柔性壓阻式壓力傳感器應(yīng)用與展望

汪 康，喻 研

(華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢 430000)

0 引言

相比于硅基傳感器而言，柔性傳感器由于機(jī)械靈活性、質(zhì)量輕和可穿戴的優(yōu)點(diǎn)而受到人們的青睞，除了能夠檢測常見的物理信號：聲學(xué)信號[1]、光學(xué)信號[2]、熱學(xué)信號[3]、力學(xué)信號[4]，還能夠?qū)瘜W(xué)信號進(jìn)行檢測，如葡萄糖[5]、pH[6]、汗液[7]、氣體[8]等。自然界中的任何動(dòng)作都伴隨著力的作用，因此柔性傳感器對壓力的檢測最為廣泛。許多原理已經(jīng)被用來解釋柔性傳感器對壓力的檢測，包括壓阻式[9-10]、電容式[11-12]、壓電式[13-14]、摩擦電式[15-16]、晶體管[17-18]、光纖[19-20]。其中柔性壓阻式壓力傳感器只需要考慮襯底材料與導(dǎo)電材料間的相互融合，同時(shí)可以通過設(shè)計(jì)各種微結(jié)構(gòu)提升傳感器的靈敏度，并且其結(jié)構(gòu)簡單、易于制備、成本低，在生活、工業(yè)、醫(yī)療等方面被廣泛使用。易彎曲是柔性壓阻式壓力傳感器的典型特征，它可以在彎曲或拉伸狀態(tài)下保持傳感器優(yōu)異的性能，這決定了它在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用潛能，貼在人的身體表面通過電學(xué)信號傳遞身體內(nèi)部信號用以健康監(jiān)測[21-24]。除了與人體相兼容獲取健康狀態(tài)信息，柔性壓阻式壓力傳感器還可以作用在機(jī)器人表面模仿真實(shí)皮膚賦予機(jī)器人觸覺感知能力[25-27]。同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與人工智能的飛速發(fā)展加大了柔性壓阻式壓力傳感器在工業(yè)領(lǐng)域的需求，使其通過力學(xué)信號感知-電學(xué)信號處理-力學(xué)信號反饋實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)測和精準(zhǔn)控制[28]。

靈敏度是衡量傳感器性能的一個(gè)重要參數(shù)，科研人員致力于通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不斷提升柔性壓阻式壓力傳感器靈敏度實(shí)現(xiàn)小壓力檢測[29-31]。盡管相關(guān)研究工作已經(jīng)取得較大進(jìn)展，然而傳感器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍面臨著許多挑戰(zhàn)，例如小型化、抗干擾能力、耐久性、生物兼容性、透氣性、信號的傳輸與處理和低成本大規(guī)模制備等。本文首先在第一節(jié)中，對柔性壓阻式壓力傳感器的常見應(yīng)用進(jìn)行歸納；在第二節(jié)中對柔性壓阻式壓力傳感器的未來發(fā)展方向進(jìn)行展望，在提升傳感器性能的同時(shí)需要考慮到實(shí)際應(yīng)用；最后對本文工作進(jìn)行總結(jié)，表明柔性壓阻式壓力傳感器從制備到應(yīng)用是多學(xué)科交叉的結(jié)果。

1 應(yīng)用

柔性壓力傳感器的應(yīng)用包括健康監(jiān)測、植入式醫(yī)療、觸覺感知和形狀識別，但考慮到傳感器植入到人體內(nèi)部時(shí)電源供給困難，植入式醫(yī)療傳感器理想情況下是從周圍環(huán)境中獲取能量，大多都是基于壓電材料和摩擦電材料實(shí)現(xiàn)壓力感知[32-35]，因此本節(jié)主要介紹柔性壓阻式壓力傳感器在健康監(jiān)測、觸覺感知以及形狀識別上的應(yīng)用場景。

1.1 健康監(jiān)測

人的皮膚是柔軟有彈性的，柔性傳感器由于其柔韌性和可拉伸性能夠與人體皮膚相兼容，一個(gè)典型應(yīng)用就是作為可穿戴器件貼在皮膚表面用以健康監(jiān)測，如呼吸、脈搏、血壓、發(fā)音以及肢體運(yùn)動(dòng)等。

