柔性壓力傳感器作為一種新型的電子器件，它在人機交互、醫(yī)療健康、機器人觸覺等應(yīng)用領(lǐng)域具有比剛性傳感器更大的優(yōu)勢，但也對材料提出了更嚴格的要求。例如，它要求構(gòu)成器件的材料很薄、較軟，在某些情況下可貼合于人體皮膚表面或者植入體內(nèi)，這進一步要求材料具有良好的生物相容性，并能與生物組織實現(xiàn)良好的力學(xué)匹配。在器件性能方面， 柔性壓力傳感器的設(shè)計主要關(guān)注于靈敏度、響應(yīng)時間、檢測限、穩(wěn)定性等性能的提高。最近，研究者們又將目光拓展到了器件的壓力響應(yīng)范圍、壓力分辨率、空間分辨率及拉伸性能等， 使得傳感器具有更廣闊的應(yīng)用前景。本篇綜述介紹了近年來柔性壓力傳感器研究的進展， 主要包括柔性壓力傳感器的傳感原理、傳感性能及應(yīng)用前景，并最后對該類器件的發(fā)展進行了展望。
4 柔性壓力傳感器的應(yīng)用
從40年前第一臺觸摸屏計算機HP-150誕生，到現(xiàn)在智能手機，智能手表，智能屏幕等各種電子產(chǎn)品琳瑯滿目，我們見證了電子材料的飛速發(fā)展。近些年來人工智能領(lǐng)域十分熱門，在實現(xiàn)機器人與環(huán)境交互、機器人與人類交互的過程中，觸覺感知是必須攻克的一個十分重要的課題。此外，在醫(yī)療領(lǐng)域里，利用可穿戴的柔性壓力傳感器對人體脈搏、心跳、血壓等生理信號進行檢測，將為病情的診斷和治療提供更快速高效的途徑。盡管柔性壓力傳感器還未能大規(guī)模應(yīng)用，但是可以肯定的是，這類器件未來將徹底顛覆人類的生活方式。

4.1 觸覺感知

人的手指指尖分布著大量的觸覺感受器，我們可以通過手指感受到物體的形狀、大小、軟硬程度、表面紋理、粗糙度等。對于機器而言，壓力傳感器是其觸覺感知系統(tǒng)不可缺少的一部分，柔性器件可以進一步增加其安全性及承受變形的能力，并且適用于彎曲表面。目前，大多數(shù)關(guān)于觸覺感知的研究集中于傳感器對正向壓應(yīng)力的響應(yīng)，但是在實際環(huán)境中，力的方向往往充滿了隨機性。人類之所以能感受到來自不同方向的力（例如壓力和摩擦力），能夠?qū)ξ矬w表面的紋理進行判斷，源于指尖有著復(fù)雜而精妙的結(jié)構(gòu)。受到指尖結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，Chen 等采用 CNTs-PDMS 混合物模擬指尖的三層構(gòu)造來設(shè)計傳感器。位于最外側(cè)的雙螺旋結(jié)構(gòu)是電極同時也是摩擦納米發(fā)電機。當(dāng)物體在設(shè)備表面滑動時，電子會在界面之間傳輸，產(chǎn)生交流電壓，峰出現(xiàn)的頻率可以反映物體的粗糙程度。位于最內(nèi)側(cè)的多孔 CNTs-PDMS層狀結(jié)構(gòu)可以感應(yīng)壓力變化，但是這種器件的靈敏度在壓力超過 1N 以后迅速下降。這種傳感器應(yīng)用于機器人上，能夠感知物體表面粗糙度、紋理，還可以完成握緊和松開物體等操作。Liang 等在機器人手指表面貼附3×3的觸覺傳感器陣列，然后觸摸表面紋理不同的平板，產(chǎn)生一系列波峰信號。對這些波峰信號進行分析，并和標(biāo)準值對比，識別的準確率達到了99%。

