柔性可穿戴壓力傳感器的研究進(jìn)展

梁立容，李寧，魏愛(ài)香

(中山大學(xué)新華學(xué)院 信息科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510520)

近年來(lái)，人們已經(jīng)對(duì)各種具有彈性機(jī)械性能的柔性電子器件開(kāi)展廣泛研究，包括柔性傳感器、柔性晶體管、柔性發(fā)光二極管(LED)、柔性?xún)?chǔ)能設(shè)備和柔性能量采集器。柔性電子器件因其具有機(jī)械柔性，能貼合到各種曲面，使得它的應(yīng)用場(chǎng)景得以擴(kuò)展到傳統(tǒng)的以半導(dǎo)體硅為基礎(chǔ)的硬電子器件所無(wú)法勝任的場(chǎng)合[1]，比如，人機(jī)交互界面[2]、電子皮膚[3]、人體生理信號(hào)監(jiān)測(cè)[4]、醫(yī)用機(jī)器人等[5]領(lǐng)域。這些柔性傳感器應(yīng)用場(chǎng)景靈活，生產(chǎn)成本低，重量輕，與傳統(tǒng)的大面積批量生產(chǎn)技術(shù)兼容性好，滿(mǎn)足了要求電子器件與人體皮膚貼合度良好且不影響體驗(yàn)的各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。各種功能的柔性傳感器被廣泛研究，包括壓力傳感器、光學(xué)傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、葡萄糖傳感器等等。其中以柔性壓力傳感器的應(yīng)用范圍最為廣闊，從測(cè)量微小的聲音震動(dòng)[6]、電子皮膚[7]、人體生理信號(hào)的腕部脈搏波監(jiān)測(cè)[8]，一直到人機(jī)交互的機(jī)器手觸感反饋[9]。傳感器在人體健康監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和改善人民生活質(zhì)量起到重要作用。例如：將柔性壓力傳感器貼附于手腕，可以測(cè)得脈搏波信號(hào)，并從中提取出人體的呼吸、心率、脈搏波速、脈象，甚至血壓等生理指標(biāo)，最終可分析人體心血管系統(tǒng)的健康程度。相比較于目前商用的光電容積脈搏波描記法(PPG)而言，壓力傳感器能實(shí)現(xiàn)低功耗長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)。

1 柔性壓力傳感器的種類(lèi)和特點(diǎn)

根據(jù)傳感機(jī)理的不同，壓力傳感器可分為3類(lèi)，分別是壓電傳感器、壓電容傳感器以及壓阻傳感器。壓力傳感器的器件結(jié)構(gòu)與傳感器機(jī)理見(jiàn)圖1，3種壓力傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1。

表1 3種壓力傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)比較Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of three kinds of pressure sensors

圖1 柔性壓力傳感器的器件結(jié)構(gòu)與傳感器機(jī)理Fig.1 Structure and mechanism of flexible pressure sensor

壓電傳感器的響應(yīng)來(lái)源于壓電材料在壓力作用下晶格形變導(dǎo)致的極化效應(yīng)所產(chǎn)生的電壓輸出，因此它能夠作為無(wú)源器件使用(器件給自己供電)。施加壓力的一瞬間，壓電傳感器能輸出一個(gè)脈沖響應(yīng)電壓；當(dāng)施加的壓力穩(wěn)定時(shí)，傳感器輸出的電壓歸為零。因此壓電傳感器只能用于測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力的變化值，不適用于測(cè)量靜態(tài)穩(wěn)恒壓力的絕對(duì)值大小。如中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的徐春葉教授課題組采用靜電紡絲技術(shù)和流延成膜技術(shù)分別制出柔性的壓電薄膜，用于人體健康監(jiān)測(cè)和治療觸覺(jué)傳感器[10]。西安交通大學(xué)的劉衛(wèi)華教授采用垂直定向ZnO納米線作為變換器的核心材料，制作出柔性陣列式納米壓電觸覺(jué)傳感器[11]。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所的蘇業(yè)旺等用鋯鈦酸鉛(PZT)為壓電材料，聚二甲基硅氧烷襯底上制備出柔性傳感器，用來(lái)測(cè)量動(dòng)脈血壓，壓力靈敏度達(dá)到0.005 Pa[12]。

