柔性传感器研究现状与进展

李仲豪 郑富中

1. 四川轻化工大学，四川省自贡市 643000；2. 成都信息工程大学，四川省成都市 610225

0 前言

柔性传感器是指用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性，可自由弯曲或者折叠，且结构形式灵活多样。柔性传感器的灵敏度高、灵活性好、稳定性好，是检测人体生物学信号、运动和环境的理想选择[1-2]。同时，柔性传感器在弯曲和伸展下表现出良好的导电性和响应性，在可穿戴电子器件和智能机器人领域的广泛应用而受到关注[3-9]。例如，在医疗领域的柔性可穿戴设备的核心部件就是柔性传感器[10]，不仅可以实时监测病人的健康状况，其隐形效果还可以减少病人对监测仪器的抗拒[11]；在智能机器人领域，主要是电子皮肤的应用，除了拥有强大的信息采集功能，还能让机器人皮肤的仿真效果更佳[12]。柔性传感器是现代柔性电子产品的一个重要组成部分，能够将外界的其他信号（如机械形变）转换为可直接测量的电信号。根据其机理可以分为压电型[13]、电阻型[14]、电容型[15-16]和其它类型（摩擦发电型[17-19]、有机场效应管[20]），当外界施加的压力发生改变时，柔性传感器的阻值、电容值或者电压值随之发生相应的变化。根据是否需要进行物理连接分为接触式和非接触式传感器，接触式的传感器主要是传统的传感器，通过一些物理的触碰和接触，引起自身的形变，从而引发电信号的变化；非接触式传感器可以实现远距离读取，采集被测物体的信息，达到非物理接触采集信息的功能。

随着材料科学、制造技术、电子与信号处理、微型能量收集、无线通信、人工智能等领域的发展，人们对柔性传感器的性能有了更高的要求，对基底材料的研究也受到更多的关注。无论是复刻含羞草[21]或香蕉叶[22]表面处理技术，还是利用修饰碳纳米管[23]和还原氧化石墨烯[24]等结构微调技术，都使得柔性传感器的灵敏度、稳定性、可测量阈值等性能大大提高。

1 柔性传感器的种类及性能

随着柔性电子技术在各个领域受到更多的关注度，柔性传感器的研制水平也得到了极大的提升，各种基底材料、形态、制造技巧和方法也开始被研究发现，以此满足各种应用场景的使用和要求。柔性传感器根据信号转换机理主要分为3大类：电容式、电阻式、压电式，如图1所示。根据是否进行物理接触或连接可以分为接触式和非接触式。

1.1 电阻式柔性传感器

电阻式柔性传感器的工作原理是把外界施加的压力值转化为电阻或者电流值的器件。根据其工作原理的不同分为应变式和压阻式两种不同的类型。

应变式柔性传感器受到外界压力被拉伸或者压缩时（即产生机械形变时），导体的横截面积变化，导电的区域也发生变化，从而导致电阻发生变化[25]。压阻式柔性传感器是基于压阻效应的传感器，当受到外界压力作用时，导体材料的电导率会随着自身的一些微小改变而发生变化[26]。

电阻式柔性传感器的灵敏度（SR）计算公式如下所示：

其中，R0、R——受到外界压力前后的电阻；

P——外力的大小，

δ——介质的电导率。

1.2 压电式柔性传感器

压电式柔性传感器是基于压电材料的压电效应的原理而设计的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷。当外力撤去后，电介质又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变，电介质受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。在此过程中，通过电流的大小可以计算外力的大小。压电式压力传感器的灵敏度（SI）计算公式如下所示：

其中，I0、I——受到外界压力前后的电流值。

1.3 电容式柔性传感器

电容式柔性传感器受到外界压力时，电极板间的电容值会发生变化，从而引起其他电信号的变化，可以通过测量电信号的变化计算出外力的大小。一般电容式柔性传感器是在柔性电极中间加上一层具有微结构的介质材料，介质层在受到外界压力作用下，微结构会发生比较明显的变化，引起介质材料的介电特性发生变化，导致电容值产生较为明显的变化[27]。电容式柔性传感器一般通过改变介质层的材料或进行相关的结构修饰，再或者将柔性基底与高介电常数的物质进行复合，来提高灵敏度[28]。

