人体用力呼气的流速与流量，从而计算出人体用力呼气肺活量以及肺功能的其它参数。该产品具有体积小巧、使用方便、测量精度高等特点，广泛应用于肺功能测试系统。此外HK-2000G集成化脉搏传感器可由电压或电流驱动产生正比输入压力毫伏等级的电压输出信号，具有优异的可重复性和时间稳定性，非常适合于脉率检测、无创心血管功能检测、妊高征检测、脉象诊断等领域的集成应用。

3 柔性可穿戴压力传感器的国内外研究进展

近年来，柔性电子器件在人体健康监测领域取得了显著进步。目前的柔性传感器制备通常以金属、半导体、碳材料、高弹性聚合物及其复合材料为主。加州大学圣地亚哥分校Mercier教授研究出一种柔性的可穿戴混合传感系统，该系统可同时实时监测生化(乳酸)和电生理信号(心电图)，可以进行更全面的健康监测[17]。日本大阪府立大学Takei实现了高效的皮肤温度传感和稳定的无胶黏心电图传感的可穿戴柔性医疗贴片式传感器[18]。伊利诺斯大学的Rogers等制备出一种柔性的、可穿戴的微流体传感器，用于对汗液的捕获、存储和比色传感，汗液进行捕获和定量化学分析而实现的健康监测能力[19]。清华大学伍晖副教授团队对功能无机材料纳米纤维为代表的基础低维纳米结构的可控合成制备与组装展开研究，制备一种柔性的透明导电带[20]。中国科学院苏州纳米技术研究院张婷，利用丝印成型的微模压聚二甲基硅氧烷(PDMS)与单壁碳纳米管(SWNT)超薄薄膜结合，制备出柔性透明的可检测压力电子皮肤器件[21]。清华大学精密仪器系的朱荣研究团队首次提出以多孔弹性介质为基的力-热转换机制实现压力/应力的感知，通过多孔弹性膜将外界压力转换为导热信息，实现集触感、温感、风感、附着物感等功能为一体的多维感知柔性电子皮肤[22]。浙江大学高超教授利用同轴湿纺纱方法制备柔性超级电容器，可用于高能量密度和安全的可穿戴柔性电子器件[23]。日本理化研究所Kenjiro Fukudaa等团队合作，发展了一种基于纳米图案化有机太阳能电池的自供能超柔性生物传感器，实现了对心率的实时精准监测[24]。柔性传感器取得了较大进展，但其灵敏度与测试范围竞争关系、工艺复杂和制造成本较高严重影响了应用发展。

4 总结与展望

柔性可穿戴压力传感器最为核心的是敏感材料，如复合材料是一种很受欢迎的压阻材料。复合材料的力学弹性和导电性的耦合关系，导致了以它为核心传感材料的压阻传感器的线性区间和灵敏度之间存在竞争关系。灵敏度反映了器件对微小压力的敏感程度，而线性区间是指传感器能维持相同灵敏度的最大测量范围。很多应用场景，比如电子皮肤，人机交互，人体生理信号监测，都需要压力传感器能够在尽可能大的测量区间(宽线性区间)内维持高灵敏度。若是压力传感器无法在有效测试范围内提供线性响应(即维持着相同的灵敏度)，就需要复杂的测试系统进行实时压力还原，这不仅会降低系统的实时响应速度，也会增加系统的功耗。从材料设计的角度解决压阻型传感器中传感器灵敏度与线性区间的竞争关系问题，设计一种新型的复合材料结构，同时提高传感器的灵敏度和线性工作区间，基于此材料制备出一款通用型压力传感器，既能满足高灵敏度的要求，又能在大的压力测量范围内使用。