柔性可穿戴傳感器發(fā)展現(xiàn)狀

婁正 沈國(guó)震

一、引言

隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)發(fā)展高性能柔性傳感器的需求也在不斷增加。人們希望傳感器件可以舒適地穿戴在身上，或者直接貼附在皮膚表面，從而能夠獲得血壓、血糖、脈搏等一系列健康信息，并將這些信息收集到智能設(shè)備中，經(jīng)過(guò)分析和提取，幫助醫(yī)生進(jìn)行診斷，使未來(lái)的人類生活更具想象空間[1-3]。此外，通過(guò)在人類假肢或機(jī)器人上貼附相應(yīng)柔性傳感器及傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境的感知，獲得多自由度的超級(jí)操控[4，5]。本文總結(jié)了近年來(lái)柔性傳感器的研究進(jìn)展，包括柔性觸覺(jué)傳感、柔性成像陣列、生物傳感、氣體傳感以及多功能傳感集成等在可穿戴電子領(lǐng)域的最新應(yīng)用。

二、壓阻式傳感器

通常，當(dāng)施加外力時(shí)，基于壓阻效應(yīng)的觸覺(jué)傳感器將導(dǎo)致電導(dǎo)率信號(hào)發(fā)生變化。壓阻式觸覺(jué)傳感器由于功耗低，壓力測(cè)試范圍廣，易于讀取和簡(jiǎn)單的器件結(jié)構(gòu)及制造工藝，已經(jīng)得到廣泛的研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和電子皮膚的實(shí)際應(yīng)用具有很大希望。在過(guò)去的幾十年，已經(jīng)研究了許多不同種類的材料來(lái)發(fā)展高性能壓阻式傳感器。通常，壓阻傳感材料主要集中在具有導(dǎo)電性能的填料，如導(dǎo)電聚合物（CPs），金屬顆粒，碳納米管（CNTs）和還原氧化石墨烯（rGO）加入彈性體〔如聚氨酯（PU）和PDMS〕的復(fù)合材料[6]。此外，導(dǎo)電纖維，金屬納米線和薄膜也可以用作壓阻傳感器的感測(cè)材料。Hanif和他的團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種具有典型壓阻效應(yīng)的等離子體摻雜石墨烯片基柔性壓力傳感器。與UG片相比，等離子體摻雜進(jìn)一步提高了人類感知（0～10kPa）最低工作區(qū)域的壓力感測(cè)性能；此外，還研究了在壓阻式壓力傳感器中使用的一些其它具有生物相容性，超疏水性等獨(dú)特性質(zhì)的導(dǎo)電聚合物[7]。但是，大多數(shù)使用基于平面結(jié)構(gòu)的復(fù)合彈性體的壓阻型傳感器表現(xiàn)出較差的感測(cè)性能，在低壓狀態(tài)下無(wú)法感知。因此，深入研究一些新材料的工作原理和設(shè)計(jì)理念，來(lái)提供如傳感材料的3D網(wǎng)絡(luò)，多孔結(jié)構(gòu)的活性材料和微結(jié)構(gòu)的利用等來(lái)作為替代方案。Ko等人提出了一種使用互鎖微圓點(diǎn)陣列的可擴(kuò)展電阻式電子皮膚傳感器。將2個(gè)具有微圓圖案的CNT復(fù)合膜通過(guò)圖案?jìng)?cè)的接合，形成聯(lián)鎖幾何結(jié)構(gòu)（圖1）[8]。聯(lián)鎖微圓陣列壓力傳感器的感測(cè)機(jī)理，可以通過(guò)外部壓力下微圓接觸面積和拉伸比的變化來(lái)解釋。因此，具有獨(dú)特幾何形狀的互聯(lián)微圓點(diǎn)陣列器件可以區(qū)分不同的機(jī)械刺激以提供不同的感測(cè)輸出模式，因?yàn)殛嚵懈鶕?jù)外部壓力的方向顯示不同程度的變形。與平面復(fù)合膜相比，微結(jié)構(gòu)器件在響應(yīng)時(shí)間（約18ms）和恢復(fù)時(shí)間（約10ms）上要快3～4倍。這種優(yōu)良的壓力感測(cè)性能通過(guò)人手腕的不同運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)量血壓，可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體生理信號(hào)。通過(guò)使用幾乎相同的器件結(jié)構(gòu)和感測(cè)機(jī)制，成功合成了具有導(dǎo)電彈性體復(fù)合材料的微錐體PDMS陣列，實(shí)現(xiàn)了高度可拉伸的電阻式壓力傳感器。

