柔性压力传感技术及发展趋势

杨 进，孟柯妤，王 雪

(1.重庆大学光电工程学院,重庆 400044; 2.光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044；3.长春大学电子信息工程学院，吉林 长春 130022)

0 引言

近年来，随着智慧医疗理念的不断传播，小型化、智能化的可穿戴检测设备逐渐进入人们的视野。柔性压力传感器因其具有低耗能、高灵敏度、高稳定性、快速的响应时间、较低的压力检测极限、较宽的压力监测范围以及灵敏的感知外界微弱压力变化并将其转化为电信号的能力，被广泛应用于电子皮肤、医疗设备、可穿戴电子产品和运动健康监测设备中。研究表明，对传感器材料表面进行微纳结构处理或宏观结构设计，可以增加其有效接触面积，进而提高传感器灵敏度，使其能够灵敏地检测微弱的外界压力变化。本文对近几年基于不同结构的柔性压力传感器进行了概述。根据传感器工作原理，主要介绍了结构设计对传感器输出性能的影响及其应用，并对未来的柔性压力传感技术进行了展望。

1 柔性压力传感技术

柔性薄膜压力传感器根据工作原理的不同，可以分为四种类型:压阻式、电容式、压电式和摩擦起电式。为了使柔性压力传感器具有高灵敏度、快速响应时间、良好稳定性等优点，国内外研究学者在材料制备、结构设计以及工艺选择方面作了大量研究。基于不同结构的柔性压力传感器示意图如图1所示。不同原理的柔性压力传感技术特点如表1所示。

图1 基于不同结构的柔性压力传感器示意图

表1 不同原理的柔性压力传感技术特点

2 压阻式柔性传感技术

压阻式传感器受到外界压力时会导致压阻材料发生形变，使得材料间的接触面积发生改变，从而引起电阻的变化。通过测量电阻可知传感器所受外界压力大小。大量研究表明，材料表面采用微纳结构，可以有效改善传感器灵敏度、响应时间、最小检测极限等性能。

为了能够灵敏地感知微小压力变化，Choong等通过在聚二甲基硅氧烷(poly dimethyl siloxane,PDMS)表面加工金字塔微结构，极大地增加了受外力后的电极几何形变程度，从而有效地提高了传感器的灵敏度[1]。基于PDMS弹性体良好的拉伸性，所制作的传感器比传统的可拉伸器件具有更高的伸展率。当伸长量为40%时，传感器灵敏度可以达到10.3 kPa-1，能够灵敏地感知23 Pa的微小压力，可以捕捉到人体脉搏波中的关键信息。金字塔微结构压阻式传感器及其监测桡动脉脉搏如图2所示。Wong等展示了一种新颖而低成本的传感器制作方法，基于简单的胶体自组装和薄膜转移技术，制作了具有微球结构的柔性压力传感器[2]。通过优化微观结构的特征尺寸获得最佳灵敏度(10 kPa-1)，最小检测极限为4 Pa，所制作的传感器可检测人体颈部脉搏，在可穿戴设备领域具有潜在的应用前景。

受人体毛发结构的启发，研究学者制作了基于微柱/纳米柱结构的压阻式传感器。韩国首尔大学Pang等采用PDMS纳米线微结构制作的柔性压阻式传感器[3]，可以实现对压力、剪切力和扭转力的同时检测，最小可检测压力极限为5 Pa。互锁纳米柱结构压阻传感器及其监测腕部脉搏如图3所示。该传感器能够监测人体腕部脉搏以及识别水滴掉落时传感器表面的压力变化。

此外，受自然微生物独特功能结构的启发，研究学者将自然界中特有的结构应用于柔性压力传感器中，构建了具有良好传感性能的柔性器件。中国科学院上海硅酸盐研究所孙静团队制作了带有香蕉叶片表面微结构的柔性压力传感器[4]，仿香蕉叶片结构压阻式传感器及其监测人体脉搏如图4所示。其灵敏度为10 kPa-1(<400 Pa)，可实现非接触式语音识别，以及对人体呼吸气流、脉搏和肌肉运动等生理信号的监测。类似地，Liu等通过将玫瑰花瓣表面的微观结构复制并引入至PDMS材料表面[5]，有效地提高了传感器灵敏度、缩短了响应时间。

