柔性傳感器研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

李仲豪 鄭富中

1. 四川輕化工大學(xué)，四川省自貢市 643000；2. 成都信息工程大學(xué)，四川省成都市 610225

0 前言

柔性傳感器是指用柔性材料制成的傳感器，具有良好的柔韌性、延展性，可自由彎曲或者折疊，且結(jié)構(gòu)形式靈活多樣。柔性傳感器的靈敏度高、靈活性好、穩(wěn)定性好，是檢測人體生物學(xué)信號(hào)、運(yùn)動(dòng)和環(huán)境的理想選擇[1-2]。同時(shí)，柔性傳感器在彎曲和伸展下表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性和響應(yīng)性，在可穿戴電子器件和智能機(jī)器人領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而受到關(guān)注[3-9]。例如，在醫(yī)療領(lǐng)域的柔性可穿戴設(shè)備的核心部件就是柔性傳感器[10]，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測病人的健康狀況，其隱形效果還可以減少病人對(duì)監(jiān)測儀器的抗拒[11]；在智能機(jī)器人領(lǐng)域，主要是電子皮膚的應(yīng)用，除了擁有強(qiáng)大的信息采集功能，還能讓機(jī)器人皮膚的仿真效果更佳[12]。柔性傳感器是現(xiàn)代柔性電子產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分，能夠?qū)⑼饨绲钠渌盘?hào)（如機(jī)械形變）轉(zhuǎn)換為可直接測量的電信號(hào)。根據(jù)其機(jī)理可以分為壓電型[13]、電阻型[14]、電容型[15-16]和其它類型（摩擦發(fā)電型[17-19]、有機(jī)場效應(yīng)管[20]），當(dāng)外界施加的壓力發(fā)生改變時(shí)，柔性傳感器的阻值、電容值或者電壓值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)是否需要進(jìn)行物理連接分為接觸式和非接觸式傳感器，接觸式的傳感器主要是傳統(tǒng)的傳感器，通過一些物理的觸碰和接觸，引起自身的形變，從而引發(fā)電信號(hào)的變化；非接觸式傳感器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離讀取，采集被測物體的信息，達(dá)到非物理接觸采集信息的功能。

隨著材料科學(xué)、制造技術(shù)、電子與信號(hào)處理、微型能量收集、無線通信、人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展，人們對(duì)柔性傳感器的性能有了更高的要求，對(duì)基底材料的研究也受到更多的關(guān)注。無論是復(fù)刻含羞草[21]或香蕉葉[22]表面處理技術(shù)，還是利用修飾碳納米管[23]和還原氧化石墨烯[24]等結(jié)構(gòu)微調(diào)技術(shù)，都使得柔性傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性、可測量閾值等性能大大提高。

1 柔性傳感器的種類及性能

隨著柔性電子技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域受到更多的關(guān)注度，柔性傳感器的研制水平也得到了極大的提升，各種基底材料、形態(tài)、制造技巧和方法也開始被研究發(fā)現(xiàn)，以此滿足各種應(yīng)用場景的使用和要求。柔性傳感器根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)理主要分為3大類：電容式、電阻式、壓電式，如圖1所示。根據(jù)是否進(jìn)行物理接觸或連接可以分為接觸式和非接觸式。

1.1 電阻式柔性傳感器

電阻式柔性傳感器的工作原理是把外界施加的壓力值轉(zhuǎn)化為電阻或者電流值的器件。根據(jù)其工作原理的不同分為應(yīng)變式和壓阻式兩種不同的類型。

應(yīng)變式柔性傳感器受到外界壓力被拉伸或者壓縮時(shí)（即產(chǎn)生機(jī)械形變時(shí)），導(dǎo)體的橫截面積變化，導(dǎo)電的區(qū)域也發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻發(fā)生變化[25]。壓阻式柔性傳感器是基于壓阻效應(yīng)的傳感器，當(dāng)受到外界壓力作用時(shí)，導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率會(huì)隨著自身的一些微小改變而發(fā)生變化[26]。