Kim等展示了用超薄單晶硅納米帶制作的電子皮膚，它由多層結(jié)構(gòu)堆疊而成，集成了濕度、壓力和溫度傳感器陣列。其中，壓力傳感器模塊如圖7（a）所示。通過在 PI 層形成凹洞，壓力傳感器的靈敏度提升了約10倍。使用的單晶硅納米帶被制作成彎曲的蛇形結(jié)構(gòu)， 這種特殊的幾何設(shè)計讓納米帶拉伸性能得到提升。將電子皮膚貼附在假肢上，檢測假肢敲擊鍵盤和抓球時的電阻變化，證明了壓力傳感器對外界刺激有快速且穩(wěn)定的信號響應(yīng) （圖 7（b））。所有的電刺激可以經(jīng)納米線電極傳輸?shù)缴眢w特定的神經(jīng)元。為預(yù)防炎癥，在納米線電極上還修飾了二氧化鈰納米粒子。這種設(shè)計為新興的假肢和周圍神經(jīng)系統(tǒng)接口技術(shù)提供了有益的參考。Sim 等報道了溶膠-凝膠聚合物處理的銦鋅氧化物半導(dǎo)體納米膜制作的超薄可拉伸電子皮膚。該電子皮膚具有多功能性， 制造簡單，不易磨損的優(yōu)勢，包含用于數(shù)據(jù)存儲的電阻隨機存取存儲器、用于接合和轉(zhuǎn)換電路的場效應(yīng)晶體管、用于健康監(jiān)測和運動傳感的各種傳感器，以及用于溫度傳遞的微加熱器。他們將這種電子皮膚貼在人體上捕捉人體的運動信號，利用這種信號可以控制機械手的運動，實現(xiàn)了人遠程精確操縱機械的目標(biāo)。

目前大多數(shù)觸覺傳感器利用的是電子來將物理信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，并用電信號數(shù)值的大小來表示觸覺感知的強弱。而人體是通過體內(nèi)離子的遷移和一系列生物化學(xué)反應(yīng)來將皮膚的變形轉(zhuǎn)化為機械感受器的電信號，實現(xiàn)觸覺感知。這兩種不同的方式引起了人們的關(guān)注和思考。Kim 等制備了一種離子型的觸覺傳感器，由三層結(jié)構(gòu)組成，包括兩層石墨烯電極及中間的離子液體。受壓時，頂層的石墨烯電極向下運動并和離子液體接觸形成 EDL，隨著壓力增加，接觸面積增大，電容值增大。由于初始接觸面積很小，該觸覺傳感器的靈敏度十分高 （31.1 kPa?1）。近幾年來，基于水凝膠的觸覺傳感器已經(jīng)具備了高靈敏度、高彈性、良好的可拉伸性、自愈合能力和黏附性等優(yōu)點。這種類型的傳感器大多用離子作為傳輸電信號的介質(zhì)。Liu等將 Ag離子引入具有非對稱粗糙表面的聚丙烯酸水凝膠中，水凝膠中帶負電荷的羧酸基團會促進帶正電荷的Ag離子分散， 并在電極之間建立非對稱的電動勢。這種離子型的觸覺傳感器只需要 20mV的外部電壓，就可以檢測到 0.075 Pa 的壓力，并且擁有優(yōu)于大部分觸覺傳感器的靈敏度（57—171 kPa–1）。

還有研究者設(shè)計了一種對磁場敏感的觸覺傳感器，它由聚合物磁體顆粒、磁性傳感器和氣隙組成。當(dāng)微小外力作用引起聚合物磁體變形時，磁性傳感器能夠檢測到磁場變化。通過和LC振蕩電路集成，能夠在低壓環(huán)境 （0—1kPa）下將數(shù)字信號與頻率信號進行轉(zhuǎn)換，頻率隨外力的增加而升高。顯示出高靈敏度（4.4 kPa?1）和超過人體感知能力極限的檢測能力（0.3Pa）。常見的傳感器大多通過數(shù)值或者圖表來反映壓力變化，而 Chou 等成功開發(fā)了一種可視化的觸覺傳感器，這種傳感器會隨著壓力的變化呈現(xiàn)不同的顏色。它由涂覆單壁碳納米管的尖錐狀 PDMS 陣列和電致變色的高分子薄膜（不同壓力下顏色不同）組成（圖7（c））。通過改變壓力的大小，傳感器會發(fā)生不同的顏色變化（圖 7（d））。該系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用，例如交互式可穿戴設(shè)備， 柔性顯示屏和智能機器人等。

4.2 健康監(jiān)測

心血管疾病威脅著世界各地人們的健康，也是導(dǎo)致死亡最主要的原因之一。因此，對心率、脈搏、血壓等關(guān)乎心血管健康的參數(shù)進行監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)心血管疾病并采取治療措施。人的心跳和脈搏信息作為評估健康狀況的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，一般可以通過在手腕處把脈、在胸部貼附電極繪制心電圖等方式獲得。除此以外，人的指尖脈沖波形也可以反應(yīng)脈搏信息。

