顶刊带你了解柔性电子传感器的近期发展

1、柔性电子传感器概述

柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性，甚至可以自由弯曲甚至折叠，而且结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对复杂被测量进行检测。新型柔性传感器在电子皮肤 、医疗保健、电子、电工、运动器材、纺织品、航天航空、环境监测等领域受到了广泛应用。

2、柔性电子传感器分类

柔性传感器种类较多，分类方式也不尽相同。按照用途分类，柔性传感器包括柔性压力传感器、柔性气体传感器、柔性湿度传感器、柔性温度传感器、柔性应变传感器、柔性磁阻抗传感器以及柔性热流量传感器等；按照感知机理分类，柔性传感器包括柔性电阻式传感器、柔性电容式传感器、柔性压磁式传感器以及柔性电感式传感器等。

3、柔性电子传感器的最新研究成果

（1）Science: 高精度柔性力学传感器

对人体自身动作的研究对于假肢、人机交互等领域有重大意义，而在人体的动作研究过程中，力学传感器是研究的关键。现阶段的力学传感器，在测量手的抓握行为时，需要将传感器放在指尖，这些传感器会干扰手指、影响手指施加的力，导致无法精确再现自然触觉，使得手指触觉上出现偏差，因此导致手指抓握力测量上产生较大的偏差。目前，在不影响固有功能的情况下监控手指操作对于理解自然触感至关重要。 但是，磨损或附着的传感器会影响皮肤的自然感觉。针对该问题，柔性电子大牛，日本东京大学TakaoSomeya团队基于电纺纳米纤维，开发出了超级灵敏的电容式纳米网络压力传感器，不仅可以准确的监测手指压力，并且不会对人产生感官影响。它们定量研究了传感器对人感觉的影响，使用传感器的手指与裸露的手指相比具有可比的抓握力，即使安装了2微米厚的聚合物薄膜，在调整摩擦力后，抓握力也会提高14%。同时，该传感器具有极好的机械耐久性，可抵抗超过数百千帕斯卡的周期性剪切和摩擦。

图1纳米网格压力传感器的结构。

（A）附着在食指上的纳米网格压力传感器。 比例尺，5毫米。

（B）以52°的倾斜角层压在聚酰亚胺膜上的纳米网传感器的截面SEM图像。 传感器由四层组成：（1）聚氨酯纳米网嵌入的钝化层，（2）顶部Au纳米网电极层，（3）具有气隙的聚对二甲苯涂层的聚氨酯纳米网中间层和（4）底部Au纳米网电极层。 在SEM观察期间，传感器的表面被保护层覆盖。 比例尺，5μm。

图2. 使用附着在手指上的纳米网状传感器进行压力监控对人的感觉的影响

文献链接：https://science.sciencemag.org/content/370/6519/966

Science Advances: 柔性多功能触觉传感器

当下基于人工智能技术的可穿戴传感器正在深刻的改变人类的生活方式。在过去的十年中，仿照人类皮肤的触觉功能，研究人员开发了多种柔性传感器以及电子皮肤器件，其目标是独立人体之外模拟人类皮肤的触觉功能，并应用于智能机器人、健康监测等领域。现有的柔性传感器已经可以出色地实现压力和温度的感知，然而对于材料的识别仍面临众多问题。因此，发展多功能柔性传感器，实现对接触物体的材料识别成为当前的一个重要的发展方向。摩擦纳米发电机通过摩擦起电和静电感应可以实现将机械能转化为电能，为解决材料识别问题提出了重要的思路。由于不同材料表面相互接触后产生的静电感应电荷量不同以及通过分析感应电流的不同，可以实现对材料属性的判别。然而，两种材料接触的压力、温度和频率也会对摩擦信号产生影响，为此，需要通过开发新型的器件结构、新的敏感传导机制来满足单一柔性传感器对压力、温度和材料的分别感知和识别。针对该问题，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和杨亚研究员团队开发了一种可以实现压力、温度和材料识别的柔性多功能传感器。该工作提出了一种类似三明治结构的柔性传感器。该传感器采用疏水的聚四氟乙烯薄膜作为介电层，利用两片覆盖银纳米线的铜片作为电极，通过类似海绵的聚二甲硅氧烷和石墨烯的导电复合材料作为压力和温度的响应组件。通过对导电复合材料中石墨烯的优化，传感器的压力灵敏度可以达到15.22 kPa^-1，响应时间小于74毫秒，同时传感器经过3000次循环测试后仍旧可以稳定工作。在温度刺激的情况下，传感器通过热电效应可以实现1 K的温度传感分辨率。基于不同接触材料与疏水聚四氟乙烯薄膜产生的电信号以及研究人员提出的查表算法，该传感器可以有效对接触材料进行判别。该多功能传感器具有成本低、材料识别等优点，为应对多功能器件的挑战提供了一种设计思路。

图3. 多功能传感器的结构和工作机理

（A）传感器可以连接到人的手指上进行多功能的触觉感应。 分解示意图显示该传感器采用多层堆栈形式。（B）显示主要部件和已组装传感器的照片。（C）制备的疏水性PTFE表面的SEM图像。（D）制备的石墨烯/ PDMS复合材料表面的SEM图像。（E）合成的Ag NWs的SEM图像。（F）当复合材料分别经受施加的压力和温度梯度时，石墨烯/ PDMS复合材料的模拟应变场（左）和电势（右）。（G）PTFE与物体接触时的电位。

