柔性可穿戴电子传感器研究进展

黄宏巍

【摘要】柔性可穿戴电子传感器要求具有高的延展性、柔性和灵敏性等，还需低成本，才能在医疗健康、信息国防等领域有广泛市场应用。柔性可穿戴电子传感器可用于监测睡眠质量、人体温度、心率脉搏等身体状况，这样能对人体进行临床诊断、健康评估和监控等，有利于人体健康，还能及时发现和处理问题。

【关键词】柔性;可穿戴;电子传感器

随着智能终端的普及，作为核心部件之一的可穿戴电子设备显示出巨大的市场前景，将影响可穿戴设备功能设计和未来发展。柔性可穿戴电子传感器因其轻薄便携、优异的电学性能、高集成度等特点，已成为最受关注的电学传感器之一。

一、传感器概述

传感器是一种检测装置，能感受到被测量信息，并能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式信息输出，以满足信息传输、处理、存储、显示、记录、控制等要求。

二、柔性可穿戴电子的常用材料

因可穿戴式柔性电子传感器主要运用材料相比其他普通半导体而言，需具有柔韧性及可拉伸性，同时在力作用下不会产生物理损坏等特点，还需具有可自愈功能及较长使用寿命，所以选择何种材料便成为重点。

1、柔性基底。在柔性可穿戴电子传感器中先要满足柔性电子器件要求，主要是轻薄、拉伸性、绝缘性、耐腐蚀性等方面具有较高性能。通常，聚二甲基硅氧烷（PDMS）是人们首选材料，因其具备稳定的化学性质、良好透明性及较好耐热性等，同时在紫外光下粘附区及非粘附区分明的特性使其表面容易粘附电子材料，制备过程简单易操作也是其主要优势之一。此外，聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、聚酰亚胺（PI）、聚乙烯（PE）和聚氨酯（PU）等也可被用来作为柔性可穿戴式电子的常用基底材料。

2、金属材料。金属材料一般选用金银铜等导体材料，用于制作电极及导线。而导电材料多选用可导电纳米材料。金属的纳米导电材料具有较好导电性及延展性。目前，在电子传感器中选用的导电材料主要为导电纳米油墨，包括纳米颗粒及纳米线等。

3、无机半导体材料。无机半导体材料ZnO及ZnS因其出色的压电特性，在可穿戴柔性电子传感器领域发挥了巨大作用，这种材料制作的传感器能用于辨别笔迹及扫描压力分布。无机半导体材料也是未来快速响应和高分辨压力传感器材料中最有潜力的候选者之一。

4、有机材料。有机材料中的代表主要是柔性压敏晶体管，因晶体管具有完美的信号转换和放大性能，使晶体管使用为减少信号串扰提供了可能。因此，目前在可穿戴传感器及人工智能领域的研究大多围绕如何获得大规模柔性压敏晶体管展开。

5、碳材料。柔性可穿戴电子传感器应用的碳材料主要具有结晶度高、导电性好、比便面积达等优秀特性的碳纳米管，以及具有轻薄透明、导电导热性好的石墨烯等。

三、可穿戴传感器的应用

1、温度检测。人体皮肤对温度的感知帮助人们维持体内外热量平衡。电子皮肤由多功能二极管、无线功率线圈和射频发生器等部件组成，这样的表皮电子对温度和热导率变化敏感，能评价人体生理特征变化，如皮肤含水量、组织热导率、血流量状态、伤口修复过程。

为提高空间分辨率、信噪比、响应速度，有源矩阵设计成为了最优选择之一。有研究人员制备了包含单壁碳纳米管薄膜晶体管，能拉伸的聚苯胺纳米纤维温度传感器有源矩阵，展示了1.0%·℃-1的高电阻灵敏性，在15～45℃范围内得到1.8s响应时间，在双向拉伸30%下依然保持稳定。

2、脉搏检测。可穿戴个人健康监护系统被广泛认为是下一代健康监护技术的核心解决方案。监护设备不断感知、获取、分析、存储大量人体日常活动中的生理数据，为人体健康状况提供必要、准确、长期的评估及反馈。

在脉搏监测领域，可穿戴传感器具有以下应用优势：①在不影响人体运动状态下长期采集人体日常心电数据，实时传输至监护终端进行分析处理;②数据通过无线电波传输，免除了复杂连线。

能粘附在皮肤表面的电学矩阵在非植入健康监测方面具有明显优势，而且超轻超薄，利于携带。然而，人体具有很多非平整的表面及精细结构，使完全贴附困难，这是实时监测的挑战。而当前发展了一种基于微毛结构的柔性压力传感器，这种传感器对信号放大作用强。通过传感器与不规则表皮的有效接触最大化，观察到大约12倍信噪比增强。另外，这种PDMS微毛结构表面层提供了生物兼容性的非植入皮肤共形附着。并且这种便携式传感器能无线传输信号，即使微弱的深层颈内静脉搏动也能获取到。

3、表情识别。统计发现，在人们的交流中通过语言传递的信息只占约7%，大部分信息靠表情传递。随着人机交互与情感计算技术的快速发展，人脸表情识别已成为人们研究的热点。目前，基于图像采集的表情识别技术存在五官捕捉缓慢、识别准确率低等缺点，无法满足人们对实时快速准确感知的要求。

随着传感器向微型化、智能化、网络化、多功能化方向发展，同时测量多个参数的高集成传感器需制造工艺及分析技术的创新。

展示了通过压阻柔性可穿戴电子传感器多通道分析进行表情识别的概念，利用图案化硅柱阵列模板，与含有纳米颗粒的组装液及柔性薄膜构筑的三明治夹层，随着溶剂的挥发，气-液-固三相接触线的有序收缩，形成了周期与振幅可控的曲线形液桥阵列，此不断缩小的液桥空间为纳米颗粒的沉积提供了规则有序的组装空间，待溶剂挥发干，便在柔性薄膜上形成规则的微纳米级曲线阵列，真空蒸镀上金电极，得到对微小形变有稳定电阻变化的传感器芯片。不同周期和振幅比曲线阵列传感器对应变的电阻响应曲线有明显差异。一组传感器贴附于被监测者体表皮肤，进行数据采集分析，实时监测人在不同环境及心理条件下，体表微形变的相关生理反应，用于识别微笑、大笑、惊讶、悲伤、恐惧、沮丧、生气、放松八种面部表情。

四、展望

柔性可穿戴式电子传感器如今已应用于临床诊断、运动健康监测方面，在不远的将来，柔性可穿戴式电子传感器会被应用与其他方面，如军事、航天航空等，而且随着经济的发展，可穿戴式电子传感器会越来越民用化，会有越来越多的人能使用可穿戴式電子传感器，由此可见，可穿戴式电子传感器将展现出巨大的市场前景。

参考文献：

[1]刘宇航.柔性可穿戴电子传感器浅谈[J].数码世界，2018（11）.

[2]钱鑫.柔性可穿戴电子传感器研究进展[J].化学学报，2016（07）.