對壓力的檢測中，表皮的振動(dòng)信號是極其微弱的，需要傳感器具備高的靈敏度。為了實(shí)現(xiàn)對微弱信號的檢測，Wu等[36]通過激光刻劃石墨烯在Eco-flex襯底上制備了高靈敏度寬檢測范圍的壓力傳感器并展示其對生理信號的檢測：在70 kPa-1范圍內(nèi)靈敏度高達(dá)67.43 kPa-1，檢測范圍達(dá)到200 kPa。該傳感器有類似三極管信號放大的功能，如圖1(a)所示，將壓力傳感器貼在手腕處，通過外力調(diào)控能夠?qū)⒚}沖信號放大，圖1(b)展示了外力調(diào)整下輸出的脈沖波形，對應(yīng)的單周期波形如圖1(c)所示，可以看見傳感器能夠區(qū)分“S”、“P”、“T”和“D”特征峰。由于傳感器的高靈敏度，使其同時(shí)能夠?qū)︻i動(dòng)脈(CA)、肱動(dòng)脈(BA)、橈動(dòng)脈(RA)和足背動(dòng)脈(DPA)的血壓波形進(jìn)行采集。

圖1 高靈敏度壓力傳感器檢測生理信號：(a) 通過外界壓力調(diào)節(jié)傳感器靈敏度；(b) 不同壓力下的脈沖波；(c) 單周期脈沖波；(d) 頸動(dòng)脈、肱動(dòng)脈、橈動(dòng)脈、背動(dòng)脈血壓采集[36]Fig. 1 High sensitivity pressure sensor detects physiological signal: (a) Schematic diagram of sensitivity adjustable by external pressure; (b) Pulse waves at different pressure; (c) The single period pulse wave; (d) Blood pressure waveforms and values collected at the carotid artery (CA), brachial artery (BA), radial artery (RA), and dorsalis pedis artery (DPA)[36]

Tang等[37]將可控石墨烯納米片與褶皺聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)彈性體相結(jié)合開發(fā)出一種高靈敏度低成本的柔性壓阻式壓力傳感器，將傳感器貼在手腕處能夠檢測到腕部脈沖信號。同時(shí)將傳感器貼在喉嚨處測試聲帶振動(dòng)，能夠?qū)?“Hello”和“Senor”發(fā)音有不同的電流輸出，這是發(fā)音使傳感器發(fā)生形變引起電阻變化的結(jié)果，然而該器件不能判斷出具體發(fā)音。為了幫助發(fā)音困難的患者開口“講話”，Wei等[38]研發(fā)出一種可穿戴超高靈敏度石墨烯人工喉，如圖2所示，通過構(gòu)建雙模系統(tǒng)能夠?qū)韲递p微運(yùn)動(dòng)和真正發(fā)音進(jìn)行區(qū)分，不同的發(fā)音產(chǎn)生不同的電阻變化，電阻變化經(jīng)過信號放大轉(zhuǎn)化為電壓變化驅(qū)動(dòng)聲音發(fā)射器發(fā)出聲音。

圖2 石墨烯人工喉嚨：(a) 聲音檢測和發(fā)射裝置；(b) 石墨烯聲探測系統(tǒng)的聲響應(yīng)；(c) 不說話、正常話、僅喉部運(yùn)動(dòng)和張閉嘴時(shí)不同的輸出波形[38]Fig. 2 Graphene artificial throat: (a) Device for sound detection and transmission; (b) Acoustic response of graphene sound detection system; (c) Device for sound detection and transmission; (d) Different output waveforms when no speaking, normal speaking, laryngeal movement and opening or closing mouth[38]

