柔性可穿戴傳感器及大面積陣列制造新方法＊

趙婷婷，李痛快，原理，張建華

上海大學(xué) 新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072

柔性可穿戴傳感器的發(fā)展受人體皮膚的啟發(fā)，主要用于人體生理特征參數(shù)(如心率、呼吸、肌電等)和周圍環(huán)境中相關(guān)特征指標(biāo)(壓力/應(yīng)變、溫度、濕度等)的實(shí)時監(jiān)測，在個人健康監(jiān)護(hù)、人機(jī)交互體系以及人造電子皮膚等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是當(dāng)下最前沿的研究領(lǐng)域之一[1-3]。世界各國紛紛制訂了針對柔性電子器件的研究計(jì)劃，將柔性傳感技術(shù)作為國家發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一，如美國的FDCASU計(jì)劃、歐盟的SHIFT和PolyApply計(jì)劃，以及日本的TRADIM計(jì)劃。健康界研究院發(fā)布的《2021中國智能可穿戴設(shè)備產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告》預(yù)計(jì)，到2025年中國智能可穿戴設(shè)備市場規(guī)模將高達(dá)1 573.1億元，前景可觀[4]。

傳感器本質(zhì)上就是將待檢測的外界刺激轉(zhuǎn)換為可收集、可處理信號的一種器件。相比于傳統(tǒng)的硅基傳感器，柔性傳感器通常制備在如聚酰亞胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、熱塑性聚氨酯(TPU)、紙張、聚乙烯醇(PVA)和紡織材料等柔性基材上[5-9]，這賦予了傳感器柔軟、可延展、可彎折、可穿戴等特性。由于結(jié)構(gòu)形式靈活，柔性傳感器易順應(yīng)多種使用環(huán)境實(shí)現(xiàn)檢測功能。柔性傳感器種類繁多，按照用途可分為壓力/應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光學(xué)傳感器等，按照工作機(jī)理可分為電阻式傳感器、電容式傳感器、壓電式或電感式傳感器等。

在這篇綜述中，我們首先通過舉例簡要介紹柔性壓力/應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器及光學(xué)傳感器的研究進(jìn)展，并對柔性傳感器涉及的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，如靈敏度、線性范圍、響應(yīng)/恢復(fù)時間等進(jìn)行概述；接著，對柔性傳感器大面積陣列制造所面臨的挑戰(zhàn)及新方法進(jìn)行闡述和分析；最后對柔性可穿戴傳感器的發(fā)展方向進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 柔性傳感器的類型

1.1 壓力/應(yīng)變傳感器

柔性壓力/應(yīng)變傳感器是一種能夠?qū)⑼獠繅毫驊?yīng)變刺激信號轉(zhuǎn)化為電信號的電子器件，可用于人體生理信號(心率、呼吸節(jié)律等)、肌肉關(guān)節(jié)運(yùn)動等監(jiān)測。壓力/應(yīng)變信號到電信號的轉(zhuǎn)變一般是通過壓阻、壓容和壓電機(jī)理來實(shí)現(xiàn)的。其中，壓阻，顧名思義就是將壓力/應(yīng)變信號直接轉(zhuǎn)變成電阻信號測試出來。壓阻式器件結(jié)構(gòu)和信號讀取系統(tǒng)相對簡單，因而基于壓阻機(jī)理的柔性壓力/應(yīng)變傳感器應(yīng)用最為廣泛。

