柔性壓力傳感技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

楊 進(jìn)，孟柯妤，王 雪

(1.重慶大學(xué)光電工程學(xué)院,重慶 400044; 2.光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；3.長(zhǎng)春大學(xué)電子信息工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

0 引言

近年來，隨著智慧醫(yī)療理念的不斷傳播，小型化、智能化的可穿戴檢測(cè)設(shè)備逐漸進(jìn)入人們的視野。柔性壓力傳感器因其具有低耗能、高靈敏度、高穩(wěn)定性、快速的響應(yīng)時(shí)間、較低的壓力檢測(cè)極限、較寬的壓力監(jiān)測(cè)范圍以及靈敏的感知外界微弱壓力變化并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的能力，被廣泛應(yīng)用于電子皮膚、醫(yī)療設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)設(shè)備中。研究表明，對(duì)傳感器材料表面進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)處理或宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以增加其有效接觸面積，進(jìn)而提高傳感器靈敏度，使其能夠靈敏地檢測(cè)微弱的外界壓力變化。本文對(duì)近幾年基于不同結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器進(jìn)行了概述。根據(jù)傳感器工作原理，主要介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)傳感器輸出性能的影響及其應(yīng)用，并對(duì)未來的柔性壓力傳感技術(shù)進(jìn)行了展望。

1 柔性壓力傳感技術(shù)

柔性薄膜壓力傳感器根據(jù)工作原理的不同，可以分為四種類型:壓阻式、電容式、壓電式和摩擦起電式。為了使柔性壓力傳感器具有高靈敏度、快速響應(yīng)時(shí)間、良好穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者在材料制備、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及工藝選擇方面作了大量研究。基于不同結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器示意圖如圖1所示。不同原理的柔性壓力傳感技術(shù)特點(diǎn)如表1所示。

圖1 基于不同結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器示意圖

表1 不同原理的柔性壓力傳感技術(shù)特點(diǎn)

2 壓阻式柔性傳感技術(shù)

壓阻式傳感器受到外界壓力時(shí)會(huì)導(dǎo)致壓阻材料發(fā)生形變，使得材料間的接觸面積發(fā)生改變，從而引起電阻的變化。通過測(cè)量電阻可知傳感器所受外界壓力大小。大量研究表明，材料表面采用微納結(jié)構(gòu)，可以有效改善傳感器靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、最小檢測(cè)極限等性能。

為了能夠靈敏地感知微小壓力變化，Choong等通過在聚二甲基硅氧烷(poly dimethyl siloxane,PDMS)表面加工金字塔微結(jié)構(gòu)，極大地增加了受外力后的電極幾何形變程度，從而有效地提高了傳感器的靈敏度[1]。基于PDMS彈性體良好的拉伸性，所制作的傳感器比傳統(tǒng)的可拉伸器件具有更高的伸展率。當(dāng)伸長(zhǎng)量為40%時(shí)，傳感器靈敏度可以達(dá)到10.3 kPa-1，能夠靈敏地感知23 Pa的微小壓力，可以捕捉到人體脈搏波中的關(guān)鍵信息。金字塔微結(jié)構(gòu)壓阻式傳感器及其監(jiān)測(cè)橈動(dòng)脈脈搏如圖2所示。Wong等展示了一種新穎而低成本的傳感器制作方法，基于簡(jiǎn)單的膠體自組裝和薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)，制作了具有微球結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器[2]。通過優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)的特征尺寸獲得最佳靈敏度(10 kPa-1)，最小檢測(cè)極限為4 Pa，所制作的傳感器可檢測(cè)人體頸部脈搏，在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