壓電容傳感器的響應(yīng)來(lái)源于平行板電容器上下電極的距離變化所產(chǎn)生的電容變化，因此它具有低功耗的優(yōu)勢(shì)。但它有寄生電容，抗干擾能力差，測(cè)量電路相對(duì)于其它類(lèi)型傳感器更為復(fù)雜。例如：南方科技大學(xué)郭傳飛教授課題組直接利用自然材料制備了簡(jiǎn)單、低成本、高性能的柔性電子皮膚。將自然界中花瓣和葉子作為介電層，結(jié)合銀納米線柔性電極構(gòu)建三明治結(jié)構(gòu)電容式柔性電子皮膚[13]。

壓阻傳感器是通過(guò)感應(yīng)由外力造成的電阻變化而產(chǎn)生的電信號(hào)來(lái)直觀讀取外力變化的器件。壓阻傳感器本質(zhì)上是一個(gè)電阻器，它抗電磁干擾能力更強(qiáng)，功耗也低，同時(shí)測(cè)量電路也更為簡(jiǎn)單。電阻式壓力傳感器主要由柔性壓阻材料組成，這種材料是通過(guò)將導(dǎo)電相摻入到絕緣基體材料中制成的復(fù)合材料。復(fù)合材料的力學(xué)彈性和導(dǎo)電性的耦合關(guān)系，導(dǎo)致了以它為核心傳感材料的壓阻傳感器的線性區(qū)間和靈敏度之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。靈敏度反映了器件對(duì)微小壓力的敏感程度，而線性區(qū)間是指?jìng)鞲衅髂芫S持在相同靈敏度的最大測(cè)量范圍。電子皮膚，人機(jī)交互，人體生理信號(hào)監(jiān)測(cè)，都需要壓力傳感器能夠在盡可能大的測(cè)量區(qū)間內(nèi)維持高靈敏度。例如：韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院Park等基于三維微孔介質(zhì)彈性體的壓阻效應(yīng)制備柔性可穿戴壓力傳感器，用作機(jī)器人手指上的電子壓力傳感皮膚，以及用于人類(lèi)手腕脈搏波監(jiān)測(cè)[14-15]。清華大學(xué)任天令教授課題組利用石墨烯多孔網(wǎng)絡(luò)(GPN)與PDMS復(fù)合材料制備的一種壓力應(yīng)變傳感器，用于識(shí)別行走狀態(tài)、手指彎曲活動(dòng)和監(jiān)測(cè)手腕血壓，其壓力傳感測(cè)量范圍較寬，壓力傳感范圍可達(dá)2 000 kPa，但靈敏度僅有0.09 kPa-1[16]。

2 柔性可穿戴壓力傳感器的應(yīng)用

柔性可穿戴壓力傳感器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并逐漸走向商業(yè)化。深圳市力感科技有限公司基于柔性壓力傳感器生產(chǎn)的智能鞋墊應(yīng)用于體育、醫(yī)療設(shè)備和保健康復(fù)等領(lǐng)域。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)的柔性壓力傳感片放置在鞋墊中，可采集各個(gè)感應(yīng)單元的壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)應(yīng)用程序連接，實(shí)現(xiàn)步態(tài)分析?？梢詮牟筋l、步行周期、觸動(dòng)時(shí)間和觸動(dòng)角度等分析跑步者狀態(tài)，對(duì)分析、診斷足踝類(lèi)疾病和評(píng)估、驗(yàn)證康復(fù)器械具有重要的意義。

合肥華科電子研究所利用壓電材料研發(fā)了一系列柔性可穿戴式壓力傳感器，如HKH-11C呼吸波傳感器。該產(chǎn)品是一款利用壓電式器件采集于人體呼吸產(chǎn)生的腹部起伏信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、濾波、AD、USB通信等電路輸出呼吸波形數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)睡眠質(zhì)量和呼吸暫停監(jiān)測(cè)。另外一種HKF-12肺活動(dòng)量傳感器，該產(chǎn)品利用氣體流動(dòng)壓力積分的方法測(cè)量人體用力呼氣的流速與流量，從而計(jì)算出人體用力呼氣肺活量以及肺功能的其它參數(shù)。該產(chǎn)品具有體積小巧、使用方便、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于肺功能測(cè)試系統(tǒng)。此外HK-2000G集成化脈搏傳感器可由電壓或電流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生正比輸入壓力毫伏等級(jí)的電壓輸出信號(hào)，具有優(yōu)異的可重復(fù)性和時(shí)間穩(wěn)定性，非常適合于脈率檢測(cè)、無(wú)創(chuàng)心血管功能檢測(cè)、妊高征檢測(cè)、脈象診斷等領(lǐng)域的集成應(yīng)用。