近年來，科學(xué)家們基于新型功能納米材料和微納結(jié)構(gòu)，已經(jīng)研制出多種高靈敏度、快響應(yīng)的壓力/應(yīng)變傳感器[10-11]。2019年，張建華團(tuán)隊(duì)[12]利用新型二維材料MXenes(Ti3C2)的優(yōu)良導(dǎo)電性和天然織物表面波浪形的微結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制備出一種柔性織物壓阻式壓力傳感器，如圖1(a)所示。壓力敏感層與電極間接觸電阻值會隨外部壓力作用發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)壓力的實(shí)時檢測(圖1(b))。該柔性傳感器在0～29 kPa壓力范圍內(nèi)具有3.844 kPa-1的靈敏度，在29 kPa～40 kPa壓力范圍內(nèi)靈敏度為12.095 kPa-1，并具有快速響應(yīng)性(響應(yīng)時間約26 ms)，可滿足人機(jī)交互界面、脈搏監(jiān)測、語音識別等柔性場合應(yīng)用需求(圖1(c～d))。Yuan等人[13]提出了一種基于MXenes/尼龍織物的可穿戴應(yīng)變傳感器(圖1(e))。該傳感器利用尼龍織物良好的透氣性和拉伸性能，其應(yīng)變系數(shù)(gauge factor, GF)在20%的軸向和徑向應(yīng)變范圍內(nèi)分別可達(dá)24.35和5.98，不僅可以監(jiān)測人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動，還能緊貼在人的手臂上感知關(guān)節(jié)和肌肉的運(yùn)動信號(圖1(f))。Bai等人[14]提出了一種基于梯度自填充結(jié)構(gòu)(graded intrafillable architecture,GIA)的電容式壓力傳感器，其壓力敏感層由互補(bǔ)的凸起和凹槽微結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在較小壓力作用下，凸起微結(jié)構(gòu)首先向下彎曲發(fā)生形變，引起器件電容值的變化；隨著外加壓力的增大，凸起微結(jié)構(gòu)逐步填充凹槽，壓力敏感層的厚度進(jìn)一步被壓縮，從而引起更大的電容值變化。相比于傳統(tǒng)的半球結(jié)構(gòu)、傾斜塊體結(jié)構(gòu)和無梯度自填充塊體結(jié)構(gòu)，該GIA在相同壓力范圍內(nèi)具有更大的可壓縮性(圖1(f))，從而使器件具有更大的靈敏度(220 kPa-1，0.08 Pa～360 kPa)和較短的響應(yīng)/恢復(fù)時間(9 ms/18 ms)(圖1(g～h)，且兼具良好的機(jī)械穩(wěn)定性，不僅可以應(yīng)用于人體健康監(jiān)測，而且在空氣動力學(xué)的壓力測量領(lǐng)域也有潛在應(yīng)用價值。

圖1 柔性織物壓阻式壓力傳感器[12]：(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)工作機(jī)理示意圖；(c)語音識別應(yīng)用圖?；贛Xenes/尼龍織物的可穿戴應(yīng)變傳感器[13]：(d)結(jié)構(gòu)圖；(e)關(guān)節(jié)和肌肉的運(yùn)動信號檢測應(yīng)用圖?；贕IA的壓力傳感器[14]：(f)不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布仿真結(jié)果圖；(g)器件靈敏度變化圖；(h)器件響應(yīng)和恢復(fù)時間圖

1.2 溫度傳感器

體溫是人們發(fā)燒、失眠、代謝功能障礙等疾病的重要生理指標(biāo)。人體皮膚除了包含眾多的力感受器外，同時還兼具感知溫度的功能，使得人體免于外界環(huán)境的傷害。因此溫度傳感器作為監(jiān)測人體體溫和感知環(huán)境溫度的電子器件，至關(guān)重要。目前大多數(shù)柔性溫度傳感器的工作原理是基于溫度敏感材料在不同溫度下其導(dǎo)電特性的變化來實(shí)現(xiàn)體溫檢測的[15-16]。

Gao等人[17]提出一種以Ti3C2Tx納米顆粒-薄片復(fù)合網(wǎng)絡(luò)材料作為溫敏導(dǎo)電材料、熱膨脹系數(shù)較大的PDMS作為基板的Ti3C2Tx-PDMS柔性溫度傳感器。隨著溫度升高，PDMS基板發(fā)生各向同性熱膨脹，使附著在上面的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)材料產(chǎn)生更大尺寸裂紋(圖2(a))，進(jìn)而引起器件電阻值的變化，實(shí)現(xiàn)對溫度的檢測。該傳感器具有高達(dá)986 ℃-1的靈敏度和較寬的工作范圍(20～140℃)，將其擴(kuò)展為4×4的陣列傳感器可成功繪制出手指、水杯和紫外燈等具有溫度的物體的位置分布，表明其在近場物體溫度分布檢測方面的巨大潛力(圖2(b))。Zhang等人[18]提出了一種基于超薄襯底的可穿戴柔性溫度傳感器，該器件的溫度敏感單元由通過旋轉(zhuǎn)光刻系統(tǒng)在PI導(dǎo)管表面制作的金(Au)多匝微線圈組成，環(huán)境熱量與Au微線圈表面的熱交換會引起器件電阻值的變化，即熱阻原理，從而實(shí)現(xiàn)器件對溫度的實(shí)時檢測(圖2(c))。該傳感器可通過人體呼吸的溫度識別出異常的呼吸信號(窒息和淺呼吸)，如圖2(d)所示，因此在睡眠呼吸疾病的初步診斷和睡眠健康監(jiān)測方面具有很大的潛力。Gao等人[19]制作了一個厚度只有0.1 mm的有機(jī)水凝膠溫度傳感器，該器件使用的有機(jī)水凝膠材料具有熱可逆凝膠性，即：環(huán)境溫度升高時，這種有機(jī)水凝膠鏈開始解扭、折疊、聚集，形成大的致密鏈區(qū)，并在孔區(qū)出現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致離子遷移阻力降低，離子遷移速率加快，器件電阻值減?。环粗?，器件電阻值增大。其所制備的溫度傳感器具有較寬的溫度檢測范圍(-30～50 ℃)，可以準(zhǔn)確響應(yīng)和記錄皮膚表面的溫度變化。