电容式柔性传感器的灵敏度（SC）计算公式如下所示：

其中，C0、C——受到外界压力前后的电容值。

1.4 接触式和非接触式柔性传感器

接触式和非接触式柔性传感器区别不在于采集信号转换的机理，而是看信号采集过程中信号识别与处理单元与被测物是否有物理接触，它们的机理可能仍然是电容式、电阻式、电压式中的一种，也可能是利用光谱平移的思想或其它物理量的变化。

接触式柔性传感器主要通过物理接触引起自身的形变，实现对应力、应变以及压力的传感，获取需要被采集的信息，只能在离散位置和特定路线上进行监控，而且小尺度应变的测量能力有限。

非接触式的柔性传感器目前主要利用某些纳米材料（如碳纳米管、石墨烯）原子结构表面上的电子性质，或者利用高分辨率光学传感器，不仅可以实现较高的空间分辨率和灵敏度，还可实现一定范围内的全场传感，从而有效提高监测与监控结构的全面性和连续性。目前，虽然非接触式传感器研究受到了关注，但发展远远不如接触式传感器，对于其机理和基底材料还缺乏系统和深入的研究。

2 柔性传感器的发展及前沿技术

2.1 柔性传感器的发展

柔性传感器的研究始于上个世纪四十年代左右，由于受科研条件的限制以及需求不高，发展并不理想。随着近几十年科技与经济的快速发展，各种制造技术也进入了高速发展，关于柔性传感器的文献、参考资料也越来越具有价值，国内外研究者们从身边的事物得到设计制造的灵感，例如自然界的物体（花瓣、叶片等）、仿生的物体（电子皮肤，褶皱等）、多孔结构、纸张等各种各样的材料，完成各类柔性传感器的设计。

2.2 模仿植物的柔性传感

在最近几年的研究中，利用大自然中部分植物的叶片或花瓣作为基底材料的模板，结合一些现代的工艺技术，如石墨烯沉积、金属的溅射、图案化PDMS（Polydimethylsiloxane），制备柔性电极。达到柔性传感器的高性能、高稳定性、高灵敏度，同时降低了成本，实现了绿色制造。SU B等[21]在含羞草表面发现非常细小的微凸结构，便利用图案化PDMS工艺技术复制其表面结构，再经过金属溅射的处理后封装为电阻式柔性压力传感器。随后几年，NIE P等[22]用同样的方法得到了香蕉叶表面结构，测试发现，该柔性传感器具有更高的柔性和灵敏度。除此之外，还有玫瑰花花瓣[29]和荷叶[30]等植物表面结构也被加工为具有不同传感功能的敏感介质基底，使得柔性传感器既具备高阈值、高稳定性、高灵敏度，同时还降低了成本，实现了绿色制造，如图2所示。

2.3 模仿动物的柔性传感

电子皮肤是柔性传感器在现代智能机器人领域中的一个重要应用，之所以被称为电子皮肤，是因为它可以模拟实现人类皮肤的功能，比如触觉、感应温度和湿度等。PARK J[31]等制备出具有互锁结构的基底材料，其原理是采用聚偏二氟乙烯（PVDF）附着在还原氧化石墨烯（rGO），研究出一种新的柔性传感器材料，实现了“皮肤”的功能。WAN等[12]设计的柔性传感器是用柔性铁电驻极体纳米发电机作为感受器，用人工突触处理感受器产生的动作电位，传递给中枢，从而实现信息的传递。SHIT A等[32]还研制出一种功能相同，但可以通过太阳能自身供电的柔性电子皮肤，这样既保证了传感器的续航能力，又提高了信号传输的稳定性。CHOU H H等[33]研制出了一种可以拉伸的柔性电子皮肤，当受到不同的外力时，它的颜色发生相应的变化，这样就可以区分不同的信号。GRAY D S等[34]研制出一种导电拉伸褶皱结构，在外力的作用下，褶皱结构的拉伸会引起周期变化，传递所采集的信号。