壓力傳感器也經(jīng)常用來檢測肢體運(yùn)動(dòng)，Yu[29]等通過在三維網(wǎng)狀熱塑性彈性襯底(TPE)嵌入碳納米管(CNTs)制備壓力傳感器，傳感器在拉伸和壓縮下具有優(yōu)異的綜合性能。如圖3所示，當(dāng)面部作出不同的表情如微笑和大笑時(shí)傳感器能夠產(chǎn)生不同的輸出信號，將傳感器安裝在肘部時(shí)，傳感器電阻隨著肘部運(yùn)動(dòng)幅度的增加而顯著增加，表明傳感器在肢體運(yùn)動(dòng)檢測上具有潛在應(yīng)用。然而肢體運(yùn)動(dòng)往往伴隨著大幅度的應(yīng)變，運(yùn)動(dòng)恢復(fù)后傳感器能否回到初始狀態(tài)以及重復(fù)性運(yùn)動(dòng)后對傳感器穩(wěn)定性的檢測也是有必要的。

圖3 壓力傳感器檢測肢體運(yùn)動(dòng)：(a) 將傳感器貼在面部檢測面部表情；(b) 不同面部表情時(shí)傳感器的輸出； (c) 不同肢體動(dòng)作時(shí)傳感器的輸出[29]Fig. 3 Pressure sensor detect body movements: (a) Photograph of the sensor attached to a face; (b) Output of the sensor for different facial expressions; (c) Output of the sensor for different body movements[29]

1.2 觸覺感知

假肢雖然給予患者一定的行動(dòng)能力，但缺乏皮膚的真實(shí)感，最典型的就是無法接受外界的觸覺信號。觸覺的缺失使患者無法對危險(xiǎn)信號做出判別，同時(shí)會(huì)對心靈造成創(chuàng)傷，柔性壓力傳感器有望讓假肢患者恢復(fù)觸覺。如圖4(a)所示，Chen等[39]將壓力傳感器貼在機(jī)械手上，機(jī)械手與電機(jī)連接，在機(jī)械手前方懸掛一個(gè)乒乓球，機(jī)械手往前移動(dòng)碰到乒乓球后接收到觸覺信號，電流迅速增加，超過電機(jī)閾值電流則機(jī)械手停止前進(jìn)并后退，此時(shí)乒乓球并未發(fā)生移動(dòng)，表明機(jī)械手能夠?qū)ξ⑿×M(jìn)行響應(yīng)。傳感器對應(yīng)輸出如圖4(b)所示，可以看見傳感器具有良好的響應(yīng)時(shí)間與可重復(fù)性。這雖然賦予了機(jī)械手對觸覺信號的感知能力，然而如何將觸覺信號通過傳輸、處理傳遞到大腦仍面臨著挑戰(zhàn)。

圖4 壓力刺激調(diào)整機(jī)械手運(yùn)動(dòng)：(a) 懸掛乒乓球與帶有壓力傳感器的機(jī)械手圖片; (b) 機(jī)械手碰到乒乓球電流響應(yīng)[39]Fig. 4 Pressure stimulation adjusts manipulator motion: (a) Photograph of hanging table tennis with and manipulator with pressure sensor; (b) Current response of the sensor when manipulator encounters the table tennis[39]

在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，機(jī)械手抓取物體時(shí)需要調(diào)節(jié)抓取力的大小做到精準(zhǔn)抓取。如圖5(a)所示，Sun等[28]在機(jī)械手上安裝兩個(gè)壓力傳感器，分別展示了抓取5 g和50 g不同質(zhì)量物體時(shí)的應(yīng)用場景。輸出結(jié)果對應(yīng)圖5(b)和5(c)，可以看出抓取50 g物體時(shí)所需要的抓取力明顯大于5 g，傳感器在抓取和釋放過程中很快得到力的反饋，并且釋放后能夠回到初始狀態(tài)，機(jī)械手可以借助傳感器調(diào)整抓取力的大小抓取不同質(zhì)量的物體。

圖5 壓力刺激調(diào)整機(jī)械手抓取力大?。?(a) 安裝兩個(gè)壓力傳感器的機(jī)械手; (b-c) 抓取再釋放5 g和50 g物體時(shí)傳感器的輸出[28]Fig. 5 Pressure stimulation adjusts the grasping force of the manipulator: (a) Photograph of the manipulator with two pressure sensors; (b-c) Output of the sensor when grabbing and releasing 5 g and 50 g objects[28]