受人體毛發(fā)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究學(xué)者制作了基于微柱/納米柱結(jié)構(gòu)的壓阻式傳感器。韓國(guó)首爾大學(xué)Pang等采用PDMS納米線微結(jié)構(gòu)制作的柔性壓阻式傳感器[3]，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、剪切力和扭轉(zhuǎn)力的同時(shí)檢測(cè)，最小可檢測(cè)壓力極限為5 Pa。互鎖納米柱結(jié)構(gòu)壓阻傳感器及其監(jiān)測(cè)腕部脈搏如圖3所示。該傳感器能夠監(jiān)測(cè)人體腕部脈搏以及識(shí)別水滴掉落時(shí)傳感器表面的壓力變化。

此外，受自然微生物獨(dú)特功能結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究學(xué)者將自然界中特有的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于柔性壓力傳感器中，構(gòu)建了具有良好傳感性能的柔性器件。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所孫靜團(tuán)隊(duì)制作了帶有香蕉葉片表面微結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器[4]，仿香蕉葉片結(jié)構(gòu)壓阻式傳感器及其監(jiān)測(cè)人體脈搏如圖4所示。其靈敏度為10 kPa-1(<400 Pa)，可實(shí)現(xiàn)非接觸式語音識(shí)別，以及對(duì)人體呼吸氣流、脈搏和肌肉運(yùn)動(dòng)等生理信號(hào)的監(jiān)測(cè)。類似地，Liu等通過將玫瑰花瓣表面的微觀結(jié)構(gòu)復(fù)制并引入至PDMS材料表面[5]，有效地提高了傳感器靈敏度、縮短了響應(yīng)時(shí)間。

該傳感器具有1.35 kPa-1的靈敏度，最低檢測(cè)極限小于2 Pa，可用于監(jiān)測(cè)人體脈搏信號(hào)和說話時(shí)的肌肉運(yùn)動(dòng)信號(hào)。

圖2 金字塔微結(jié)構(gòu)壓阻式傳感器及其監(jiān)測(cè)橈動(dòng)脈脈搏圖

圖3 互鎖納米柱結(jié)構(gòu)壓阻傳感器及其監(jiān)測(cè)腕部脈搏圖

盡管不同結(jié)構(gòu)的柔性薄膜壓力傳感器被廣泛應(yīng)用于電子皮膚、醫(yī)療監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，但要實(shí)現(xiàn)與日常穿戴衣物的無縫融合，仍然具有一定難度。隨著電子技術(shù)、生物科技等高新技術(shù)領(lǐng)域與紡織材料領(lǐng)域的不斷融合與發(fā)展，智能紡織物逐漸應(yīng)用到家庭保健、健康監(jiān)測(cè)、航空等多個(gè)領(lǐng)域，目前已成為研究學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

中國(guó)科學(xué)院外籍院士王中林課題組研制了大面積全織物壓阻式傳感器[6]。該傳感器由織物基底表面的交叉電極和涂覆有碳納米管的棉織物組合制成。仿玫瑰花瓣微結(jié)構(gòu)壓阻式傳感器及其監(jiān)測(cè)橈動(dòng)脈脈搏如圖5所示。

圖4 仿香蕉葉片結(jié)構(gòu)壓阻式傳感器及其監(jiān)測(cè)人體脈搏圖

圖5 仿玫瑰花瓣微結(jié)構(gòu)壓阻式傳感器及其監(jiān)測(cè)橈動(dòng)脈脈搏圖

仿玫瑰花瓣微結(jié)構(gòu)壓阻式傳感器具有高靈敏度(1.35 kPa-1)和低探測(cè)極限(2 Pa)。該織物壓力傳感器具有良好的舒適性和透氣性，可用于手指運(yùn)動(dòng)識(shí)別、多種手勢(shì)識(shí)別、說話時(shí)的聲音振動(dòng)信號(hào)以及人體脈搏信號(hào)監(jiān)測(cè)，在可穿戴應(yīng)用方面有著廣闊的應(yīng)用前景。香港中文大學(xué)趙鈮團(tuán)隊(duì)通過在針織面料中加入炭黑和聚偏二氟乙烯材料，并采用交叉編織的導(dǎo)電尼龍纖維，制作了具有低響應(yīng)誤差的壓阻式織物傳感器[7]，成功地解決了織物傳感器存在的因彈性變形能力較差而導(dǎo)致輸出響應(yīng)滯后的問題。該織物傳感器可用于顳上動(dòng)脈脈搏的監(jiān)測(cè)，以獲得脈搏波傳導(dǎo)速度。