三、壓電式傳感器

壓電效應(yīng)是用于解釋由于一些各向異性結(jié)晶材料的電偶極矩響應(yīng)所施加的機(jī)械刺激而產(chǎn)生電勢(shì)的材料的名詞。眾所周知，動(dòng)態(tài)測(cè)量需要器件實(shí)現(xiàn) 10～50kHz范圍內(nèi)的典型頻率范圍的瞬態(tài)感測(cè)能力和高靈敏度。因此，具有令人印象深刻的自驅(qū)動(dòng)能力和低功耗特性的壓電傳感器具有檢測(cè)高頻壓力的優(yōu)勢(shì)。為了滿足可穿戴電子產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)觸覺(jué)傳感器的要求，一些新型的壓電材料已被廣泛研究以替代市售的脆性陶瓷和石英，包括P（VDF-TrFE），鋯鈦酸鉛（PZT），鈦酸鋇（BaTiO3），鈦酸鉛（PbTiO3）和氧化鋅（ZnO）等[9]。因?yàn)榫哂谢瘜W(xué)惰性，簡(jiǎn)單的加工技術(shù)和較大的壓電系數(shù)特點(diǎn)，柔性P（VDF-TrFE）是最有希望的壓電材料之一。到目前為止，已經(jīng)研究了大量P（VDF-TrFE）膜基柔性壓力傳感器。Persano等人通過(guò)使用靜電紡絲法開(kāi)發(fā)了獨(dú)立排列的P（VDF-TrFE）納米纖維陣列。然后，他們基于這些納米纖維陣列制作出高性能柔性壓電壓力傳感器。這種裝置對(duì)施加的力具有高響應(yīng)，并且可以檢測(cè)到0.1Pa的非常低的壓力[10]。

這些結(jié)果表明，制造的P（VDFTrFE）器件應(yīng)用在未來(lái)的自供電可穿戴系統(tǒng)中具有很大的潛力。但是對(duì)于P（VDF-TrFE），難以將壓電效應(yīng)與熱電效應(yīng)分開(kāi)，導(dǎo)致熱量干擾器件。

四、電容式傳感器

柔性電容傳感器是可穿戴感應(yīng)中最重要的設(shè)備之一。電容器由2個(gè)用電介質(zhì)材料隔開(kāi)的導(dǎo)電板組成。電容定義為C=ε0εrA/d，其中ε0，εr，A和d對(duì)應(yīng)于介電常數(shù)，電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，2個(gè)板的重疊面積和電介質(zhì)[11]?？蓪?dǎo)致物理尺寸或介電常數(shù)變化的任何化學(xué)或物理刺激在電容中都是可測(cè)量的類型。作為觸覺(jué)傳感器，外部壓力通常導(dǎo)致彈性材料的位移隨著A變化以響應(yīng)剪切力，改變 d以響應(yīng)正向力，以及2種變化對(duì)應(yīng)張力。需要彈性體材料的低機(jī)械模量以實(shí)現(xiàn)高機(jī)械靈敏度。因此，對(duì)于電介質(zhì)層，具有小模量的一些彈性體電介質(zhì)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通常用于可穿戴電容式觸覺(jué)傳感器。近年來(lái)，已經(jīng)報(bào)道了基于簡(jiǎn)單PDMS作為電介質(zhì)，CNT或PEDOT：PSS作為電極的高靈敏度電容式傳感器。例如，已經(jīng)報(bào)道了基于層狀設(shè)計(jì)的彈性CNT織物的柔性電容式觸覺(jué)傳感器，其結(jié)合了在PDMS上具有良好介電特性的拉伸彈性體。該裝置顯示出高響應(yīng)速度，并通過(guò)可靠的觸覺(jué)傳感器陣列進(jìn)行位置檢測(cè)，超低檢測(cè)限制為0.4Pa，響應(yīng)時(shí)間快達(dá)63ms。然而，對(duì)于非結(jié)構(gòu)化彈性體電介質(zhì)，其具有高粘彈性和低壓縮性，導(dǎo)致電容式壓力傳感器的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間慢，靈敏度低。為了解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)介電材料的壓縮性是可以直接提高器件靈敏度的重要因素。最有效的方法是設(shè)計(jì)氣相微結(jié)構(gòu)介電層或引入超低模量材料。此外，與塊體材料相比，由于粘彈性效應(yīng)的降低，含空氣的彈性體顯示出更好的響應(yīng)速度。Di等人制造了以純空氣作為介電層的柔性壓力傳感器，靈敏度達(dá)到空前的192/kPa（圖2）。此外，制備好的器件還顯示出10ms的短響應(yīng)時(shí)間和0.5Pa的檢測(cè)下限壓力。然而，空氣的低介電常數(shù)可導(dǎo)致小的電容值和相應(yīng)的抗干擾能力[13]。

八、多功能集成感應(yīng)系統(tǒng)