柔性壓力傳感器在生活?yuàn)蕵分幸材馨l(fā)揮作用。Kim等[22]將13個(gè)壓力傳感器嵌入鍵盤模仿柔性鋼琴墊，如圖6(a)所示，鋼琴墊具有良好的柔韌性并且對彎曲不敏感。通過手指按壓鋼琴墊改變負(fù)載電阻的大小調(diào)節(jié)電壓，當(dāng)電壓超過閾值電壓時(shí)鋼琴墊將曲線斜率轉(zhuǎn)化為音量輸出(圖6(b))。圖6(c)展示了音量與壓速的關(guān)系，音量隨著壓速的增加而增加，并且可以同時(shí)按壓不同鍵實(shí)現(xiàn)不同音符的播放。

圖6 壓力傳感器在柔性鋼琴墊中的應(yīng)用：(a) 柔性鋼琴墊實(shí)物圖; (b) 將傳感器信號轉(zhuǎn)為音量的方法; (c) 輸出音量隨著壓速的增加而增加[22]Fig. 6 Flexible piano pad based on flexible pressure sensors：(a) Photograph of the flexible piano pad with good flexibility; (b) The method of converting sensor signal to volume; (c) The output volume increases as the pressure rate increases[22]

1.3 形狀識別

人的皮膚除了能夠感受觸覺信號外，還能判斷受力區(qū)域以及識別施力物體形狀，這是因?yàn)槠つw內(nèi)存在豐富的敏感神經(jīng)細(xì)胞。為了模仿真實(shí)皮膚，科研人員通常將壓力傳感器集成陣列的形式協(xié)同工作來識別物體形狀。

Chen等[40]通過絲網(wǎng)印刷在印刷紙上集成4×4導(dǎo)電銀漿電極矩陣，接著將碳化縐紙作為壓力傳感器敏感層與導(dǎo)電銀漿結(jié)合并用聚酰亞胺(PI)膠帶封裝。如圖7所示，在傳感器陣列上放置鑰匙一樣不規(guī)則物體，通過對應(yīng)位置顏色變化模仿鑰匙物體形狀。同時(shí)傳感器還能對受力位置進(jìn)行區(qū)分，將兩個(gè)不同質(zhì)量的砝碼放置在傳感器陣列上，可以看見傳感器在受力區(qū)域有明顯的電阻變化。然而該4×4傳感器陣列具有較大尺寸，每個(gè)敏感單元寬度為10 mm，一共有17個(gè)輸出端口。

圖7 傳感器陣列對施力物體形狀識別以及受力區(qū)域區(qū)分：(a) 一個(gè)鑰匙放置在傳感器陣列上；(b) 通過顏色識別鑰匙的形狀；(c) 兩個(gè)不同質(zhì)量的砝碼放置在傳感器陣列上；(d) 放置砝碼時(shí)傳感器電流變化三維柱狀圖[40]Fig. 7 Sensor array recognize the shape of the applied object and distinguish the force area: (a) A key is placed on the sensor array; (b) Recognize the key shapes by color; (c) Two weights of different masses are placed on the sensor array; (d) Three-dimensional bar diagram of sensor current change with weight placement[40]

小型化是傳感器陣列的一個(gè)發(fā)展趨勢，人類身體觸覺傳感密度一般每平方厘米有30～40個(gè)敏感元素[41]，當(dāng)敏感元素間的距離變小時(shí)，電極制備會(huì)變得困難。為了解決這一問題，科研人員通常采用上下電極、中間敏感層的三明治結(jié)構(gòu)，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)還可以減少輸出端口的數(shù)目。He等[42]研發(fā)了一種8×8傳感器陣列，如圖8(a)所示，傳感器陣列邊長小于14.52 mm，封裝邊長小于20.54 mm。將傳感器放在純的光滑凝膠以及中間有異物的凝膠上并施加相同的壓力，輸出結(jié)果如圖8(b)和8(c)所示，傳感器放在表面有異物的凝膠上時(shí)，中心受到壓力大于邊緣壓力，如同皮膚觸摸到異物，這對腫瘤的檢測有重大意義。