2.4 多孔结构及其它的柔性传感

多孔结构也是柔性传感器中一个重要的设计方案，具有优异的机械柔韧性和表面负载能力，以及超低的弹性模量等优点，更加的契合柔性传感器。YAO H B等[35]研制出一种多孔结构的高灵敏度柔性传感器，在基底材料上涂抹氧化还原石墨烯之后，进行水热处理后再压缩，制备出多孔结构，具有密度小且弹性好的优点。CHEN Q等[36]采用PDM 3D打印技术实现三级多孔结构的制备，再加入纳米材料当做填料，制备出柔性传感器，质量轻且负重优良（能够负载自身20,000倍的质量）。2020年，LI Y等[37]研制出一种柔性材料，主要以旋涂银纳米线或其他纳米材料制备出柔性材料，在受到力时，其中的多孔结构使得接触面积增加，电阻减小，进一步提高了柔性传感器的灵敏度。

除了多孔结构，还有很多其他结构类型的柔性传感器。纸的微结构表面纤维交错，而且凹凸不平，存在大量的空隙，这也给柔性传感器的基底材料提供了思路。GONG S等[38]将金属纳米线与纸巾结合，制备了可以测量压力以及应变的纸基传感器，虽然灵敏度稍有不足，但柔性特征使该传感器更适用于各种环境。TAO L Q[39]等将氧化石墨烯的溶液涂覆到纸张之上，制备出一种高性能的柔性传感器，完成了高灵敏的监测，并成功运用在医学领域，且优势十分明显。潘泰松等[40]研究者设计制备了基于无机氧化物薄膜的柔性传感器，通过转印技术，利用VO2薄膜的具有临界温度区间的特点，提高了温度传感器的灵敏度。

2.5 柔性传感器的前沿技术

当柔性传感器受到关注时，研制出柔性传感器的基底材料也就多种多样，当前较为先进的柔性传感器主要采用的是还原氧化石墨烯（rGO）和碳纳米管（CNT）。制备电子核心器件最常见的就是碳材料，主要是因为其低成本、高比表面积等优点，而其中石墨烯的结构是单原子2D结构，是碳材料中较为特殊的一种，具有优良的导电率和稳定性，但是它有重新堆叠回石墨的可能，容易团聚。Hummer's方法[41]制得碳纳米管的结构是一维结构，由于成功制备出氧化还原石墨烯，不仅利用了石墨烯的优良特性，同时也解决了一些影响基底材料的缺点，其独特的结构拥有许多优异的特性，尤其是力电特性[20]。

2016年，AL-SAYGH A等[42]研制了新型纳米复合材料压力传感器，采用水热法合成二氧化钛纳米层，通过简单的溶液混合将增强聚偏氟乙烯与氧化还原石墨烯形成一种复合材料，使得柔性传感器的灵敏度大大提高。2017年，XUAN X等[43]提出并制造了一种微型化、柔性、完全集成的电化学传感器，该传感器由还原氧化石墨烯以及碳纳米管复合制成工作电极，通过增加电极表面积来提高传感器的性能。2018年，XU M等[44]研究者提出并开发了一种基于还原氧化石墨烯的三维微结构的方法，仅仅改变还原氧化石墨烯的质量分数就可以调整电导率和机械弹性，在10 kPa线性区域显示出高灵敏度。2019年，JI W等[45]将全氟磺酸和还原氧化石墨烯包裹到碳化丝织物中制成有机化学晶体管传感器，可以有效地提高电极的电导率，为制造高性能、低成本的柔性有机电化学晶体管（OECT）传感器提供了方案。HOSSEINDOKHT Z等[46]设计制造了一种基于还原氧化石墨烯周期结构的柔性压力传感器，经过卡普顿表面沉积，激光辐射进行处理，使得传感器可接受响应的范围大大增加。