圖2 基于Ti3C2Tx/PDMS的溫度傳感器器件[17]：(a)不同溫度下器件表面導(dǎo)電材料裂紋的尺寸變化圖；(b)溫度分布識別應(yīng)用圖。Au/PI基溫度傳感器件[18]：(c)結(jié)構(gòu)示意圖；(d)識別窒息、淺呼吸信號的應(yīng)用圖

1.3 濕度傳感器

濕度傳感器可以對環(huán)境中的濕度水平作出定量評價，因此在人體呼吸模式檢測、語音識別、人機(jī)交互界面等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。與柔性溫度傳感器類似，濕度傳感器的典型策略是檢測不同濕度水平下各種傳感材料的電導(dǎo)率變化[20]。

到目前為止，各類濕度敏感材料，如石墨烯(graphene)[21]、氧化鉬(MoO3)[22]和金屬鹵化物鈣鈦礦等[23-24]，由于具有比表面積大、親水性好等特性，已經(jīng)成為濕度傳感器的核心材料。其中，二維過渡金屬碳化物MXenes具有獨(dú)特的富羥基納米結(jié)構(gòu)，親水性佳，因而受到濕度傳感器研究人員的青睞[25-26]。Yang等人[27]提出了一種經(jīng)氫氧化鈉溶液處理的堿化MXenes(AMX)材料，由于堿金屬離子(Na+)的插層和表面末端氧-氟的增加，AMX器件具有優(yōu)異的濕度靈敏度(S=300)，如圖3(a)和(b)所示。然而，由于Na+和水分子形成的離子簇移動速度較慢，該傳感器的響應(yīng)時間(1 s)和恢復(fù)時間(210 s)較長，極大地限制了它的應(yīng)用范圍。2022年，張建華團(tuán)隊(duì)[28]提出了一種基于堿化MXenes和聚多巴胺(PDA)形成的雜化材料(AMP)的柔性濕度傳感器(圖3(c))。其優(yōu)勢在于：一方面PDA聚合物含有大量的羥基(OH)，羥基可以通過可逆氫鍵與水分子快速結(jié)合、分離導(dǎo)致氫鍵線/網(wǎng)絡(luò)的變化，引起材料導(dǎo)電性的變化；另一方面堿化MXenes具有獨(dú)特的類手風(fēng)琴的層狀納米結(jié)構(gòu)，比表面積大，因此PDA包覆在MXenes表面形成雜化材料AMP后，增加了與水分子之間的相互作用面積，從而使得相對濕度(RH)的微小變化就可以顯著改變AMP雜化材料的導(dǎo)電性。研究表明，該器件具有較寬的檢測范圍(5%～95% RH)，較高的靈敏度(S=17 875)(圖3(d))，較短的響應(yīng)和恢復(fù)時間(分別為0.4 s和0.5 s)。得益于該器件的優(yōu)良性能，其可作為非接觸式開關(guān)實(shí)現(xiàn)對電子器件的控制和用于區(qū)別人體在休息、行走后、跑步后三種狀態(tài)下的呼吸模式，如圖3(e)和(f)。

圖3 基于AMX的濕度傳感器[27]：(a)AMX表面H2O分子吸附的工作機(jī)理示意圖；(b)基于MXenes和AMX的器件對濕度的響應(yīng)對比。基于AMP的濕度傳感器[28]：(c)結(jié)構(gòu)示意圖；(d)不同相對濕度條件下器件電阻值的變化圖；(e)人體呼吸非接觸控制燈泡開關(guān)圖；(f)人體在不同狀態(tài)下，器件檢測到的呼吸模式圖