圖8 傳感器陣列小型化：(a) 8×8傳感器陣列; (b-c) 將傳感器放在光滑凝膠和中間有異物凝膠上的輸出[42]Fig. 8 Seneor array miniaturization: (a) Photograph of 8×8 sensor array; (b-c) Sensor outputs when placed on smooth gel and gel with foreign bodies in the middle[42]

傳感器陣列元素小型化有助于形狀識別精度，然而對于生活中抓取形狀較大的物體如蘋果、水杯則需要大規(guī)模集成傳感器陣列。如圖9所示，Sundaram等[43]在針織手套上集成548個(gè)壓阻式壓力傳感器陣列，結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取抓取時(shí)產(chǎn)生的大規(guī)模數(shù)據(jù)，傳感器陣列能夠同時(shí)與26個(gè)不同的物體交互，通過數(shù)據(jù)與物體關(guān)聯(lián)可以識別單個(gè)物體，并估計(jì)他們的重量。

圖9 針織手套上大規(guī)模集成傳感器陣列：(a) 針織手套上集成548個(gè)傳感器陣列; (b) 抓取萬用表、訂書機(jī)、火龍果和剪刀時(shí)的壓力分布[43]Fig. 9 Large-scale integrated sensor array on knitted gloves：(a) A array of 548 sensors integrated on knitted glove; (b) Pressure distribution for grabbing multimeter, stapler, pitaya and scissor[43]

2 展望

上述通過提升傳感器性能已經(jīng)展示了諸多場景的應(yīng)用，然而傳感器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)面臨著環(huán)境中的許多干擾，從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，我們對未來傳感器的發(fā)展方向做出幾點(diǎn)展望，并圍繞著這些方向介紹近幾年工作進(jìn)展。

2.1 多模態(tài)感知

人的皮膚除了可以感知壓力信號，還可以感知剪切力、應(yīng)變、溫度、濕度和pH等其他信號。傳感器的功能是實(shí)現(xiàn)信號的感知，為了使它更接近人體皮膚，多模態(tài)感知是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢。

Meng[44]等制備了一種石墨烯片/硅橡膠彈性體傳感器，能夠同時(shí)對壓力、應(yīng)變和溫度敏感，當(dāng)石墨烯片體積分?jǐn)?shù)為3.75%時(shí)，傳感器在0%～5%應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)變系數(shù)達(dá)到100，在0～10 kPa壓力范圍內(nèi)靈敏度為2.7×10-2kPa-1，在溫度上升到75 ℃時(shí)電阻迅速增加，這對傳感器的溫度使用范圍是可以接受的。然而應(yīng)變和壓力的檢測都是通過電阻變化實(shí)現(xiàn)的，該傳感器無法對應(yīng)變和壓力信號進(jìn)行區(qū)分。

Zu[45]等將(3-氨基丙基)三乙基硅烷(APTES)修飾的還原氧化石墨烯(rGO)與聚乙烯基二甲氧基硅(PVMDMS)、乙烯甲基二甲氧基硅(VMDMS)共縮聚共價(jià)交聯(lián)得到還原氧化石墨烯/聚有機(jī)硅氧烷氣凝膠，其制備的傳感器能夠同時(shí)對應(yīng)變(0.1%～80%)、壓力(10 Pa～110 kPa)和溫度(20～100 ℃)進(jìn)行檢測，1 000次壓縮循環(huán)后對溫度敏感特性不變。圖10展示了該傳感器的三種應(yīng)用場景，研究者試圖通過多個(gè)傳感器配合工作消除溫度對應(yīng)變和壓力的影響，然而應(yīng)變和壓力的影響是共同作用的。未來可以考慮通過小面積集成不同傳感器陣列的形式，將多模態(tài)感知與單一模態(tài)感知相結(jié)合實(shí)現(xiàn)不同信號間的解耦。