该传感器具有1.35 kPa-1的灵敏度，最低检测极限小于2 Pa，可用于监测人体脉搏信号和说话时的肌肉运动信号。

图2 金字塔微结构压阻式传感器及其监测桡动脉脉搏图

图3 互锁纳米柱结构压阻传感器及其监测腕部脉搏图

尽管不同结构的柔性薄膜压力传感器被广泛应用于电子皮肤、医疗监测等领域，但要实现与日常穿戴衣物的无缝融合，仍然具有一定难度。随着电子技术、生物科技等高新技术领域与纺织材料领域的不断融合与发展，智能纺织物逐渐应用到家庭保健、健康监测、航空等多个领域，目前已成为研究学者们关注的热点之一。

中国科学院外籍院士王中林课题组研制了大面积全织物压阻式传感器[6]。该传感器由织物基底表面的交叉电极和涂覆有碳纳米管的棉织物组合制成。仿玫瑰花瓣微结构压阻式传感器及其监测桡动脉脉搏如图5所示。

图4 仿香蕉叶片结构压阻式传感器及其监测人体脉搏图

图5 仿玫瑰花瓣微结构压阻式传感器及其监测桡动脉脉搏图

仿玫瑰花瓣微结构压阻式传感器具有高灵敏度(1.35 kPa-1)和低探测极限(2 Pa)。该织物压力传感器具有良好的舒适性和透气性，可用于手指运动识别、多种手势识别、说话时的声音振动信号以及人体脉搏信号监测，在可穿戴应用方面有着广阔的应用前景。香港中文大学赵铌团队通过在针织面料中加入炭黑和聚偏二氟乙烯材料，并采用交叉编织的导电尼龙纤维，制作了具有低响应误差的压阻式织物传感器[7]，成功地解决了织物传感器存在的因弹性变形能力较差而导致输出响应滞后的问题。该织物传感器可用于颞上动脉脉搏的监测，以获得脉搏波传导速度。

碳纳米管涂覆的织物传感器及其监测桡动脉脉搏如图6所示。

图6 碳纳米管涂覆的织物传感器及其监测桡动脉脉搏图

3 电容式柔性传感技术

电容式传感器是一种利用电容元器件将被测量转换成与之成一定关系的电信号输出的电子元件，通常由两个平行极板和电介质组成。研究学者采用微加工方式在电介质材料表面制作微纳结构，使得电容式传感器两极板间距减小、相对面积增大，以期在同等的压力下获得较大的电容变化率，从而提高传感器灵敏度。

美国著名工程院院士鲍哲南课题组于2013年提出了具有高灵敏度的柔性压敏有机薄膜晶体管[8]。金字塔微结构制作的有机薄膜晶体管及其监测桡动脉脉搏如图7所示。

图7 金字塔微结构制作的有机薄膜晶体管及其监测桡动脉脉搏图

利用光刻法在PDMS电介质表面加工金字塔微结构。当外界压力施加在传感器表面时，PDMS电介质层的厚度和介电性会随之发生变化。通过对微结构参数进行优化获得了最佳微结构制作方案，所制作的传感器灵敏度可达8.4 kPa-1，响应时间不超过10 ms，在无创、高保真以及连续监测桡动脉脉搏信号方面表现出优异的性能。受自然界毛发结构的启发，Bao等将金字塔微结构修饰的PDMS电介质层与微柱结构修饰的粘附层相结合，制备了高灵敏度和高柔韧性的柔性电容式压力传感器[9]。通过对不同结构参数的微结构进行研究，在长径比为10时，以此制作而成的传感器具有最佳的灵敏度(0.58 kPa-1)。该传感器能成功捕捉到微弱的静脉脉搏信号的细节信息，为判断被测者是否患有心血管疾病提供了依据，对心血管健康状况评估具有一定的参考价值。中国科学院重庆绿色智能技术研究院魏大鹏团队通过对现有的金字塔微结构参数进行分析和调控，研制了由微柱结构修饰的石墨烯电极和金字塔微结构修饰的PDMS介电层组成的电容式压力传感器[10]。研究结果表明，所制作的传感器灵敏度为2.3 kPa-1。该传感器可被应用于人体腕部脉搏信号的监测。哈尔滨工业大学郭传飞团队利用光刻法制备的“三明治”结构的柔性电容式传感器[11]，由高径比为5∶1的PDMS微柱介电层、离子凝胶薄膜介电层等组成，其灵敏度高达33.16 kPa-1，检测极限低至3.1 Pa，实现了对人体运动信号的检测和人体桡动脉、颈动脉部位脉搏信号的捕捉。通过提取波形中的特征点并计算心血管参数，以评价被测者的心血管健康状况。