3 柔性可穿戴壓力傳感器的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

近年來(lái)，柔性電子器件在人體健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)步。目前的柔性傳感器制備通常以金屬、半導(dǎo)體、碳材料、高彈性聚合物及其復(fù)合材料為主。加州大學(xué)圣地亞哥分校Mercier教授研究出一種柔性的可穿戴混合傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生化(乳酸)和電生理信號(hào)(心電圖)，可以進(jìn)行更全面的健康監(jiān)測(cè)[17]。日本大阪府立大學(xué)Takei實(shí)現(xiàn)了高效的皮膚溫度傳感和穩(wěn)定的無(wú)膠黏心電圖傳感的可穿戴柔性醫(yī)療貼片式傳感器[18]。伊利諾斯大學(xué)的Rogers等制備出一種柔性的、可穿戴的微流體傳感器，用于對(duì)汗液的捕獲、存儲(chǔ)和比色傳感，汗液進(jìn)行捕獲和定量化學(xué)分析而實(shí)現(xiàn)的健康監(jiān)測(cè)能力[19]。清華大學(xué)伍暉副教授團(tuán)隊(duì)對(duì)功能無(wú)機(jī)材料納米纖維為代表的基礎(chǔ)低維納米結(jié)構(gòu)的可控合成制備與組裝展開(kāi)研究，制備一種柔性的透明導(dǎo)電帶[20]。中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)研究院張婷，利用絲印成型的微模壓聚二甲基硅氧烷(PDMS)與單壁碳納米管(SWNT)超薄薄膜結(jié)合，制備出柔性透明的可檢測(cè)壓力電子皮膚器件[21]。清華大學(xué)精密儀器系的朱榮研究團(tuán)隊(duì)首次提出以多孔彈性介質(zhì)為基的力-熱轉(zhuǎn)換機(jī)制實(shí)現(xiàn)壓力/應(yīng)力的感知，通過(guò)多孔彈性膜將外界壓力轉(zhuǎn)換為導(dǎo)熱信息，實(shí)現(xiàn)集觸感、溫感、風(fēng)感、附著物感等功能為一體的多維感知柔性電子皮膚[22]。浙江大學(xué)高超教授利用同軸濕紡紗方法制備柔性超級(jí)電容器，可用于高能量密度和安全的可穿戴柔性電子器件[23]。日本理化研究所Kenjiro Fukudaa等團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)展了一種基于納米圖案化有機(jī)太陽(yáng)能電池的自供能超柔性生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心率的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)[24]。柔性傳感器取得了較大進(jìn)展，但其靈敏度與測(cè)試范圍競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系、工藝復(fù)雜和制造成本較高嚴(yán)重影響了應(yīng)用發(fā)展。

4 總結(jié)與展望

柔性可穿戴壓力傳感器最為核心的是敏感材料，如復(fù)合材料是一種很受歡迎的壓阻材料。復(fù)合材料的力學(xué)彈性和導(dǎo)電性的耦合關(guān)系，導(dǎo)致了以它為核心傳感材料的壓阻傳感器的線性區(qū)間和靈敏度之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。靈敏度反映了器件對(duì)微小壓力的敏感程度，而線性區(qū)間是指?jìng)鞲衅髂芫S持相同靈敏度的最大測(cè)量范圍。很多應(yīng)用場(chǎng)景，比如電子皮膚，人機(jī)交互，人體生理信號(hào)監(jiān)測(cè)，都需要壓力傳感器能夠在盡可能大的測(cè)量區(qū)間(寬線性區(qū)間)內(nèi)維持高靈敏度。若是壓力傳感器無(wú)法在有效測(cè)試范圍內(nèi)提供線性響應(yīng)(即維持著相同的靈敏度)，就需要復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)壓力還原，這不僅會(huì)降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度，也會(huì)增加系統(tǒng)的功耗。從材料設(shè)計(jì)的角度解決壓阻型傳感器中傳感器靈敏度與線性區(qū)間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種新型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高傳感器的靈敏度和線性工作區(qū)間，基于此材料制備出一款通用型壓力傳感器，既能滿(mǎn)足高靈敏度的要求，又能在大的壓力測(cè)量范圍內(nèi)使用。