圖10 傳感器陣列多模態(tài)感知：(a) 傳感器附著在有熱水的玻璃杯中電信號輸出; (b) 手鏈放在彎曲傳感器上電信號輸出; (c) 昆蟲在傳感器上爬行時(shí)電信號的輸出[45]Fig. 10 Sensor array multimodal sensing: (a) Electrical signals output when the sensor is attached to the surface of glass with hot water; (b) Electrical signals output when the bracelet is placed on the bending sensor; (c) The output of electrical signals as the insect crawls on the sensor[45]

2.2 抗干擾能力

多模態(tài)感知的傳感器對于不同信號間的解耦是一大挑戰(zhàn)，而單一模態(tài)感知的傳感器則需要有良好的抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)中傳感器性能的測試都是在理想環(huán)境下進(jìn)行的，然而傳感器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)受到一系列的干擾如振動(dòng)、汗水和濕氣等，如何避免外界的干擾需要被考慮在內(nèi)。

Gao等[46]將丁腈橡膠(NR)、多壁碳納米管(MWCNTs)和石墨粉(GPs)溶于甲苯磁力攪拌形成均勻溶液，在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)上蒸發(fā)Au作為頂部電極和底部電極，將導(dǎo)電溶液旋涂在下極板上，PET襯底用乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)密封。MWCNTs具有負(fù)溫度系數(shù)，GPs具有正溫度系數(shù)，通過材料補(bǔ)償以及EVA密封達(dá)到消除溫度和濕度的影響，制備的壓力傳感器在不同的溫度和濕度環(huán)境下I-V特性可重復(fù)。

Wang等[47]以石墨烯納米片(GNPs)/多壁碳納米管(MWCNT)/聚乙烯氧化物(PEO)作為活性材料，設(shè)計(jì)雙層PDMS島狀結(jié)構(gòu)消除應(yīng)變的影響，并在上面覆蓋PI膜，PI膜的楊氏模量較高可以有效減少變形，通過設(shè)計(jì)四個(gè)形狀相同的元件組成惠斯通電橋來抑制熱干擾，覆蓋層使傳感器抵抗?jié)穸鹊母蓴_。如圖11所示，將傳感器鑲嵌在手套上抓取含有不同溫度水的玻璃瓶時(shí)，輸出電壓基本一致，消除了溫度對傳感器的影響，分別用干燥和潮濕的手去抓取正常和拉伸狀態(tài)的傳感器，重復(fù)多次，輸出電壓幾乎沒有發(fā)生變化，可見應(yīng)變和濕度對傳感器捕捉壓力信號沒有影響。

圖11 傳感器抵抗溫度、應(yīng)變和濕度的干擾：(a) 抓取和釋放裝有不同溫度水的玻璃瓶時(shí)傳感器輸出電壓變化; (b) 用干燥和潮濕的手分別去抓取不同拉伸狀態(tài)下傳感器時(shí)輸出電壓變化[47]Fig. 11 Sensor resist to temperature, strain and humidity：(a) The sensor output voltage changes when grabbing and releasing glass bottles with different temperatures water; (b) The output voltage changes of the sensor under different tensile states were captured by dry and wet hands [47]

2.3 自愈功能

柔性傳感器在使用過程中由于大幅度的變形和尖銳物體的劃傷會(huì)不可避免的對導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生破壞，理想中的傳感器是能夠像皮膚一樣在一定范圍內(nèi)具有自愈能力，這會(huì)增加傳感器的使用壽命。

水凝膠是典型的自愈材料，通過物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)的可逆動(dòng)態(tài)連接從而具有自愈功能，目前報(bào)道的具有自愈功能的柔性壓力傳感器大多是基于導(dǎo)電水凝膠實(shí)現(xiàn)的[48-51]。Xia等[52]將殼聚糖(CS)和羧基功能化多壁碳納米管(c-MWCNTs)與疏水締合交聯(lián)的聚丙烯酰胺(HPAAm)網(wǎng)絡(luò)相互滲透形成雜化網(wǎng)絡(luò)水凝膠，當(dāng)水凝膠斷口接觸時(shí)，通過疏水締合、靜電相互作用和氫鍵的修復(fù)使其恢復(fù)力學(xué)和電學(xué)性能。然而基于水凝膠的柔性壓力傳感器由于水分的揮發(fā)容易造成傳感器性能下降，并且水凝膠在潮濕環(huán)境中容易吸收水分，許多措施已經(jīng)被用來增強(qiáng)水凝膠的保水性[53-54]。除了水凝膠外，聚合度高的彈性體也被用來制備自愈傳感器，Tian[55]等將聚苯乙烯(PS)微球結(jié)構(gòu)夾在兩個(gè)激光誘導(dǎo)的石墨烯/聚氨酯(LIG/PU)薄膜之間，如圖12所示，當(dāng)傳感器切割未完全分離后，PU鏈上暴露的氨基和羧基可以重新建立氫鍵，室溫下30 min內(nèi)傳感器可修復(fù)形成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并且修復(fù)后的傳感器可以承受100 g的重量。