2015年，中科院研究所[47]围绕碳纳米管和还原氧化石墨烯，在非接触式柔性传感器上取得进展，提出通过液体表面张力在气液界面剥离的方法，并对剥离的溶液进行不断地调整，制备出高质量的还原氧化石墨烯薄膜，从界面化学角度分析其剥离、组装、形成机理，并成功运用于非接触式柔性传感器器件，实现了高灵敏度、宽范围、高稳定性等优异的特性。2016年，SUN P等[48]提出了基于单壁碳纳米管的光学特性的非接触式柔性传感器，在这种应变传感智能皮肤（简称“S4”技术）方法中，碳管被稀释的嵌入应用到基底的聚合物薄膜中，可以在涂层表面的任何一点找到应变大小和方向，更精确地分析应变特征，制作过程如图3所示。严家兴[49]在研究中提出并制备了基于还原氧化石墨烯的柔性非接触式的距离传感器，该方法首先采用静电自组装将聚甲基丙烯甲酯胶乳与还原氧化石墨烯复合，得到了可稳定分散的复合乳胶，再将聚丙烯酸正丁酯胶乳混合，经过烘干等处理成薄膜，该膜连接电极后形成电容式柔性传感器，具有高稳定性和灵敏度。

3 柔性传感器的应用

3.1 柔性传感器在医学领域的应用

现代社会中，人们生活水平的提高对健康也越来越重视，许多人都受到了慢性疾病的困扰，尤其是老年人居多，如高血压、糖尿病、高血脂等。现在监测方法是患者定时到医院进行体检，根据结果进行药物的调整，这种方法较为费时费力。近年来，随着柔性电子传感器的发展，越来越多的柔性传感器应用到可穿戴设备中，可以对生命体征的监测、生物电的监测（如心电、肌电、脑电）、运动监测等生理指标做到实时监测。还有，一些病人丧失语言功能，在喉管中植入微型传感器，可以帮助病人重新发出声音，如图4所示。当柔性电子设备安装在截肢患者的假肢上，这样的假肢不仅有运动功能，还具有运动监测功能。

3.2 柔性传感器在智能机器人领域的应用

随着科技的发展，智能机器人应用的领域越来越广泛，特别是在一些高风险和高精度的环境，就需要人机交互来完成任务。人机交互一般都是将传感器在人体某部位收集的信号传输给被控制的机械设备，使得机械设备完成我们期望完成的工作。这些柔性传感器通常安装在关节处（手指、手腕、膝盖），可以准确地采集所需要的信息。柔性传感器因其特殊的性质，可以更好地模仿人类的皮肤，实现各种信息交互的同时，还能使得其外观更加的逼真。

3.3 柔性传感器在其它领域的应用

除了上面的一些应用，航天领域上也有柔性传感器的使用，宇航服是宇航员的生命保证，需要对环境和生命体征进行实时监测，反馈信号给地面，柔性传感器不仅可以完成这些功能，而且其材料柔软，韧性高，不会给宇航员带来额外的重量和不适。在环境监测领域，例如，人类生活环境的湿度和健康有着密切联系，需要相应的电子设备对其进行实时监测。因此，外形小巧且性能优异的柔性传感器被相继应用到环境监测电子设备中。

4 总结及展望

以用户需求为基本导向，柔性传感器在不同的领域都有着快速的发展，根据应用的环境，柔性传感器的基底材料也多种多样。国内外研究者都通过寻找各种基底材料、不同的工艺处理、不同的设计，研发高质量、高性能、高灵敏度的柔性传感器，渐渐形成了完整的制造体系。尽管柔性传感器飞速发展，但是随着实际的使用和商业化，仍然面临巨大的挑战。1、高精度和高阈值之间的矛盾还没有解决；2、虽然有的柔性传感器成本较低，但是目前高性能的柔性传感器成本仍然会高出传统的传感器；3、当使用在可穿戴设备中，无线化和续航能力仍然是一个研究的难题；4、柔性传感器虽然能够很好的贴合皮肤，但是舒适度仍然有待改进；5、需要实现多种信号的响应，通过合理的设计解决不同信号之间的干扰。总之，柔性传感器因其优异的特性，有望取代传统传感器的地位，使电子设备更加的先进和便携，这也意味着对传感器的研制要求越来越高，可能涉及到材料学、信息工程、自动控制等学科，也意味着对设计人员的要求越来越高，同时也给各个领域的合作提供了大量的机会。