图4.传感器的压力和温度的响应电特性

（A）压力响应测试图。（B）传感器在不同压力下的I-V测试图。（C）传感器在不同压力范围的灵敏度。（D）传感器的压力和电信号的输出图。（E）传感器的响应时间测试。（F）电流随压力单调增加。（G）温度响应测试图。（H）不同温差下传感器的I-V测试图。（I）传感器的温度响应时间测试。（J）测得的输出电压与温度梯度的关系。（K）传感器两端的温度梯度曲线。（L）对应温度梯度的输出电信号。

文献链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/34/eabb9083/tab-figures-data

Nature Communication: 超灵敏柔性压力传感器

超高灵敏压力传感器在医疗监控、电子皮肤和交互式输入/控制设备中提供了广泛的应用。下一代超高灵敏压力传感器的目标是在简单的接触中通过不同的压力变化模式识别不同的物体。为了实现这一点，一个可连续记录、温度不干涉和高分辨率的超高灵敏压力传感器是很需要的。压阻法是制造压力传感器的最常见方法，这是因为其结构简单、信号易于读取以及潜在的高灵敏度。尽管压阻传感器取得了长足的进步，但迄今为止，它们所依赖的转导机制基本上没有改变。由压缩过程中减小的颗粒间距导致的固有电阻变化用于测量施加的压力。这种类型的压力传感器通常显示出良好的灵敏度，但是由于弹性膨胀而响应缓慢，并且由于热膨胀而容易受到温度波动的影响。此外，这种压力传感器可能会产生串扰信号，限制其感应密度。针对该问题，复旦大学武利民教授课题组开发了一种基于Fowler-Nordheim隧穿效应的设计思想，通过旋涂分散在聚二甲基硅氧烷中的极低含量的海胆状空心碳球（小于1.5 wt%）来制造具有超高灵敏度和感测密度的压力传感器。与以往报道的压力传感器的转导机制不同，该传感器在1 Pa时具有260.3 kPa^-1的超高灵敏度、400 cm^-2的高感测密度、高透明度和温度无干扰特性。另外，它可以通过工业上可行且可扩展的旋涂方法来制造，从而为实现超高灵敏度柔性压力传感器在各种表面和体内环境中的大规模生产和应用提供了有效途径。

图5.薄膜传感器的制造和特性

图6. 薄膜传感器的弹性和电阻行为

参考文献：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17298-y

Advanced Materials: 3D打印柔性应变传感器

柔性电子器件为可穿戴设备和电子皮肤的开发提供了无限的潜力，而柔性应变传感器作为采集外部机械信号的重要媒介，受到了广泛关注，被认为是柔性集成电子系统中不可缺少的组成部分。与复杂的光刻和转印等传统制备方法相比，3D打印技术具有加工成本低，制造精度高，生产效率高的优点。来自西北大学的黄维教授团队发表了3D打印柔性应变传感器的综述文章，讨论了3D打印应变传感器的传感机理，重点介绍了数字光处理（DLP），熔融沉积建模（FDM）和直接墨水书写（DIW）几种不同打印方法制造的最新柔性应变传感器。

图7. 不同打印方法的原理和特点

图8. DLP打印应变传感器

图9. FDM打印连续碳纤维嵌入式柔性应变传感器

图10. DIW打印的PMDS网络示意图

参考文献：https://doi.org/10.1002/adma.202004782

Advanced Materials: 柔性生物成像传感器

柔性成像传感器因其轻便、柔软和可弯曲等特点而发展成为一种新型成像设备，并越来越受到研究者的关注。由于光可以测量身体内外的信息，因此基于光学成像的方法，如x光等已被广泛用于疾病诊断。与传统传感器不同的是，柔性图像传感器因其柔软性，可以直接附着在曲面（如皮肤）上以用于对生物特征信息进行连续高精度测量。因此，有望在可穿戴设备以及家庭医疗中实现广泛的应用。对此，日本东京大学Tomoyuki Yokota教授对柔性成像传感器在生物医学领域中的最新应用进展进行了综述介绍。首先，作者介绍了其组成部分，光传感器和开关元件；然后，作者描述了用于评价这些元素和成像传感器性能的基本参数；最后，作者给出了利用柔性成像传感器测量动态和静态生物特征信息的实例，并介绍了柔性成像传感器在生物医学领域中的最新应用。

图11. 生物医学成像技术

图12.图像传感器的生物信号和传感位置

参考文献：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004416

Science Translational Medicine: 柔性可穿戴生理汗液传感器

通过对汗液进行捕获和定量化学分析，从而实现的健康监测功能，可以补充或有可能消除对基于血样零星评估方法的需求。成熟的汗液监测技术使用简单的织物色板，并且仅限于实验室或医院环境中的基本分析。John A. Rogers 院士团队介绍了一种用于柔软、灵活和可拉伸的微流体系统的材料和设备设计的集合，包括集成了无线通信电子设备的应用，这些电子设备可以紧密而牢固地结合到皮肤表面，而无化学和机械刺激。该器件可通过外部蛇形流道的颜色改变对汗液流失量以及流失速度进行检测，通过汗液中的化学成分与腔室中的指示剂发生酶促反应或化学反应，引起指示剂的颜色改变，从而实现pH值以及汗液中氯化物、乳酸和葡萄糖等物质的浓度检测。此外，由于器件全部采用低杨氏模量材料制作，因此具有良好的柔性，并且可以保形覆盖在皮肤表面。人体研究表明，该微流体装置在受控环境中进行健身骑行以及在干旱、室外条件下进行长距离自行车比赛时的功能。结果包括出汗率、总出汗量、pH值以及氯化物和乳酸浓度的定量值。

图13.用于汗液监测的柔性电子设备的表皮微流生物传感器的示意图、光学图像和理论应力模型

文献链接：https://stm.sciencemag.org/content/8/366/366ra165

本文由小艺供稿。

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