碳納米管涂覆的織物傳感器及其監(jiān)測(cè)橈動(dòng)脈脈搏如圖6所示。

圖6 碳納米管涂覆的織物傳感器及其監(jiān)測(cè)橈動(dòng)脈脈搏圖

3 電容式柔性傳感技術(shù)

電容式傳感器是一種利用電容元器件將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成與之成一定關(guān)系的電信號(hào)輸出的電子元件，通常由兩個(gè)平行極板和電介質(zhì)組成。研究學(xué)者采用微加工方式在電介質(zhì)材料表面制作微納結(jié)構(gòu)，使得電容式傳感器兩極板間距減小、相對(duì)面積增大，以期在同等的壓力下獲得較大的電容變化率，從而提高傳感器靈敏度。

美國(guó)著名工程院院士鮑哲南課題組于2013年提出了具有高靈敏度的柔性壓敏有機(jī)薄膜晶體管[8]。金字塔微結(jié)構(gòu)制作的有機(jī)薄膜晶體管及其監(jiān)測(cè)橈動(dòng)脈脈搏如圖7所示。

圖7 金字塔微結(jié)構(gòu)制作的有機(jī)薄膜晶體管及其監(jiān)測(cè)橈動(dòng)脈脈搏圖

利用光刻法在PDMS電介質(zhì)表面加工金字塔微結(jié)構(gòu)。當(dāng)外界壓力施加在傳感器表面時(shí)，PDMS電介質(zhì)層的厚度和介電性會(huì)隨之發(fā)生變化。通過對(duì)微結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化獲得了最佳微結(jié)構(gòu)制作方案，所制作的傳感器靈敏度可達(dá)8.4 kPa-1，響應(yīng)時(shí)間不超過10 ms，在無創(chuàng)、高保真以及連續(xù)監(jiān)測(cè)橈動(dòng)脈脈搏信號(hào)方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。受自然界毛發(fā)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，Bao等將金字塔微結(jié)構(gòu)修飾的PDMS電介質(zhì)層與微柱結(jié)構(gòu)修飾的粘附層相結(jié)合，制備了高靈敏度和高柔韌性的柔性電容式壓力傳感器[9]。通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，在長(zhǎng)徑比為10時(shí)，以此制作而成的傳感器具有最佳的靈敏度(0.58 kPa-1)。該傳感器能成功捕捉到微弱的靜脈脈搏信號(hào)的細(xì)節(jié)信息，為判斷被測(cè)者是否患有心血管疾病提供了依據(jù)，對(duì)心血管健康狀況評(píng)估具有一定的參考價(jià)值。中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院魏大鵬團(tuán)隊(duì)通過對(duì)現(xiàn)有的金字塔微結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析和調(diào)控，研制了由微柱結(jié)構(gòu)修飾的石墨烯電極和金字塔微結(jié)構(gòu)修飾的PDMS介電層組成的電容式壓力傳感器[10]。研究結(jié)果表明，所制作的傳感器靈敏度為2.3 kPa-1。該傳感器可被應(yīng)用于人體腕部脈搏信號(hào)的監(jiān)測(cè)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)郭傳飛團(tuán)隊(duì)利用光刻法制備的“三明治”結(jié)構(gòu)的柔性電容式傳感器[11]，由高徑比為5∶1的PDMS微柱介電層、離子凝膠薄膜介電層等組成，其靈敏度高達(dá)33.16 kPa-1，檢測(cè)極限低至3.1 Pa，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)和人體橈動(dòng)脈、頸動(dòng)脈部位脈搏信號(hào)的捕捉。通過提取波形中的特征點(diǎn)并計(jì)算心血管參數(shù)，以評(píng)價(jià)被測(cè)者的心血管健康狀況。