Meng 等制備了一種基于互鎖結(jié)構(gòu)的摩擦電型壓力傳感器，用于收集指尖脈搏信號。帶有納米微球結(jié)構(gòu)的PDMS和 聚乙烯（polyethylene，PE）薄膜互鎖在一起，提升靈敏度的同時也使傳感器可以自供電。這種壓力傳感器只需要手指按壓就可以準確地繪制出脈搏波形并得到心率。將得到的信息和商用醫(yī)療設(shè)備的進行對比，幾乎完全一致 （圖 8（a））。他們還用該傳感器搜集了35歲和65歲的兩名志愿者的脈搏信號，顯示出了明顯的差異（圖 8（b））。這個工作在簡化測試環(huán)節(jié)和降低設(shè)備成本方面擁有極大潛力。

Li 等采用銀納米線、石墨烯和聚酰胺納米纖維組成了納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。銀納米線均勻地分散在聚酰胺納米纖維網(wǎng)絡(luò)中，形成導(dǎo)電路徑。石墨烯充當(dāng)銀納米線之間的橋梁。該壓力傳感器具有超高的靈敏度（134 kPa?1，0—1.5 kPa），可以檢測到 3.7Pa 的壓力并在 75 kPa 的壓力范圍正常運行。它可以被用來檢測人體的脈搏和說話時聲帶的振動等信息。Chen等把具有兩種不同高度錐形微結(jié)構(gòu)（900和 450 μm）的 PDMS 薄膜和膨體聚四氟乙烯薄膜結(jié)合起來，不同高度的微結(jié)構(gòu)在確保一定靈敏度的同時增加了壓力響應(yīng)范圍，多孔、低密度且高韌性的膨體聚四氟乙烯膜讓復(fù)合材料的機械強度和韌性得以提升。以此為基礎(chǔ)制備的摩擦電型壓力傳感器的靈敏度為7.989 V/kPa，在0.1—60.0 kPa的范圍內(nèi)有信號響應(yīng)，同時具有高穩(wěn)定性和高信噪比（38dB）。這些優(yōu)勢使其能夠滿足脈搏、心跳和血壓監(jiān)測方面的各種要求。

人的一生中大概有三分之一的時間都是在睡眠中度過，睡眠質(zhì)量直接關(guān)系到人的身體和精神健康。睡眠質(zhì)量較差容易導(dǎo)致睡眠失調(diào)、肥胖等疾病，它們是快節(jié)奏生活背景下威脅人們健康的潛在風(fēng)險。對睡眠行為進行監(jiān)測，可以判斷睡眠質(zhì)量并給疾病診斷提供參考。Lin 等設(shè)計了一種可檢測使用者睡覺姿勢變化的床單。它分為兩層，分別貼附了垂直交叉的導(dǎo)電纖維陣列。波浪形的PET薄膜被夾在兩層導(dǎo)電纖維之間，使其可以通過摩擦起電來實現(xiàn)實時的壓力信號采集（圖8（c））。此外，這種床單在用自來水清洗后，依然能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的壓力響應(yīng)信號，具有制備簡單、適合家用、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。測試者身體姿勢變化的程度和次數(shù)可以在一定程度上反映睡眠質(zhì)量。通過建立高度集成的數(shù)據(jù)采集、處理和無線傳輸系統(tǒng)，對收集到的電信號進行分析， 可評估睡眠質(zhì)量和健康狀態(tài)（圖8（d） 和圖8（e））。