圖12 傳感器切割后室溫下30 min可愈合，并能承受100 g的重量[55]Fig.12 The sensor heals up to 30 min after cutting at room temperature and can hold up to the weight of 100 g[55]

2.4 零待機(jī)功耗

柔性壓力傳感器即使在無外界壓力時(shí)由于體電阻的存在也會(huì)使電路導(dǎo)通，造成不工作時(shí)能源的浪費(fèi)。盡管可以通過控制功能層間的接觸使傳感器具有大的體電阻，然而柔性傳感器一旦彎曲就會(huì)打破大電阻的局面。目前常用的方法是在功能層間添加間隔層使傳感器在靜態(tài)時(shí)絕緣，壓力作用下導(dǎo)通從而實(shí)現(xiàn)零功耗待機(jī)[56-58]。

He等[59]自上而下設(shè)計(jì)出一種PDMS/ZnO/光刻膠墊片(PS)/Au/PI結(jié)構(gòu)，如圖13(a)所示，將有光刻膠墊片壓力傳感器接入電路中，可以通過施加壓力控制燈泡的導(dǎo)通，傳感器相當(dāng)于開關(guān)的作用。圖13(b)展示了基于人機(jī)交互時(shí)的應(yīng)用場景，相同握手條件下，有光刻膠墊片的壓力傳感器輸出電流小，具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)。然而目前傳感器所能實(shí)現(xiàn)零待機(jī)功耗的極限在30°內(nèi)，并且由于絕緣層的存在會(huì)阻止壓力作用下導(dǎo)電層的接觸，導(dǎo)致傳感器靈敏度的降低。零待機(jī)功耗要求輸出電流小，高靈敏度要求電阻變化大即大電流數(shù)輸出，如何實(shí)現(xiàn)零待機(jī)功耗與高靈敏度兼容仍具有挑戰(zhàn)。

圖13 零待機(jī)功耗壓力傳感器應(yīng)用：(a) 有無光刻膠墊片壓力傳感器在按壓動(dòng)作下燈泡亮度的變化; (b) 有光無光刻膠墊片在人機(jī)交互場景下的應(yīng)用[59]Fig. 13 The application of zero standby power consumption pressure sensor: (a) Changes of bulb brightness under pressing action for sensors with photoresist gasket and without it; (b) Application of sensors with photoresist gasket and without it in human-computer interaction[59]

2.5 自供電

作為可穿戴器件時(shí)，為了給人體“減壓”，柔性傳感器會(huì)朝著小型化發(fā)展，附加電源會(huì)增加傳感器的體積。壓電式和摩擦電式傳感器一個(gè)突出優(yōu)勢就是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能用于傳感器的自供電，然而只能用于動(dòng)態(tài)力的檢測。

人體與周圍環(huán)境之間存在一定的溫度差，通常情況下這種溫度差是被浪費(fèi)的，一個(gè)設(shè)想是利用熱電材料從溫度差中獲得的能量為傳感器供電[23,60]。Li等[23]將三維間隔織物(SF)浸泡在PEDOT：PSS溶液中取出烘干，銀漿作為電極，銅絲將100個(gè)單元串聯(lián)制備自供電柔性壓力傳感器，根據(jù)測量原理不同，可以獨(dú)立讀取溫度和壓力。如圖14所示，將傳感器陣列制備成可穿戴背心穿在假人身上，用手掌觸摸肩部時(shí)可以分別顯示出手掌的相對溫度和壓力分布。