1.4 光學(xué)傳感器

光學(xué)傳感器是一種用于檢測各類光參數(shù)(如波長、頻率、強(qiáng)度或偏振等)的器件，常見的光學(xué)傳感器是基于光電原理，將光信號轉(zhuǎn)換為可測量和記錄的電信號來實(shí)現(xiàn)檢測的，因此光學(xué)傳感器也常被稱作光電探測器，在環(huán)境監(jiān)測、圖像傳感、監(jiān)控、智能手機(jī)等領(lǐng)域都有十分重要的應(yīng)用價值。

Song等人[29]設(shè)計(jì)并制備了一種具有較寬光譜響應(yīng)范圍(300～1 000 nm)的有機(jī)光電二極管(organic photodiode, OPD)。利用低帶隙受體和厚結(jié)相結(jié)合的策略，可將器件暗電流降低到0.35 nA/cm2。同時，該器件在7個數(shù)量級以上的光強(qiáng)范圍內(nèi)(LDR為157 dB)均具有線性響應(yīng)，截止頻率高達(dá)4.5 kHz，總體性能可與晶體硅基OPD相媲美。2020年，張建華團(tuán)隊(duì)[30]提出一種基于超小氧化鎳(NiOx)納米晶體材料(5～10 nm)的OPD，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(a)所示。研究人員利用NiOx高的最低未占軌道(LUMO)能級阻斷了來自外部偏置的暗電流，使所制造的OPD暗電流降低了一個數(shù)量級以上，如圖4(b)所示。

X射線探測器作為一種特殊的光電探測器，是將X射線能量轉(zhuǎn)換為可處理的電信號的傳感器件，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、癌癥治療、工業(yè)無損檢測、光電子能譜分析等眾多領(lǐng)域。目前X射線探測器根據(jù)探測原理分為直接型和間接型兩種：間接型探測器是先利用閃爍體將X射線轉(zhuǎn)換為可見光光子，再通過光電二極管陣列將可見光光子轉(zhuǎn)換為電荷信號的器件；而直接型探測器避免了間接型X射線探測器中的光光轉(zhuǎn)換過程，利用直接帶隙半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)X射線到電信號的轉(zhuǎn)變。直接型X射線探測器在結(jié)構(gòu)方面更加簡單，制備工藝也相對簡單，具有較高空間分辨率和成像質(zhì)量[31]。張建華團(tuán)隊(duì)[32]提出了一種基于無毒微金字塔三斜鉍(ω-Bi2O3)油墨的直接型X射線探測器(圖4(c))。該探測器暴露在開關(guān)的X射線源下1 500 s(共5 120 mGy劑量)后，相當(dāng)于進(jìn)行了2.56萬次胸部X射線掃描，依舊未表現(xiàn)出明顯的性能差異，如圖4(d)所示。Demchyshyn等人[33]設(shè)計(jì)并制備了一種基于混合陽離子與鹵化鉛鈣鈦礦的柔性輕質(zhì)直接型X射線探測器，如圖4(e)所示。該探測器經(jīng)過界面修飾在0 V工作電壓下依舊可以對X射線進(jìn)行探測并展現(xiàn)出(9.3±0.5)μC·Gy-1·cm-2的高靈敏度和(0.58±0.05)μGy·s-1的低檢測極限(圖4(f))。

圖4 基于NiOx的OPD[30]：(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)有無NiOx的兩種器件在黑暗/有光條件下的電流密度對比圖?；讦?Bi2O3的X射線探測器[32]：(c)ω-Bi2O3材料的SEM圖像；(d)器件在X射線源照射下產(chǎn)生的光電流圖。鈣鈦礦型X射線探測器[33]：(e)結(jié)構(gòu)示意圖；(f)0 V偏壓下器件產(chǎn)生的光電流隨劑量率的變化圖

2 傳感器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

為了評估柔性傳感器的器件性能，需要對器件的性能參數(shù)，如靈敏度、線性度、響應(yīng)時間、穩(wěn)定性等進(jìn)行表征，而這些性能參數(shù)是選擇應(yīng)對不同場合傳感器的重要依據(jù)。這里我們以柔性力學(xué)傳感器為例來介紹柔性傳感器涉及的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