電阻式柔性傳感器的靈敏度（SR）計(jì)算公式如下所示：

其中，R0、R——受到外界壓力前后的電阻；

P——外力的大小，

δ——介質(zhì)的電導(dǎo)率。

1.2 壓電式柔性傳感器

壓電式柔性傳感器是基于壓電材料的壓電效應(yīng)的原理而設(shè)計(jì)的傳感器。所謂壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在受到某一方向的外力作用而發(fā)生形變（包括彎曲和伸縮形變）時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷。當(dāng)外力撤去后，電介質(zhì)又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變，電介質(zhì)受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。在此過程中，通過電流的大小可以計(jì)算外力的大小。壓電式壓力傳感器的靈敏度（SI）計(jì)算公式如下所示：

其中，I0、I——受到外界壓力前后的電流值。

1.3 電容式柔性傳感器

電容式柔性傳感器受到外界壓力時(shí)，電極板間的電容值會(huì)發(fā)生變化，從而引起其他電信號(hào)的變化，可以通過測量電信號(hào)的變化計(jì)算出外力的大小。一般電容式柔性傳感器是在柔性電極中間加上一層具有微結(jié)構(gòu)的介質(zhì)材料，介質(zhì)層在受到外界壓力作用下，微結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生比較明顯的變化，引起介質(zhì)材料的介電特性發(fā)生變化，導(dǎo)致電容值產(chǎn)生較為明顯的變化[27]。電容式柔性傳感器一般通過改變介質(zhì)層的材料或進(jìn)行相關(guān)的結(jié)構(gòu)修飾，再或者將柔性基底與高介電常數(shù)的物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合，來提高靈敏度[28]。

電容式柔性傳感器的靈敏度（SC）計(jì)算公式如下所示：

其中，C0、C——受到外界壓力前后的電容值。

1.4 接觸式和非接觸式柔性傳感器

接觸式和非接觸式柔性傳感器區(qū)別不在于采集信號(hào)轉(zhuǎn)換的機(jī)理，而是看信號(hào)采集過程中信號(hào)識(shí)別與處理單元與被測物是否有物理接觸，它們的機(jī)理可能仍然是電容式、電阻式、電壓式中的一種，也可能是利用光譜平移的思想或其它物理量的變化。

接觸式柔性傳感器主要通過物理接觸引起自身的形變，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變以及壓力的傳感，獲取需要被采集的信息，只能在離散位置和特定路線上進(jìn)行監(jiān)控，而且小尺度應(yīng)變的測量能力有限。

非接觸式的柔性傳感器目前主要利用某些納米材料（如碳納米管、石墨烯）原子結(jié)構(gòu)表面上的電子性質(zhì)，或者利用高分辨率光學(xué)傳感器，不僅可以實(shí)現(xiàn)較高的空間分辨率和靈敏度，還可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的全場傳感，從而有效提高監(jiān)測與監(jiān)控結(jié)構(gòu)的全面性和連續(xù)性。目前，雖然非接觸式傳感器研究受到了關(guān)注，但發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如接觸式傳感器，對(duì)于其機(jī)理和基底材料還缺乏系統(tǒng)和深入的研究。

2 柔性傳感器的發(fā)展及前沿技術(shù)

2.1 柔性傳感器的發(fā)展

柔性傳感器的研究始于上個(gè)世紀(jì)四十年代左右，由于受科研條件的限制以及需求不高，發(fā)展并不理想。隨著近幾十年科技與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種制造技術(shù)也進(jìn)入了高速發(fā)展，關(guān)于柔性傳感器的文獻(xiàn)、參考資料也越來越具有價(jià)值，國內(nèi)外研究者們從身邊的事物得到設(shè)計(jì)制造的靈感，例如自然界的物體（花瓣、葉片等）、仿生的物體（電子皮膚，褶皺等）、多孔結(jié)構(gòu)、紙張等各種各樣的材料，完成各類柔性傳感器的設(shè)計(jì)。

2.2 模仿植物的柔性傳感

在最近幾年的研究中，利用大自然中部分植物的葉片或花瓣作為基底材料的模板，結(jié)合一些現(xiàn)代的工藝技術(shù)，如石墨烯沉積、金屬的濺射、圖案化PDMS（Polydimethylsiloxane），制備柔性電極。達(dá)到柔性傳感器的高性能、高穩(wěn)定性、高靈敏度，同時(shí)降低了成本，實(shí)現(xiàn)了綠色制造。SU B等[21]在含羞草表面發(fā)現(xiàn)非常細(xì)小的微凸結(jié)構(gòu)，便利用圖案化PDMS工藝技術(shù)復(fù)制其表面結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過金屬濺射的處理后封裝為電阻式柔性壓力傳感器。隨后幾年，NIE P等[22]用同樣的方法得到了香蕉葉表面結(jié)構(gòu)，測試發(fā)現(xiàn)，該柔性傳感器具有更高的柔性和靈敏度。除此之外，還有玫瑰花花瓣[29]和荷葉[30]等植物表面結(jié)構(gòu)也被加工為具有不同傳感功能的敏感介質(zhì)基底，使得柔性傳感器既具備高閾值、高穩(wěn)定性、高靈敏度，同時(shí)還降低了成本，實(shí)現(xiàn)了綠色制造，如圖2所示。