可穿戴平臺(tái)具有人類活動(dòng)監(jiān)測(cè)、個(gè)人衛(wèi)生保健和人機(jī)界面的應(yīng)用，與人體相連，提供人類活動(dòng)的長(zhǎng)期連續(xù)記錄。而急性身體反應(yīng)可用于預(yù)防醫(yī)學(xué)、疾病診斷、患者預(yù)后監(jiān)測(cè)和老年護(hù)理。因此，它需要可穿戴感應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以檢測(cè)單個(gè)感測(cè)信號(hào)，而且可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)信號(hào)。最近，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了具有物理傳感器，和諸如化學(xué)傳感器、藥物遞送元件、刺激器的部件集成可穿戴平臺(tái)。Kim和他的同事實(shí)現(xiàn)了一個(gè)智能的假體電子皮膚，可以同時(shí)感測(cè)溫度，濕度和多種形式的應(yīng)變，并配有加熱器來(lái)調(diào)節(jié)體溫（圖4）[22]。這些不同傳感元件陣列的科學(xué)而精確的設(shè)計(jì)使得該裝置能夠?qū)勺兊沫h(huán)境環(huán)境具有良好的機(jī)械可靠性和高時(shí)空靈敏度。這表明這些裝置在人造電子皮膚、人機(jī)界面和先進(jìn)的機(jī)器人學(xué)中受到廣泛的應(yīng)用。

對(duì)于連接到人體的可穿戴感測(cè)系統(tǒng)，溫濕度是不僅需要檢測(cè)的2個(gè)重要參數(shù)，而且可能會(huì)干擾其他集成物理或化學(xué)和生物傳感器的性能。最近很多研究人員對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，其中之一是使用溫度和濕度補(bǔ)償來(lái)進(jìn)行傳感性能的修改。Javey等人提供了一種機(jī)械柔性、完全集成的傳感器陣列，用于多路分析汗液，同時(shí)選擇性地測(cè)量葡萄糖和乳酸代謝物、鈉離子和鉀離子電解質(zhì)，以及皮膚溫度[23]。他們?cè)诳纱┐魇缴飩鞲衅髦?，通過(guò)將與皮膚相結(jié)合的可穿戴生物傳感器，與硅集成電路結(jié)合在一個(gè)靈活的電路板上，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號(hào)處理，從而彌補(bǔ)了信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、調(diào)節(jié)（擴(kuò)增和濾波）、處理和無(wú)線傳輸?shù)募夹g(shù)差距。更重要的是，該系統(tǒng)集成允許實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，以根據(jù)溫度變化校準(zhǔn)傳感器讀數(shù)。隨著溫度的升高，未補(bǔ)償?shù)膫鞲衅骺赡軐?duì)給定葡萄糖和乳酸鹽溶液的實(shí)際濃度有大量過(guò)高讀數(shù)。但是溫度補(bǔ)償允許有精確和一致的讀數(shù)。研究證實(shí)，隨著溫度補(bǔ)償與穿戴式系統(tǒng)結(jié)合，能夠消除物理和環(huán)境溫度的影響。另一種方法是設(shè)計(jì)只對(duì)其特定刺激敏感的耐磨傳感器，對(duì)其他刺激沒(méi)有反應(yīng)。Cho等人開(kāi)發(fā)了具有3種不同傳感器（濕度、溫度和壓力）的透明和可拉伸的全石墨烯多功能電子皮膚。使用CVD生長(zhǎng)的石墨烯來(lái)形成這3個(gè)傳感器的電極和互連，而GO和rGO分別用作濕度和溫度傳感器的主動(dòng)傳感材料[24]。重要的是，每個(gè)傳感器對(duì)其相關(guān)的外部刺激敏感，但不受其他2種刺激的影響。如作者所示，基于GO的濕度傳感器的單純度感測(cè)性能在3種刺激下進(jìn)行測(cè)試：溫度、濕度和壓力。GO電容只響應(yīng)濕度，而不是溫度和壓力。實(shí)驗(yàn)觀察到高于80℃的GO電容略微增加，但是這種變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于由濕度變化引起的響應(yīng)。此外，基于rGO的熱傳感器的電阻僅隨溫度而變化。并且壓力傳感特性受RH和溫度傳感測(cè)試的影響較小。這些結(jié)果表明，所有傳感器能同時(shí)工作并分別記錄不同的刺激。

九、結(jié)語(yǔ)

信息技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向是通過(guò)人與外部信息交互融合，從而達(dá)到對(duì)物理世界、信息數(shù)據(jù)以及人類社會(huì)資源的綜合高效利用。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，最大的瓶頸在于傳統(tǒng)的剛性無(wú)機(jī)集成器件無(wú)法與人體柔性組織高度緊密貼合與集成。通過(guò)物理底層設(shè)計(jì)無(wú)機(jī)元器件的微納結(jié)構(gòu)并與柔性可拉伸襯底集成，實(shí)現(xiàn)人體信息獲取、處理、無(wú)線傳輸?shù)龋峭黄七@一瓶頸的有效途徑。本文總結(jié)了近年柔性傳感器方面的最新研究成果，包括柔性觸覺(jué)傳感、柔性成像陣列、生物傳感、氣體傳感以及多功能傳感集成等在可穿戴電子領(lǐng)域的最新應(yīng)用。同時(shí)隨著學(xué)科交叉及研究的進(jìn)一步深入，更多柔性、擁有良好電學(xué)性能的材料將被開(kāi)發(fā)出來(lái)應(yīng)用于可穿戴傳感器。

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