2.1 靈敏度

柔性傳感器靈敏度的定義為：在受外界刺激后，指定輸出量的變化率與指定輸入量變化值之比。靈敏度根據(jù)定義可以表示為S=ΔE/(ΔS×E0)，其中ΔE是電信號的變化(例如電流、電容、電壓等)，ΔS為外界刺激的變化值，E和E0分別為受到外界刺激時實(shí)時電信號和初始無外界刺激的電信號。以柔性壓阻式壓力傳感器為例，其靈敏度主要取決于材料和界面結(jié)構(gòu)等。2019年Zhao等人[34]巧妙地利用綠蘿葉子表面天然的微結(jié)構(gòu)陣列和糖顆粒作為模板，制備了具有復(fù)合多孔微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物薄膜，證實(shí)基于該復(fù)合多孔微結(jié)構(gòu)的柔性力學(xué)傳感器的靈敏度相比于基于實(shí)體微結(jié)構(gòu)的傳感器提高59%，如圖5(a)所示。對于濕度和溫度傳感器而言，典型的感知策略是檢測傳感功能材料在不同濕度/溫度水平下電導(dǎo)率的變化，因此其靈敏度主要取決于傳感功能材料。例如，相比于一維材料，二維材料具有更大的比表面積和豐富的表面官能團(tuán)，可以更好地促進(jìn)水分子的吸附，從而提高濕度傳感器的靈敏度。

2.2 線性范圍

輸出信號和輸入信號之間的線性關(guān)系可以簡化數(shù)據(jù)處理和降低系統(tǒng)復(fù)雜度，因此線性范圍是柔性傳感器另一個重要的性能參數(shù)。柔性力學(xué)傳感器的線性范圍與采用的傳感材料和結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。例如：Xu等人[35]制備了基于硼砂/PVA的高度可拉伸自修復(fù)的納米復(fù)合水凝膠，克服了其導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在大應(yīng)變下不均勻變化導(dǎo)致的線性范圍窄的難題，該應(yīng)變傳感器在0～100%的應(yīng)變范圍內(nèi)保持約1.86的靈敏度，如圖5(b)所示。Zhao等人[36]首次提出以具有天然多級錐結(jié)構(gòu)的野菊花花粉作為模板，采用二次復(fù)型工藝制備了具有仿花粉結(jié)構(gòu)的壓阻式傳感器，實(shí)驗(yàn)證實(shí)該柔性傳感器在0～218 kPa的寬線性響應(yīng)范圍內(nèi)，顯示出3.5 kPa-1的高靈敏度(R2為0.997)，如圖5(c)所示。但總的來說，傳感器的高靈敏度和高線性度之間相互制約。因此，開發(fā)同時具有高靈敏度和高線性度的柔性可穿戴傳感器仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

2.3 響應(yīng)時間

響應(yīng)時間一般定義為達(dá)到穩(wěn)定輸出的90%所需的時間，反映了傳感器響應(yīng)階躍輸入的速度。大多數(shù)基于聚合物的柔性力傳感器由于材料的黏彈特性存在響應(yīng)延遲[37-38]。目前已有相當(dāng)多的研究證明可以通過材料和結(jié)構(gòu)(如多孔體)的設(shè)計(jì)來減少聚合物黏彈性的影響，從而改善柔性力傳感器的響應(yīng)時間。如Cheng等人[39]報(bào)道了一種以硅納米線(SiNWs)為功能層的新型壓力傳感器。SiNWs是固有的彈性晶體，沒有黏彈性，因此以SiNWs為彈性層的器件設(shè)計(jì)具有可忽略不計(jì)的界面附和力，大大降低了該傳感器的響應(yīng)時間(約3 ms)，如圖5(d)所示。Yang等人[40]展示了由多孔金字塔介電層組成的柔性高靈敏電容式壓力傳感器，通過多孔結(jié)構(gòu)和特殊的表面結(jié)構(gòu)減小了界面黏彈性的負(fù)面影響，利用表面微觀結(jié)構(gòu)的變形代替了塊狀薄膜的變形，導(dǎo)致遲滯作用減小，器件的響應(yīng)和恢復(fù)時間分別為50 ms和100 ms，如圖5(e)所示。