2.3 模仿動(dòng)物的柔性傳感

電子皮膚是柔性傳感器在現(xiàn)代智能機(jī)器人領(lǐng)域中的一個(gè)重要應(yīng)用，之所以被稱為電子皮膚，是因?yàn)樗梢阅M實(shí)現(xiàn)人類皮膚的功能，比如觸覺、感應(yīng)溫度和濕度等。PARK J[31]等制備出具有互鎖結(jié)構(gòu)的基底材料，其原理是采用聚偏二氟乙烯（PVDF）附著在還原氧化石墨烯（rGO），研究出一種新的柔性傳感器材料，實(shí)現(xiàn)了“皮膚”的功能。WAN等[12]設(shè)計(jì)的柔性傳感器是用柔性鐵電駐極體納米發(fā)電機(jī)作為感受器，用人工突觸處理感受器產(chǎn)生的動(dòng)作電位，傳遞給中樞，從而實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。SHIT A等[32]還研制出一種功能相同，但可以通過太陽能自身供電的柔性電子皮膚，這樣既保證了傳感器的續(xù)航能力，又提高了信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。CHOU H H等[33]研制出了一種可以拉伸的柔性電子皮膚，當(dāng)受到不同的外力時(shí)，它的顏色發(fā)生相應(yīng)的變化，這樣就可以區(qū)分不同的信號(hào)。GRAY D S等[34]研制出一種導(dǎo)電拉伸褶皺結(jié)構(gòu)，在外力的作用下，褶皺結(jié)構(gòu)的拉伸會(huì)引起周期變化，傳遞所采集的信號(hào)。

2.4 多孔結(jié)構(gòu)及其它的柔性傳感

多孔結(jié)構(gòu)也是柔性傳感器中一個(gè)重要的設(shè)計(jì)方案，具有優(yōu)異的機(jī)械柔韌性和表面負(fù)載能力，以及超低的彈性模量等優(yōu)點(diǎn)，更加的契合柔性傳感器。YAO H B等[35]研制出一種多孔結(jié)構(gòu)的高靈敏度柔性傳感器，在基底材料上涂抹氧化還原石墨烯之后，進(jìn)行水熱處理后再壓縮，制備出多孔結(jié)構(gòu)，具有密度小且彈性好的優(yōu)點(diǎn)。CHEN Q等[36]采用PDM 3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)三級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的制備，再加入納米材料當(dāng)做填料，制備出柔性傳感器，質(zhì)量輕且負(fù)重優(yōu)良（能夠負(fù)載自身20,000倍的質(zhì)量）。2020年，LI Y等[37]研制出一種柔性材料，主要以旋涂銀納米線或其他納米材料制備出柔性材料，在受到力時(shí)，其中的多孔結(jié)構(gòu)使得接觸面積增加，電阻減小，進(jìn)一步提高了柔性傳感器的靈敏度。

除了多孔結(jié)構(gòu)，還有很多其他結(jié)構(gòu)類型的柔性傳感器。紙的微結(jié)構(gòu)表面纖維交錯(cuò)，而且凹凸不平，存在大量的空隙，這也給柔性傳感器的基底材料提供了思路。GONG S等[38]將金屬納米線與紙巾結(jié)合，制備了可以測量壓力以及應(yīng)變的紙基傳感器，雖然靈敏度稍有不足，但柔性特征使該傳感器更適用于各種環(huán)境。TAO L Q[39]等將氧化石墨烯的溶液涂覆到紙張之上，制備出一種高性能的柔性傳感器，完成了高靈敏的監(jiān)測，并成功運(yùn)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，且優(yōu)勢(shì)十分明顯。潘泰松等[40]研究者設(shè)計(jì)制備了基于無機(jī)氧化物薄膜的柔性傳感器，通過轉(zhuǎn)印技術(shù)，利用VO2薄膜的具有臨界溫度區(qū)間的特點(diǎn)，提高了溫度傳感器的靈敏度。