金字塔與微柱結(jié)構(gòu)結(jié)合的柔性電容式傳感器及其人體健康監(jiān)測(cè)如圖8所示。

圖8 金字塔與微柱結(jié)構(gòu)結(jié)合的柔性電容式傳感器及其人體健康監(jiān)測(cè)圖

此外，受自然界微生物的啟發(fā)，Wan等以荷葉為模板，在PDMS柔性基底表面制作了仿荷葉的微圖案[12]?；诤扇~微結(jié)構(gòu)的電容式壓力傳感器及其信號(hào)如圖9所示。測(cè)試結(jié)果表明，傳感器靈敏度為1.2 kPa-1，檢測(cè)極限可低至0.8 Pa，在智能人機(jī)交互、健康監(jiān)測(cè)以及人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用方面具有很好的應(yīng)用前景。

圖9 基于荷葉微結(jié)構(gòu)的電容式壓力傳感器及其信號(hào)圖

4 壓電式柔性傳感技術(shù)

壓電式傳感器是基于壓電效應(yīng)進(jìn)行機(jī)-電轉(zhuǎn)換的電子器件。其壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷，可用于測(cè)量力或其他可轉(zhuǎn)換為電的非電物理量，適用于檢測(cè)動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)的變化。

人體皮膚由獨(dú)特的表皮層、真皮層以及感受體組成。受人體皮膚內(nèi)部表皮層與真皮層之間的互鎖式微結(jié)構(gòu)啟發(fā)，Park等人通過在聚偏氟乙烯(poly vinyli dene fluoride,PVDF)和還原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,RGO)組成的鐵電聚合物材料中采用仿指紋表皮圖案和互鎖式微結(jié)構(gòu)，制作了多功能柔性電子皮膚[13]?；ユi式陣列微結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器及其脈搏監(jiān)測(cè)如圖10所示。

圖10 互鎖式陣列微結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器及其脈搏監(jiān)測(cè)圖

采用壓電、壓阻和鐵電材料制作而成的傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)態(tài)力、靜態(tài)力和溫度的靈敏檢測(cè)，在低壓力區(qū)域范圍內(nèi)，其靈敏度可達(dá)35 μA·Pa-1，最小靜態(tài)壓力檢測(cè)極限可達(dá)到0.6 Pa，動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)極限介于0.6～2.2 Pa之間。Chu等利用具有高效壓電效應(yīng)的高分子聚合物制備了基于“三明治”結(jié)構(gòu)的壓電復(fù)合體[14]，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人體橈動(dòng)脈處的脈搏信號(hào)。三明治結(jié)構(gòu)的壓電復(fù)合體監(jiān)測(cè)人體橈動(dòng)脈信號(hào)如圖11所示。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，該復(fù)合體結(jié)構(gòu)靈敏度為32.6 nA·kPa-1，響應(yīng)時(shí)間為18.6 ms，可用于人體常見心血管疾病(如心率失常)的診斷。利用傳感器陣列可同時(shí)采集人體寸關(guān)尺三個(gè)部位的脈搏信號(hào)，在可穿戴人體健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖11 三明治結(jié)構(gòu)的壓電復(fù)合體監(jiān)測(cè)人體橈動(dòng)脈信號(hào)圖

5 摩擦起電式柔性壓力傳感技術(shù)