圖5 (a)基于仿生復(fù)合多孔微結(jié)構(gòu)的高靈敏柔性力學(xué)傳感器[34]；(b)自修復(fù)水凝膠應(yīng)變傳感器(0～100%的應(yīng)變范圍)[35]；(c)基于仿生多級結(jié)構(gòu)的寬線性范圍的柔性力學(xué)傳感器；(d)基于硅納米線的柔性壓力傳感器(響應(yīng)時間約3 ms)[39]；(e)基于多孔金字塔微結(jié)構(gòu)的壓力傳感器(響應(yīng)和恢復(fù)時間分別為50 ms和100 ms)[40]

2.4 穩(wěn)定性

除此之外，柔性傳感器在長時間的循環(huán)使用下能夠保持穩(wěn)定可靠的輸入輸出關(guān)系是另一重要指標(biāo)，通常需要測試連續(xù)施加和撤除外界刺激下的傳感器的性能。由于力學(xué)傳感器在循環(huán)過程中常常伴隨著導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的破壞與重組，在最初的幾個循環(huán)下，傳感器的性能會產(chǎn)生漂移，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，傳感器性能逐漸趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定性試驗(yàn)沒有設(shè)定具體的循環(huán)次數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，但在大多數(shù)柔性壓力傳感器的報(bào)告中，通常采用5 000次以上的循環(huán)次數(shù)[41]。

3 柔性傳感器的大面積陣列制造方法

柔性可穿戴傳感器感知的信號通常還包含外界刺激的空間位置信息，譬如壓力分布信息、多點(diǎn)形變信息、溫度場信息和濕度分布等，而單個柔性傳感器無法反饋這些空間信息，因此陣列傳感器的設(shè)計(jì)及大面積制造方法引起了研究人員的廣泛關(guān)注[42-43]。傳感器實(shí)現(xiàn)大面積陣列制造常伴隨著電路復(fù)雜、功耗高和信號串?dāng)_等難題。目前報(bào)道的傳感器件制備工藝過程很難實(shí)現(xiàn)柔性大面積陣列化制造，導(dǎo)致傳感的分辨率和維度不高，實(shí)際應(yīng)用范圍受限。如何突破現(xiàn)有傳感器件制造的技術(shù)局限，獲得高靈敏、高密度和大面積柔性傳感器是當(dāng)前研究的最大瓶頸問題。

3.1 薄膜晶體管(TFT)的優(yōu)勢

薄膜晶體管(thin film transistor, TFT)由于具有高密度制造、高分辨率、節(jié)能化、輕便化等特性，已成功地作為有源元件應(yīng)用于顯示領(lǐng)域[44]。借助于TFT的信號放大功能和柔性陣列制造優(yōu)勢，將其與傳統(tǒng)柔性傳感功能單元集成起來，可提高傳感的靈敏度和維度。這種基于TFT的傳感技術(shù)為解決傳感器在柔性襯底上陣列化提供了極大的潛力和發(fā)展空間。根據(jù)半導(dǎo)體材料的類型，常見的TFT可以分為非晶硅TFT(a-Si TFT)、低溫多晶硅TFT(LTPS TFT)、有機(jī)TFT(OTFT)以及金屬氧化物半導(dǎo)體TFT(MOTFT)四種。其中：a-Si TFT工藝成本低，良品率高，但遷移率低(最大只有1 cm2·V-1·S-1)，不利于高速陣列采集；LTPS TFT載流子遷移率高，但制備工藝涉及高溫(500 ℃左右)，超過了大多柔性襯底的耐受溫度，與柔性器件制備工藝不兼容；OTFT具有制作成本低和工藝溫度低的特點(diǎn)，目前基于OTFT的傳感器報(bào)道較多[45-47]，然而OTFT的放大受限于其低場效應(yīng)遷移率，且器件的電學(xué)穩(wěn)定性較差；MOTFT技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)低成本的大面積制造，同時表現(xiàn)出相對較高的場效應(yīng)遷移率，可提供更快的響應(yīng)速度、更強(qiáng)的放大效果和更低的能耗，但器件可靠性易受環(huán)境影響。