圖14 手掌觸摸傳感器陣列時(shí)的溫度和壓力相對分布[23]Fig. 14 The relative distribution of temperature and pressure when the palm touches the sensor array[23]

除了能量轉(zhuǎn)換外，能源存儲(chǔ)器件也被用來為傳感器供電[61-62]。Sun等[61]通過電化學(xué)反應(yīng)使傳感器在無電源的情況下既能檢測靜態(tài)力又能檢測動(dòng)態(tài)力。傳感器結(jié)構(gòu)如圖15(a)所示，石墨/PDMS與電解質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng)捕獲電子，Al與電解質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)失去電子，外界壓力作用下負(fù)載電阻減小，電源依賴的是氧化還原反應(yīng)在陽極和陰極上產(chǎn)生的電位差，因此可以實(shí)現(xiàn)對靜態(tài)力的測量，輸出結(jié)果如圖15(b)所示。

圖15 自供電壓力傳感器：(a) 自供電壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 壓力傳感器對靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力的測量[61]Fig. 15 Self-powered pressure sensor: (a) Schematic diagram of self-powered pressure sensor structure; (b) Measurement of static and dynamic force by pressure sensor[61]

除了以上內(nèi)容，傳感器在應(yīng)用時(shí)，這些方向也是被考慮的：

(1) 為了增加柔性傳感器的便攜性，無線通信是傳感器的一個(gè)重要方向，目前報(bào)道的無線壓力傳感器大多基于電容式，通過與外部天線的電感耦合組成LC諧振電路[63-65]；

(2)傳感器和處理模塊的集成會(huì)增加系統(tǒng)的功耗，低功耗一直是研究人員關(guān)注的問題[66-67]；

(3)傳感器貼附在皮膚表面時(shí)，汗水的積累會(huì)滋生細(xì)菌，同時(shí)會(huì)損害傳感器的性能，這要求傳感器具有良好的透氣性[68]；

(4)傳感器與人的皮膚應(yīng)該有良好的接觸匹配性，使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生異物感，并且長期使用不脫落[69-70]；

(5)除了傳感器與皮膚的匹配問題，功能材料與襯底材料由于模量失配在使用過程中可能發(fā)生脫落使傳感器不能穩(wěn)定工作，需要考慮增強(qiáng)功能材料與襯底材料間的界面粘附性[71-72]；

(6)將傳感器植入人體內(nèi)部時(shí)，材料必須是無毒的、具有生物相容性，并且能夠長時(shí)間穩(wěn)定工作[35]；

(7)對于柔性壓力傳感器一些應(yīng)用場景如觸摸屏、隱形軟體機(jī)器人和智能皮膚，需要在保證傳感器高透明度的同時(shí)兼顧優(yōu)異的電學(xué)性能[73-74]；

(8)此外，為了滿足柔性傳感器龐大的市場，需要探討新工藝新材料實(shí)現(xiàn)柔性傳感器低成本大規(guī)模制備。

3 結(jié)語

柔性壓阻式壓力傳感器由于其良好的力學(xué)性能和電學(xué)性能在生活、工業(yè)、醫(yī)療等方面都有應(yīng)用，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及人們對自身健康狀態(tài)的日益關(guān)注，未來對傳感器的需求是巨大的。目前科研人員對柔性壓阻式壓力傳感器的研究已經(jīng)開展了許多工作并展示了具體應(yīng)用，然而這些應(yīng)用仍處于實(shí)驗(yàn)階段，如何將制備好的傳感器應(yīng)用到生活中并產(chǎn)業(yè)化是亟待解決的問題。傳感器從設(shè)計(jì)、制備到應(yīng)用涉及到材料、電子、能源、通信和計(jì)算機(jī)等多學(xué)科領(lǐng)域，一方面，未來柔性傳感器的發(fā)展是多學(xué)科交叉共同努力的結(jié)果，另一方面，探索新材料、新結(jié)構(gòu)、新原理和新工藝有望突破現(xiàn)有傳感器性能的極限并實(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模制備。