金字塔与微柱结构结合的柔性电容式传感器及其人体健康监测如图8所示。

图8 金字塔与微柱结构结合的柔性电容式传感器及其人体健康监测图

此外，受自然界微生物的启发，Wan等以荷叶为模板，在PDMS柔性基底表面制作了仿荷叶的微图案[12]。基于荷叶微结构的电容式压力传感器及其信号如图9所示。测试结果表明，传感器灵敏度为1.2 kPa-1，检测极限可低至0.8 Pa，在智能人机交互、健康监测以及人体运动信号监测等应用方面具有很好的应用前景。

图9 基于荷叶微结构的电容式压力传感器及其信号图

4 压电式柔性传感技术

压电式传感器是基于压电效应进行机-电转换的电子器件。其压电材料受力后表面产生电荷，可用于测量力或其他可转换为电的非电物理量，适用于检测动态压力信号的变化。

人体皮肤由独特的表皮层、真皮层以及感受体组成。受人体皮肤内部表皮层与真皮层之间的互锁式微结构启发，Park等人通过在聚偏氟乙烯(poly vinyli dene fluoride,PVDF)和还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,RGO)组成的铁电聚合物材料中采用仿指纹表皮图案和互锁式微结构，制作了多功能柔性电子皮肤[13]。互锁式阵列微结构柔性压力传感器及其脉搏监测如图10所示。

图10 互锁式阵列微结构柔性压力传感器及其脉搏监测图

采用压电、压阻和铁电材料制作而成的传感器实现了对动态力、静态力和温度的灵敏检测，在低压力区域范围内，其灵敏度可达35 μA·Pa-1，最小静态压力检测极限可达到0.6 Pa，动态压力检测极限介于0.6～2.2 Pa之间。Chu等利用具有高效压电效应的高分子聚合物制备了基于“三明治”结构的压电复合体[14]，能够实时监测人体桡动脉处的脉搏信号。三明治结构的压电复合体监测人体桡动脉信号如图11所示。

根据试验测试结果可知，该复合体结构灵敏度为32.6 nA·kPa-1，响应时间为18.6 ms，可用于人体常见心血管疾病(如心率失常)的诊断。利用传感器阵列可同时采集人体寸关尺三个部位的脉搏信号，在可穿戴人体健康监测领域具有广阔的应用前景。

图11 三明治结构的压电复合体监测人体桡动脉信号图

5 摩擦起电式柔性压力传感技术

摩擦起电式柔性压力传感器基于摩擦起电和静电感应原理制成。当两种不同的摩擦材料相互接触时，由于二者对电子吸引能力不同，一种得电子能力较强，其表面汇聚有负电荷；而另一种材料易失电子则表面带有正电荷，从而形成电势差，导致电子经由外部电路流动形成电流。当外部作用力撤去时，为保持静电平衡，电子通过外部电路反向流动，二者恢复至初始状态。当外力反复不断作用时，便可把微小的机械能转化为电能输出。摩擦起电式柔性压力传感器工作模式主要包括四种，即接触-分离式、滑动式、单电极式和独立式[15]。由于摩擦起电效应的传感器具有材料选择范围广、低成本、质量轻等优势，被广泛用于可穿戴技术中。

人耳鼓膜是一种很薄的膜性组织，其能在声音的驱动下产生振动，并将这种振动传递到与之相连的听骨链，从而使人们可以听到较宽频率范围内的声音信号。受此启发，Yang等制作了一种仿人耳鼓膜结构的薄膜压力传感器[16]。仿人耳鼓膜结构柔性压力传感器及其监测人体不同部位脉搏信号如图12所示。通过中心带有凸点和周围张紧膜相结合的结构设计，传感器灵敏度高达51 mV·Pa-1，最小压力检测极限低至2.5 Pa，可以响应频率范围在0.1～3.2 kHz频带范围内的信号。该传感器不仅可以清晰地捕捉到人体桡动脉、颈动脉和心脏跳动时的低频信号，还能够检测并还原高频声音信号，在可穿戴电子产品、医疗健康监测等领域具有巨大的应用潜力。