摩擦起電式柔性壓力傳感器基于摩擦起電和靜電感應(yīng)原理制成。當(dāng)兩種不同的摩擦材料相互接觸時(shí)，由于二者對(duì)電子吸引能力不同，一種得電子能力較強(qiáng)，其表面匯聚有負(fù)電荷；而另一種材料易失電子則表面帶有正電荷，從而形成電勢(shì)差，導(dǎo)致電子經(jīng)由外部電路流動(dòng)形成電流。當(dāng)外部作用力撤去時(shí)，為保持靜電平衡，電子通過外部電路反向流動(dòng)，二者恢復(fù)至初始狀態(tài)。當(dāng)外力反復(fù)不斷作用時(shí)，便可把微小的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。摩擦起電式柔性壓力傳感器工作模式主要包括四種，即接觸-分離式、滑動(dòng)式、單電極式和獨(dú)立式[15]。由于摩擦起電效應(yīng)的傳感器具有材料選擇范圍廣、低成本、質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于可穿戴技術(shù)中。

人耳鼓膜是一種很薄的膜性組織，其能在聲音的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生振動(dòng)，并將這種振動(dòng)傳遞到與之相連的聽骨鏈，從而使人們可以聽到較寬頻率范圍內(nèi)的聲音信號(hào)。受此啟發(fā)，Yang等制作了一種仿人耳鼓膜結(jié)構(gòu)的薄膜壓力傳感器[16]。仿人耳鼓膜結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器及其監(jiān)測(cè)人體不同部位脈搏信號(hào)如圖12所示。通過中心帶有凸點(diǎn)和周圍張緊膜相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳感器靈敏度高達(dá)51 mV·Pa-1，最小壓力檢測(cè)極限低至2.5 Pa，可以響應(yīng)頻率范圍在0.1～3.2 kHz頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)。該傳感器不僅可以清晰地捕捉到人體橈動(dòng)脈、頸動(dòng)脈和心臟跳動(dòng)時(shí)的低頻信號(hào)，還能夠檢測(cè)并還原高頻聲音信號(hào)，在可穿戴電子產(chǎn)品、醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

圖12 仿人耳鼓膜結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器及其監(jiān)測(cè)人體不同部位脈搏信號(hào)圖

此外，受生物葉脈結(jié)構(gòu)啟發(fā)，Sun等將銀納米線制作在葉脈結(jié)構(gòu)中，獲得了葉脈狀電極[17]。仿葉脈結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)心率如圖13所示。葉脈骨架不僅可以重復(fù)使用，而且對(duì)環(huán)境友好，易于加工。葉脈骨架的應(yīng)用使得傳感器具有制作成本低及高透射率(99%)的優(yōu)勢(shì)。將該傳感器貼附在人體不同部位，能實(shí)現(xiàn)對(duì)人體脈搏、呼吸和吞咽動(dòng)作信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖13 仿葉脈結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)心率圖

受傳統(tǒng)編織結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，Meng等制作了基于編織結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器[18]。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器用于人體健康監(jiān)測(cè)如圖14所示。其中間層采用橫縱交叉的聚四氟乙烯(poly tetra fluoro ethylene，PTFE)條帶編織而成。該結(jié)構(gòu)使得傳感器具有較強(qiáng)的彈性形變能力和較寬的工作壓力范圍，所制作的傳感器靈敏度為45.7 mV·Pa-1，最小可檢測(cè)壓力極限為2.5 Pa，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體指腹部位、橈動(dòng)脈、肱動(dòng)脈和腳踝部位脈搏信號(hào)的清晰捕捉；利用雙通道對(duì)兩路脈搏信號(hào)進(jìn)行了同時(shí)監(jiān)測(cè)，基于兩路脈搏信號(hào)計(jì)算脈搏波傳導(dǎo)速度，從而建立了血壓估計(jì)模型，并與歐姆龍電子血壓計(jì)進(jìn)行對(duì)比，具有較高的準(zhǔn)確性。隨后，該課題組受人體皮膚組織結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研究了基于納米半球結(jié)構(gòu)的指腹按壓式脈搏傳感器[19]。通過在高分子聚合物表面加工納米半球結(jié)構(gòu)，有效地提高了傳感器靈敏度，靈敏度為49.8 mV·Pa-1。將該傳感器貼附在生活中軟質(zhì)(枕頭、皮膚)或硬質(zhì)(手機(jī)、計(jì)算機(jī)、桌子)的常用物體表面，均可清晰地監(jiān)測(cè)人體脈搏信號(hào)。此外，其能靈敏地捕捉不同指腹按壓力度下以及不同手指的指腹脈搏信號(hào)。