3.2 基于TFT的陣列傳感器工作原理

TFT包含源極(S)、漏極(D)和柵極(G)三個引出電極。當(dāng)施加的柵極電壓VGS超過一定閾值時，就可以控制電子流過源、漏兩極，這樣通過輸入微小的電壓變化就可以調(diào)控源漏電流IDS的大小?；赥FT的傳感器在外部刺激的作用下，利用傳感器對TFT的源漏電壓VDS、柵極電壓VGS、柵絕緣層電容Ci的影響，改變IDS的大小，通過IDS來反映外界刺激的變化。源漏電壓VDS可通過在TFT源極或漏極串聯(lián)電阻式傳感器來調(diào)控。在外界刺激的作用下，傳感器電阻發(fā)生變化，影響其壓降，從而影響VDS發(fā)生變化，如圖6(a)所示。柵極電壓VGS可通過在柵極串聯(lián)電阻式傳感器或利用壓電式傳感器作為浮柵提供柵極電壓來調(diào)控，通過傳感器來改變VGS從而調(diào)節(jié)IDS，如圖6(b)和6(c)所示。除此之外，將傳感器作為TFT的可變電介質(zhì)層，在外界刺激的作用下改變TFT的柵絕緣層電容Ci也會使IDS發(fā)生變化，如圖6(d)所示。TFT在陣列傳感器中起到控制和放大的作用，基于TFT的陣列傳感器具有大面積、高密度、高靈敏度和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于采用TFT有源矩陣的形式，基于TFT的陣列傳感器具有低串?dāng)_、高對比度等優(yōu)點(diǎn)，并極大地簡化了尋址模式，對于m×n的傳感器陣列僅需m+n條尋址行就可以監(jiān)控所有傳感器的變化，如圖6中間示意圖所示。

圖6 柔性傳感器和薄膜晶體管的集成方式：(a)電阻式傳感器串聯(lián)于TFT源極或漏級；(b)電阻式傳感器串聯(lián)于TFT柵極；(c)壓電式傳感器充當(dāng)TFT浮柵；(d)傳感器充當(dāng)TFT的可變電介質(zhì)層

3.3 基于TFT的陣列傳感器

研究人員基于3.2中提及的工作原理設(shè)計(jì)并制備了多種基于TFT的陣列傳感器結(jié)構(gòu)。例如：Wang等人[48]利用皮質(zhì)醇適配體與氧化銦(In2O3)納米薄膜的耦合機(jī)制，開發(fā)了一種柔性場效應(yīng)晶體管(field effect transistor, FET)生物傳感器陣列。利用適配體的分子進(jìn)行皮質(zhì)醇的識別，并通過FET進(jìn)行電信號放大，可檢測到更低水平的皮質(zhì)醇。該器件與可穿戴手表集成后，可實(shí)現(xiàn)無縫、實(shí)時的皮質(zhì)醇檢測。Nela等人[49]提出了一個基于碳納米管(CNT)TFT有源矩陣的高性能柔性壓力傳感器，并且在4英寸基板上成功制作了16×16像素的大面積陣列，能夠以低至4 mm的單像素空間分辨率檢測復(fù)雜物體的位置分布信息。Baek等人[51]設(shè)計(jì)并制備了一種基于有機(jī)TFT(OTFT)的低功耗、高靈敏度的柔性有源壓力傳感陣列，如圖7(a)所示。該OTFT的S/D電極由具有微結(jié)構(gòu)的彈性體和導(dǎo)電材料組成。在壓力作用下，S/D電極發(fā)生壓縮變形，改變有源溝道的幾何形狀和接觸電阻，導(dǎo)致S/D電流值變化。該5×5有源陣列的空間分辨率為12.83 ppi，可映射出字母“E”的平面位置(圖7(b))，可與人類的觸覺感知相媲美。