图12 仿人耳鼓膜结构柔性压力传感器及其监测人体不同部位脉搏信号图

此外，受生物叶脉结构启发，Sun等将银纳米线制作在叶脉结构中，获得了叶脉状电极[17]。仿叶脉结构柔性压力传感器用于监测心率如图13所示。叶脉骨架不仅可以重复使用，而且对环境友好，易于加工。叶脉骨架的应用使得传感器具有制作成本低及高透射率(99%)的优势。将该传感器贴附在人体不同部位，能实现对人体脉搏、呼吸和吞咽动作信号的实时监测。

图13 仿叶脉结构柔性压力传感器用于监测心率图

受传统编织结构的启发，Meng等制作了基于编织结构的柔性压力传感器[18]。网状结构的柔性压力传感器用于人体健康监测如图14所示。其中间层采用横纵交叉的聚四氟乙烯(poly tetra fluoro ethylene，PTFE)条带编织而成。该结构使得传感器具有较强的弹性形变能力和较宽的工作压力范围，所制作的传感器灵敏度为45.7 mV·Pa-1，最小可检测压力极限为2.5 Pa，实现了对人体指腹部位、桡动脉、肱动脉和脚踝部位脉搏信号的清晰捕捉；利用双通道对两路脉搏信号进行了同时监测，基于两路脉搏信号计算脉搏波传导速度，从而建立了血压估计模型，并与欧姆龙电子血压计进行对比，具有较高的准确性。随后，该课题组受人体皮肤组织结构启发，研究了基于纳米半球结构的指腹按压式脉搏传感器[19]。通过在高分子聚合物表面加工纳米半球结构，有效地提高了传感器灵敏度，灵敏度为49.8 mV·Pa-1。将该传感器贴附在生活中软质(枕头、皮肤)或硬质(手机、计算机、桌子)的常用物体表面，均可清晰地监测人体脉搏信号。此外，其能灵敏地捕捉不同指腹按压力度下以及不同手指的指腹脉搏信号。

图14 网状结构的柔性压力传感器用于人体健康监测图

以上几种基于摩擦起电效应的薄膜压力传感器实现了对心血管系统健康参数(AIx、RI、PWV和血压)的监测。然而，以上几种传感器在透气性和舒适性方面仍有待改进，长期使用可能会使佩戴者皮肤不适。在这种情况下，如何同时保证可穿戴电子的传感性能和舒适性，未来还需要对材料和结构作深入研究。针对上述问题，Wen等研究了一种多功能全织物压力传感器[20]。畦编结构织物压力传感器及其监测人体脉搏和呼吸如图15所示。

图15 畦编结构织物压力传感器及其监测人体脉搏和呼吸图

畦编结构织物压力传感器具有可工业化批量编织、耐机洗、重复使用、高灵敏度传感和穿戴舒适等性能。以自主制备的导电和尼龙纱线为传感织物材料，全织物传感器的灵敏度为7.84 mV·Pa-1。该织物传感器可独立编织成颈带、护腕、袜子和手套，可对脖子、手腕、脚踝和手指等不同身体部位处的脉搏进行监测；同时，它也可以方便、轻松地和衣物编织在一起，形成具有传感功能的智能服装，用于呼吸和脉搏的多功能传感。这两类重要生理信号的监测可实现睡眠呼吸暂停综合症和心血管疾病的实时、长期监测，在实现个性化医疗、治未病方面有着广泛的应用价值。

6 结论

柔性压力传感技术作为一种新兴的电子技术，由于其具有柔软易拉伸、人机友好、灵敏度高等特点，在可穿戴智能设备、电子皮肤、人机交互等领域受到广泛关注。本文综述了近年来基于不同原理和不同结构的柔性压力传感技术的最新进展，列举了目前用于柔性压力传感技术的主要结构(微观和宏观)。其中，微观结构包括微柱、金字塔结构、仿生微结构、纳米半球、纳米线等，宏观结构包括编织结构、仿生结构、畦编结构等。大量试验结果证明，合理的结构设计和优化可以显著提高传感器灵敏度、响应时间、稳定性等。

尽管柔性压力传感技术的研究取得了较大的进展，但是为了使其能够广泛地应用到人们的日常生活中，实现大规模生产，柔性传感器技术还面临着许多挑战。例如如何使得传感器兼具高灵敏度、良好的稳定性、优异的抗干扰能力以及不同场景的良好适应能力等；所制作的传感器应具备良好的舒适性、透气性，可满足人们长时间佩戴监测人体健康状况的需求。此外，在材料的选取、传感器结构的设计、工艺的改进以及环保方面需重点研究，使可穿戴柔性压力传感器真正走入百姓的日常生活。