2.5 柔性傳感器的前沿技術(shù)

當(dāng)柔性傳感器受到關(guān)注時(shí)，研制出柔性傳感器的基底材料也就多種多樣，當(dāng)前較為先進(jìn)的柔性傳感器主要采用的是還原氧化石墨烯（rGO）和碳納米管（CNT）。制備電子核心器件最常見的就是碳材料，主要是因?yàn)槠涞统杀?、高比表面積等優(yōu)點(diǎn)，而其中石墨烯的結(jié)構(gòu)是單原子2D結(jié)構(gòu)，是碳材料中較為特殊的一種，具有優(yōu)良的導(dǎo)電率和穩(wěn)定性，但是它有重新堆疊回石墨的可能，容易團(tuán)聚。Hummer's方法[41]制得碳納米管的結(jié)構(gòu)是一維結(jié)構(gòu)，由于成功制備出氧化還原石墨烯，不僅利用了石墨烯的優(yōu)良特性，同時(shí)也解決了一些影響基底材料的缺點(diǎn)，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)擁有許多優(yōu)異的特性，尤其是力電特性[20]。

2016年，AL-SAYGH A等[42]研制了新型納米復(fù)合材料壓力傳感器，采用水熱法合成二氧化鈦納米層，通過簡單的溶液混合將增強(qiáng)聚偏氟乙烯與氧化還原石墨烯形成一種復(fù)合材料，使得柔性傳感器的靈敏度大大提高。2017年，XUAN X等[43]提出并制造了一種微型化、柔性、完全集成的電化學(xué)傳感器，該傳感器由還原氧化石墨烯以及碳納米管復(fù)合制成工作電極，通過增加電極表面積來提高傳感器的性能。2018年，XU M等[44]研究者提出并開發(fā)了一種基于還原氧化石墨烯的三維微結(jié)構(gòu)的方法，僅僅改變還原氧化石墨烯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)就可以調(diào)整電導(dǎo)率和機(jī)械彈性，在10 kPa線性區(qū)域顯示出高靈敏度。2019年，JI W等[45]將全氟磺酸和還原氧化石墨烯包裹到碳化絲織物中制成有機(jī)化學(xué)晶體管傳感器，可以有效地提高電極的電導(dǎo)率，為制造高性能、低成本的柔性有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT）傳感器提供了方案。HOSSEINDOKHT Z等[46]設(shè)計(jì)制造了一種基于還原氧化石墨烯周期結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器，經(jīng)過卡普頓表面沉積，激光輻射進(jìn)行處理，使得傳感器可接受響應(yīng)的范圍大大增加。

2015年，中科院研究所[47]圍繞碳納米管和還原氧化石墨烯，在非接觸式柔性傳感器上取得進(jìn)展，提出通過液體表面張力在氣液界面剝離的方法，并對(duì)剝離的溶液進(jìn)行不斷地調(diào)整，制備出高質(zhì)量的還原氧化石墨烯薄膜，從界面化學(xué)角度分析其剝離、組裝、形成機(jī)理，并成功運(yùn)用于非接觸式柔性傳感器器件，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、寬范圍、高穩(wěn)定性等優(yōu)異的特性。2016年，SUN P等[48]提出了基于單壁碳納米管的光學(xué)特性的非接觸式柔性傳感器，在這種應(yīng)變傳感智能皮膚（簡稱“S4”技術(shù)）方法中，碳管被稀釋的嵌入應(yīng)用到基底的聚合物薄膜中，可以在涂層表面的任何一點(diǎn)找到應(yīng)變大小和方向，更精確地分析應(yīng)變特征，制作過程如圖3所示。嚴(yán)家興[49]在研究中提出并制備了基于還原氧化石墨烯的柔性非接觸式的距離傳感器，該方法首先采用靜電自組裝將聚甲基丙烯甲酯膠乳與還原氧化石墨烯復(fù)合，得到了可穩(wěn)定分散的復(fù)合乳膠，再將聚丙烯酸正丁酯膠乳混合，經(jīng)過烘干等處理成薄膜，該膜連接電極后形成電容式柔性傳感器，具有高穩(wěn)定性和靈敏度。