張建華團(tuán)隊(duì)長期致力于基于a-IGZO TFT的集成式傳感器的材料和制備工藝開發(fā)[5,52-56]研究。2018年，該團(tuán)隊(duì)[55]利用微結(jié)構(gòu)化的PDMS電容和a-IGZO TFT，提出了一種集成電容式壓力傳感器件，并成功地在5 cm×5 cm柔性基板上實(shí)現(xiàn)了4×4陣列傳感器制造。通過a-IGZO的放大效應(yīng)，器件在超低壓狀態(tài)(≤1.5 kPa)檢測的亞閾值區(qū)域表現(xiàn)出較高的靈敏度(35.9 kPa-1)，而在低壓狀態(tài)(≤7 kPa)檢測的線性區(qū)域表現(xiàn)出良好的線性度。在柔性可穿戴傳感器的應(yīng)用環(huán)境中，往往需要收集多種參數(shù)，除了可提供物體的質(zhì)量和形狀信息的力學(xué)參數(shù)，還包含提供物體熱信息的溫度參數(shù)。2021年張建華團(tuán)隊(duì)[56]提出了一種基于a-IGZO TFT陣列的柔性雙參數(shù)傳感陣列，溫度和壓力傳感像素點(diǎn)數(shù)目分別為6×4和7×4，如圖7(c)所示。由于溫度和壓力傳感器相互獨(dú)立，產(chǎn)生的傳感信號不會受到干擾，該傳感器不僅能夠高選擇性地同時檢測兩種物理信號，且具有高靈敏度，其中溫度靈敏系數(shù)為-0.04 ℃-1(25～40 ℃)，壓力靈敏系數(shù)為13 kPa-1(0～6 kPa)和140 kPa-1(6～10 kPa)，如圖7(e)和7(f)所示。

圖7 柔性有源壓力傳感陣列[51]：(a)器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b)字母“E”和器件對其位置映射圖。柔性雙參數(shù)溫度-壓力陣列傳感器[56]：(c)器件結(jié)構(gòu)示意圖；(d)陣列傳感器實(shí)物照片；(e)不同溫度和(f)不同壓力下的器件電流變化率曲線圖

4 結(jié)論與展望

柔性可穿戴傳感器是穿戴式電子器件及系統(tǒng)的重要研究方向之一，在康復(fù)醫(yī)療、人機(jī)交互、電子皮膚等多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，其本質(zhì)就是將待檢測的外界刺激轉(zhuǎn)換為可收集、可處理的信號從而指導(dǎo)系統(tǒng)的控制與反饋。如何準(zhǔn)確地獲取外界刺激，保證信號反饋的精準(zhǔn)性是柔性可穿戴傳感器的關(guān)鍵，這就需要傳感器具有高靈敏度、寬線性檢測范圍和出色的穩(wěn)定性等，也需要傳感器具有陣列檢測和多功能檢測的能力。雖然柔性可穿戴傳感器在這些方面已取得了令人矚目的進(jìn)展，但未來仍面臨著一些困難需要克服和深入研究。

(1)目前柔性可穿戴傳感器的研究主要集中在單參數(shù)傳感上，然而單一參數(shù)的傳感得到的信息量有限，已無法滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。例如，仿生電子皮膚需要對壓力、溫度、光等多個參數(shù)同時進(jìn)行感知才能獲取接觸物體的完整信息。因此，實(shí)現(xiàn)柔性傳感器的多參數(shù)化是未來傳感器發(fā)展的一個重要趨勢。

(2)與單參數(shù)傳感器的發(fā)展相同，多參數(shù)傳感器也同時需要滿足集成化、小型化、柔性、大面積陣列的要求。由于多參數(shù)傳感器中每一個單參數(shù)傳感單元的材料和結(jié)構(gòu)都不盡相同，增加了其制備工藝的難度。因此實(shí)現(xiàn)多個單參數(shù)傳感器的集成制造，包括材料和工藝兼容性，是研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

(3)柔性可穿戴傳感器需要復(fù)雜的信號采集和處理過程，后端的信號采集、處理模塊與柔性不兼容，極大限制了可穿戴電子器件的實(shí)際應(yīng)用。因此，如何簡化傳感器的信號采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)柔性可穿戴傳感器的無線感知，增加傳感器的可穿戴性還需要進(jìn)一步研究。

(4)傳統(tǒng)的AR和VR技術(shù)僅僅依靠視覺或聽覺刺激來實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動體驗(yàn)，缺少真實(shí)的感知反饋，且這些設(shè)備由笨重和剛性的部件組成，極大地影響了用戶體驗(yàn)感。因此，如何將新型柔性可穿戴傳感器與AR、VR技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的感知反饋，使用戶擁有更真實(shí)的虛擬體驗(yàn)將是新興的研究熱點(diǎn)。

(5)現(xiàn)階段的柔性可穿戴傳感器僅僅能檢測外部刺激，然而人體皮膚的感知系統(tǒng)不僅能夠感知外部刺激還能儲存刺激、分析刺激并對刺激做出響應(yīng)。因此，如何使柔性可穿戴傳感器具有類似皮膚的感知與記憶功能從而實(shí)現(xiàn)智能感知是下階段柔性可穿戴傳感器研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。