柔性可穿戴传感器的研究现状及挑战

柔性可穿戴传感器作为穿戴式电子系统的重要组成部分，在个人健康监护、人机交互体系以及人造电子皮肤等领域具有广阔的应用前景，是当下最前沿的研究领域之一。

据麦姆斯咨询报道，近期，上海大学张建华团队于中国《自然杂志》发表综述文章，概要介绍了不同类型的柔性可穿戴传感器的研究现状，同时对柔性传感器大面积阵列制造所面临的挑战及新方法进行了阐述和分析，最后展望了柔性传感器未来的发展趋势。

柔性压力/应变传感器

近年来，科学家们基于新型功能纳米材料和微纳结构，已经研制出多种高灵敏度、快响应的压力/应变传感器。上海大学张建华团队利用新型二维材料MXenes（Ti3C2）的优良导电性和天然织物表面波浪形的微结构，设计并制备出一种柔性织物压阻式压力传感器，如图1（a）所示。该柔性传感器具有灵敏度高、响应快速的优势，可满足人机交互界面、脉搏监测、语音识别等柔性场合应用需求。

图1 柔性织物压阻式压力传感器：（a）结构示意图；（b）工作机理示意图；（c）语音识别应用图

柔性温度传感器

温度传感器在监测人体体温和感知环境温度方面发挥着至关重要的作用。目前大多数柔性温度传感器的工作原理是基于温度敏感材料在不同温度下其导电特性的变化来实现体温检测的。有研究人员提出一种以Ti3C2Tx纳米颗粒-薄片复合网络材料作为温敏导电材料，热膨胀系数较大的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为基板的Ti3C2Tx-PDMS柔性温度传感器。随着温度升高，PDMS基板发生各向同性热膨胀，使附着在上面的导电网络材料产生更大尺寸裂纹，进而引起器件电阻值的变化，实现对温度的检测。将其扩展为4 × 4的阵列传感器可成功绘制出手指、水杯和紫外灯等具有温度的物体的位置分布，表明其在近场物体温度分布检测方面的巨大潜力。

图2 基于Ti3C2Tx/PDMS的温度传感器器件：（a）不同温度下器件表面导电材料裂纹的尺寸变化图；（b）温度分布识别应用图

柔性湿度传感器

与柔性温度传感器类似，柔性湿度传感器的典型策略是检测不同湿度水平下各种传感材料的电导率变化。二维过渡金属碳化物MXenes具有独特的富羟基纳米结构，亲水性佳，因而受到湿度传感器研究人员的青睐。吉林大学研究人员提出了一种经氢氧化钠（NaOH）溶液处理的碱化MXenes（AMX）材料，由于碱金属离子的插层和表面末端氧-氟的增加，AMX器件具有优异的湿度灵敏度，如图3所示。

图3 基于AMX的湿度传感器：（a）AMX表面H2O分子吸附的工作机理示意图；（b）基于MXenes和AMX的器件对湿度的响应对比

柔性光学传感器

常见的光学传感器是基于光电原理，因此光学传感器也常被称作光电探测器，在环境监测、图像传感、监控、智能手机等领域都有十分重要的应用价值。上海大学张建华团队提出一种基于超小氧化镍（NiOx）纳米晶体材料的有机光电二极管（OPD），利用NiOx高的最低未占轨道能级阻断了来自外部偏置的暗电流，使所制造的OPD暗电流降低了一个数量级以上，如图4（b）所示。

图4 基于NiOx的OPD：（a）结构示意图；（b）有无NiOx的两种器件在黑暗/有光条件下的电流密度对比图

延伸阅读：
《可穿戴传感器技术及市场-2022版》
《印刷和柔性传感器技术及市场-2021版》

基于薄膜晶体管（TFT）的柔性阵列传感器

薄膜晶体管（TFT）由于具有高密度制造、高分辨率、节能化、轻便化等特性，已成功地作为有源元件应用于显示领域。借助于TFT的信号放大功能和柔性阵列制造优势，将其与传统柔性传感功能单元集成起来，可提高传感的灵敏度和维度。这种基于TFT的传感技术为解决传感器在柔性衬底上阵列化提供了极大的潜力和发展空间。有研究人员设计并制备了一种基于有机TFT的低功耗、高灵敏度的柔性有源压力传感阵列，该5 × 5有源阵列的空间分辨率为12.83 ppi，可映射出字母“E”的平面位置，可与人类的触觉感知相媲美。

图5 柔性有源压力传感阵列：（a）器件结构示意图；（b）字母“E”和器件对其位置映射图

综上所述，柔性可穿戴传感器在康复医疗、人机交互、电子皮肤等多领域有广泛的应用，但未来仍面临着一些困难需要克服和深入研究，包括如何实现柔性传感器的多参数化并增强传感器的可穿戴性。此外，现阶段的柔性可穿戴传感器仅能检测外部刺激，然而人体皮肤的感知系统不仅能够感知外部刺激还能储存刺激、分析刺激并对刺激做出响应。因此，如何使柔性可穿戴传感器具有类似皮肤的感知与记忆功能从而实现智能感知是下阶段柔性可穿戴传感器研究的重点与难点。

 

编辑：黄飞