3 柔性傳感器的應(yīng)用

3.1 柔性傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)代社會(huì)中，人們生活水平的提高對(duì)健康也越來越重視，許多人都受到了慢性疾病的困擾，尤其是老年人居多，如高血壓、糖尿病、高血脂等?，F(xiàn)在監(jiān)測方法是患者定時(shí)到醫(yī)院進(jìn)行體檢，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行藥物的調(diào)整，這種方法較為費(fèi)時(shí)費(fèi)力。近年來，隨著柔性電子傳感器的發(fā)展，越來越多的柔性傳感器應(yīng)用到可穿戴設(shè)備中，可以對(duì)生命體征的監(jiān)測、生物電的監(jiān)測（如心電、肌電、腦電）、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測等生理指標(biāo)做到實(shí)時(shí)監(jiān)測。還有，一些病人喪失語言功能，在喉管中植入微型傳感器，可以幫助病人重新發(fā)出聲音，如圖4所示。當(dāng)柔性電子設(shè)備安裝在截肢患者的假肢上，這樣的假肢不僅有運(yùn)動(dòng)功能，還具有運(yùn)動(dòng)監(jiān)測功能。

3.2 柔性傳感器在智能機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著科技的發(fā)展，智能機(jī)器人應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，特別是在一些高風(fēng)險(xiǎn)和高精度的環(huán)境，就需要人機(jī)交互來完成任務(wù)。人機(jī)交互一般都是將傳感器在人體某部位收集的信號(hào)傳輸給被控制的機(jī)械設(shè)備，使得機(jī)械設(shè)備完成我們期望完成的工作。這些柔性傳感器通常安裝在關(guān)節(jié)處（手指、手腕、膝蓋），可以準(zhǔn)確地采集所需要的信息。柔性傳感器因其特殊的性質(zhì)，可以更好地模仿人類的皮膚，實(shí)現(xiàn)各種信息交互的同時(shí)，還能使得其外觀更加的逼真。

3.3 柔性傳感器在其它領(lǐng)域的應(yīng)用

除了上面的一些應(yīng)用，航天領(lǐng)域上也有柔性傳感器的使用，宇航服是宇航員的生命保證，需要對(duì)環(huán)境和生命體征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，反饋信號(hào)給地面，柔性傳感器不僅可以完成這些功能，而且其材料柔軟，韌性高，不會(huì)給宇航員帶來額外的重量和不適。在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，例如，人類生活環(huán)境的濕度和健康有著密切聯(lián)系，需要相應(yīng)的電子設(shè)備對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。因此，外形小巧且性能優(yōu)異的柔性傳感器被相繼應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測電子設(shè)備中。

4 總結(jié)及展望

以用戶需求為基本導(dǎo)向，柔性傳感器在不同的領(lǐng)域都有著快速的發(fā)展，根據(jù)應(yīng)用的環(huán)境，柔性傳感器的基底材料也多種多樣。國內(nèi)外研究者都通過尋找各種基底材料、不同的工藝處理、不同的設(shè)計(jì)，研發(fā)高質(zhì)量、高性能、高靈敏度的柔性傳感器，漸漸形成了完整的制造體系。盡管柔性傳感器飛速發(fā)展，但是隨著實(shí)際的使用和商業(yè)化，仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。1、高精度和高閾值之間的矛盾還沒有解決；2、雖然有的柔性傳感器成本較低，但是目前高性能的柔性傳感器成本仍然會(huì)高出傳統(tǒng)的傳感器；3、當(dāng)使用在可穿戴設(shè)備中，無線化和續(xù)航能力仍然是一個(gè)研究的難題；4、柔性傳感器雖然能夠很好的貼合皮膚，但是舒適度仍然有待改進(jìn)；5、需要實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)的響應(yīng)，通過合理的設(shè)計(jì)解決不同信號(hào)之間的干擾?？傊?，柔性傳感器因其優(yōu)異的特性，有望取代傳統(tǒng)傳感器的地位，使電子設(shè)備更加的先進(jìn)和便攜，這也意味著對(duì)傳感器的研制要求越來越高，可能涉及到材料學(xué)、信息工程、自動(dòng)控制等學(xué)科，也意味著對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求越來越高，同時(shí)也給各個(gè)領(lǐng)域的合作提供了大量的機(jī)會(huì)。