考慮到實時監(jiān)測生理信號的設(shè)備要長期佩戴，因此實現(xiàn)傳感器和人體良好的相容性，讓人們能夠更加舒適安全地穿戴是十分重要的?；诖?，一些研究提出了在織物當(dāng)中放置傳感器來實現(xiàn)生理信號監(jiān)測， 這些功能性紡織品在下一代可穿戴電子和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。例如 Min 等設(shè)計了一種電容型的傳感織物，可以用于呼吸監(jiān)測系統(tǒng)。這種織物由導(dǎo)電紡織品和聚酯材料制成，將它放置在測試者的腹部，得到的模擬信 號經(jīng) MP150 ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，對使用者的呼吸次數(shù)進行記錄。該工作為測量呼吸頻率提供了一種簡單易行的方式。Liu等設(shè)計了一種大面積的基于織物的壓力傳感器陣列，每一個陣列單元有14.4 kPa–1的高靈敏度、2Pa的檢測極限及 24ms的響應(yīng)速度。能夠?qū)崿F(xiàn)對手指彎曲、身體運動及脈搏波的檢測。此外，這種基于織物的傳感器可以實現(xiàn)個性化的圖案設(shè)計，提升了美感。人的步態(tài)模式可以在一定程度上反應(yīng)人體健康狀況，組織是否受到損傷等， 通過設(shè)計具有足底壓力傳感功能的鞋墊，可以實時監(jiān)測人體的運動信息和步態(tài)模式。這種智能鞋墊從嵌入的壓力傳感器陣列中獲取步態(tài)信息，并無線傳輸?shù)酵獠匡@示系統(tǒng)。通過與存儲的參考數(shù)據(jù)比較，可以確定使用者的步態(tài)模式。

5 展望

雖然柔性壓力傳感器的發(fā)展歷史不是很長，但是這個領(lǐng)域迄今已經(jīng)展現(xiàn)出極大的活力，一大批杰出的科研工作者不斷地探索傳感器設(shè)計的思路和理念，并推動傳感器件和傳感系統(tǒng)的未來產(chǎn)業(yè)化進程。

幾十年前，硅材料讓半導(dǎo)體技術(shù)得以蓬勃發(fā)展，促進了信息產(chǎn)業(yè)的騰飛。如今柔性電子材料正把我們逐漸推向柔性電子時代。

近些年來，新材料的使用為柔性壓力傳感器的未來描繪了一幅更廣闊的藍圖。例如應(yīng)用含有動態(tài)可逆鍵的材料可以實現(xiàn)斷裂處的多次愈合，相比于添加愈合劑和催化劑的方式更具有優(yōu)勢。這讓壓力傳感器的使用壽命和性能的穩(wěn)定性大大提升。某些材料具有良好的生物兼容性并且可在生物體內(nèi)降解， 促進了柔性壓力傳感器向人體內(nèi)部植入的研究。例如鮑哲南團隊用聚癸二酸丙三醇酯作為介電層， 金屬鎂作為電極制備電容式傳感器， 可以在人體內(nèi)降解，可有效減少手術(shù)的次數(shù)。Li等在聚 L-丙交酯-乙交酯（poly（L-lactide-co-glycolide），PLGA）薄膜中摻雜金納米棒，使降解過程變得可以調(diào)控，材料暴露在近紅外輻射下即可開始降解; 除此以外，一些在壓力變化下呈現(xiàn)不同顏色的高分子，能更直觀地反應(yīng)壓力的大小，讓數(shù)據(jù)的顯示方式從圖表化變?yōu)樯驶＠?Chou等受到變色龍的啟發(fā)，將電致變色高分子應(yīng)用于柔性壓力傳感器，僅通過視覺就能感知到壓力的變化;柔性壓力傳感器還向著自驅(qū)動的方向在不斷發(fā)展，這得益于摩擦電材料和壓電材料的應(yīng)用;水凝膠和離子凝膠近些年的研究熱度不斷升高，以離子作為傳輸電信號的介質(zhì)將突破傳統(tǒng)的電子傳導(dǎo)信號的模式，并實現(xiàn)器件和人體或其他生命更友好的相容。

未來，柔性壓力傳感器將在人工智能、健康監(jiān)測、人機交互、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用上擁有巨大的潛力。然而，目前柔性壓力傳感器的發(fā)展依然面臨著許多問題。如在人體表皮電子或者體內(nèi)植入電子方面， 電子器件如何進一步提高和人體的生物相容性，如何具有更好的透氣性、親膚性，以及自愈合能力; 在機器人的應(yīng)用上，如何進行大面積傳感器陣列的低成本制備，減少信號串?dāng)_，提高空間分辨率和壓力分辨率; 在假肢的應(yīng)用上，如何將電子器件與人體神經(jīng)接口相連，向使用者傳輸來自環(huán)境的刺激信號等。此外，如何讓傳感器在不同壓力下對力的響應(yīng)具有更好的線性度;壓力分辨率、空間分辨率、壓力響應(yīng)范圍如何進一步提升; 各種性能之間如何更好地協(xié)調(diào)等都是需要關(guān)注的問題。

本文來源：智能傳感器專委會
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