圖14 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器用于人體健康監(jiān)測(cè)圖

以上幾種基于摩擦起電效應(yīng)的薄膜壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)心血管系統(tǒng)健康參數(shù)(AIx、RI、PWV和血壓)的監(jiān)測(cè)。然而，以上幾種傳感器在透氣性和舒適性方面仍有待改進(jìn)，長(zhǎng)期使用可能會(huì)使佩戴者皮膚不適。在這種情況下，如何同時(shí)保證可穿戴電子的傳感性能和舒適性，未來還需要對(duì)材料和結(jié)構(gòu)作深入研究。針對(duì)上述問題，Wen等研究了一種多功能全織物壓力傳感器[20]。畦編結(jié)構(gòu)織物壓力傳感器及其監(jiān)測(cè)人體脈搏和呼吸如圖15所示。

圖15 畦編結(jié)構(gòu)織物壓力傳感器及其監(jiān)測(cè)人體脈搏和呼吸圖

畦編結(jié)構(gòu)織物壓力傳感器具有可工業(yè)化批量編織、耐機(jī)洗、重復(fù)使用、高靈敏度傳感和穿戴舒適等性能。以自主制備的導(dǎo)電和尼龍紗線為傳感織物材料，全織物傳感器的靈敏度為7.84 mV·Pa-1。該織物傳感器可獨(dú)立編織成頸帶、護(hù)腕、襪子和手套，可對(duì)脖子、手腕、腳踝和手指等不同身體部位處的脈搏進(jìn)行監(jiān)測(cè)；同時(shí)，它也可以方便、輕松地和衣物編織在一起，形成具有傳感功能的智能服裝，用于呼吸和脈搏的多功能傳感。這兩類重要生理信號(hào)的監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)睡眠呼吸暫停綜合癥和心血管疾病的實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，在實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療、治未病方面有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié)論

柔性壓力傳感技術(shù)作為一種新興的電子技術(shù)，由于其具有柔軟易拉伸、人機(jī)友好、靈敏度高等特點(diǎn)，在可穿戴智能設(shè)備、電子皮膚、人機(jī)交互等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。本文綜述了近年來基于不同原理和不同結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感技術(shù)的最新進(jìn)展，列舉了目前用于柔性壓力傳感技術(shù)的主要結(jié)構(gòu)(微觀和宏觀)。其中，微觀結(jié)構(gòu)包括微柱、金字塔結(jié)構(gòu)、仿生微結(jié)構(gòu)、納米半球、納米線等，宏觀結(jié)構(gòu)包括編織結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)、畦編結(jié)構(gòu)等。大量試驗(yàn)結(jié)果證明，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化可以顯著提高傳感器靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性等。

盡管柔性壓力傳感技術(shù)的研究取得了較大的進(jìn)展，但是為了使其能夠廣泛地應(yīng)用到人們的日常生活中，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，柔性傳感器技術(shù)還面臨著許多挑戰(zhàn)。例如如何使得傳感器兼具高靈敏度、良好的穩(wěn)定性、優(yōu)異的抗干擾能力以及不同場(chǎng)景的良好適應(yīng)能力等；所制作的傳感器應(yīng)具備良好的舒適性、透氣性，可滿足人們長(zhǎng)時(shí)間佩戴監(jiān)測(cè)人體健康狀況的需求。此外，在材料的選取、傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、工藝的改進(jìn)以及環(huán)保方面需重點(diǎn)研究，使可穿戴柔性壓力傳感器真正走入百姓的日常生活。