柔性可穿戴電子傳感器淺談

劉宇航 成都市實驗外國語學(xué)校

引言：人們在談?wù)摰浇】当O(jiān)測時，首先聯(lián)想到的是可穿戴電子設(shè)備。可穿戴電子設(shè)備運行良好依賴于柔性可穿戴電子傳感器。柔性可穿戴電子傳感器不僅要求有極高的延展性、柔性、靈敏性等，還需要較低成本，才能在醫(yī)療健康、信息國防等領(lǐng)域有廣泛的市場應(yīng)用。柔性可穿戴電子傳感器可以用來監(jiān)測睡眠質(zhì)量、人體溫度、心率脈搏等身體狀況，這樣能對人體進(jìn)行臨床診斷、健康評估以及監(jiān)控等，有利于人體的健康，也能夠及時發(fā)現(xiàn)問題并及時做出處理。

1.柔性可穿戴電子傳感器的常用材料

因為可穿戴式柔性電子傳感器主要運用的材料相比其他普通半導(dǎo)體而言需要具有柔韌性和可拉伸性, 同時在力的作用下不會產(chǎn)生物理損壞等特點，同時還需要具有可自愈功能以及較長的使用壽命，所以選擇什么樣的材料便成為了重點。

1.1 柔性基底

在柔性可穿戴電子傳感器中首先就是要滿足柔性電子器件的要求，主要就是具有輕薄、拉伸性、絕緣性、耐腐蝕性等方面具有較高的性能。通常情況下，聚二甲基硅氧烷(PDMS)是人們的首選材料，因為它具備穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、良好的透明性以及較好的耐熱性等，同時在紫外光下粘附區(qū)和非粘附區(qū)分明的特性使其表面可以很容易的粘附電子材料，制備過程簡單易操作也是它的主要優(yōu)勢之一。

除此之外，聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亞胺(PI)、聚乙烯(PE)和聚氨酯(PU)等也可被用來作為柔性可穿戴式電子的常用基底材料。

1.2 金屬材料

金屬材料一般選用金銀銅等導(dǎo)體材料, 主要被用于制作電極和導(dǎo)線。而導(dǎo)電材料多選用可導(dǎo)電納米材料。金屬的納米導(dǎo)電材料具有十分好的導(dǎo)電性和延展性。目前，在電子傳感器中選用的導(dǎo)電材料主要為導(dǎo)電納米油墨，主要包括納米顆粒和納米線等。

1.3 無機半導(dǎo)體材料

無機半導(dǎo)體材料ZnO和ZnS由于其出色的壓電特性, 在可穿戴柔性電子傳感器領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用，尤這種材料制作的傳感器可以用于辨別筆跡和掃描壓力分布。無機半導(dǎo)體材料也是未來快速響應(yīng)和高分辨壓力傳感器材料中最有潛力的候選者之一。

1.4 有機材料

有機材料中的代表主要是柔性壓敏晶體管，因為晶體管具有完美的信號轉(zhuǎn)換和放大的性能,這使得晶體管的使用為減少信號串?dāng)_提供了可能。因此,目前在可穿戴傳感器和人工智能領(lǐng)域的研究大多數(shù)都是圍繞如何獲得大規(guī)模的柔性壓敏晶體管展開的。

1.5 碳材料

柔性可穿戴電子傳感器應(yīng)用的碳材料主要是具有結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比便面積達(dá)等優(yōu)秀特性的碳納米管和具有輕薄透明、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好的石墨烯等。

2.柔性可穿戴電子傳感器的應(yīng)用

柔性可穿戴式電子傳感器主要被應(yīng)用于三個方面：醫(yī)學(xué)及生物學(xué)，材料學(xué)和生活中的實際應(yīng)用。

2.1 醫(yī)學(xué)及生物學(xué)

柔性可穿戴式電子傳感器在醫(yī)學(xué)中可以進(jìn)行脈搏的檢測，血壓的檢測，在體溫檢測過程中也扮演著及其重要的角色，可以作為電子皮膚的材料之一，還可以用于控制假肢，制造人工耳蝸等。在生物學(xué)方面，柔性可穿戴式電子傳感器可以幫助生物學(xué)家監(jiān)測動物的生理活動，主要用于研究環(huán)境對生物的影響。

2.2 材料學(xué)

由于柔性可穿戴電子傳感器具有輕便、導(dǎo)電性良好和集成度高等特點，這使得其成為一種十分理想材料。可用于構(gòu)建超高靈敏度壓力傳感器，在印刷電子技術(shù)中也起著重要作用，在美國被用于納米機器人技術(shù)上，甚至在一些國家，柔性可穿戴電子傳感器被用于太空飛船上一些部位的組成。

2.3 生活中的實際應(yīng)用

柔性可穿戴電子傳感器在生活中主要被應(yīng)用于檢測人體健康與防范疾病、運動監(jiān)測。柔性可穿戴傳感器可以作為健康監(jiān)測的一種途徑對人體的心跳、脈搏以及睡眠狀況進(jìn)行有效的監(jiān)測，同時，設(shè)備能夠在不影響人體運動狀態(tài)的前提下長時間的采集人體日常心電數(shù)據(jù)，不斷的感知人體狀況、獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并不斷對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，為人體的健康狀況提供一定的評估結(jié)果，使得用戶能夠及時根據(jù)數(shù)據(jù)的反饋結(jié)果去就醫(yī)，有力保障了人們健康，提高了人們的生存質(zhì)量。同時，柔性可穿戴電子傳感器所具有的優(yōu)勢特點能夠在人體的運動檢測中全方位的實現(xiàn)監(jiān)測，并且能夠?qū)z測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及及時性給予高度保證，最重要的是柔性可穿戴傳感器的便攜性可以讓用戶隨時隨地，不限地點場合實現(xiàn)對運動數(shù)據(jù)的監(jiān)測。

3.柔性可穿戴電子傳感器的發(fā)展趨勢

（一）需要不斷采用新材料，創(chuàng)新信號轉(zhuǎn)換機制來擴大壓力掃描的范圍，滿足不同場合的實際需要。

（二）不斷利用先進(jìn)的科技手段發(fā)展低能耗和自驅(qū)動的可穿戴傳感器，不斷升級電池微型化技術(shù)，延長設(shè)備的工作時間。

（三）不斷提高柔性可穿戴電子傳感器的靈敏度、響應(yīng)時間、檢測范圍、集成度和多分析等使用性能，同時要利用新工藝降低柔性可穿戴傳感器的制造成本。

（四）大力發(fā)展無線技術(shù)，采用與移動終端相結(jié)合的方式，并建立統(tǒng)一的云服務(wù)，以便實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸以及分析處理，最后反饋給用戶，以便用戶及時發(fā)現(xiàn)問題解決問題。

4.總結(jié)與展望

柔性可穿戴式電子傳感器如今已應(yīng)用于臨床診斷、運動健康監(jiān)測方面，但也許在不遠(yuǎn)的將來，柔性可穿戴式電子傳感器會被應(yīng)用與其他方面，如軍事，航天航空等，而且隨著經(jīng)濟的發(fā)展，可穿戴式電子傳感器會越來越民用化，會有越來越多的人可以使用可穿戴式電子傳感器。毫無疑問，可穿戴式電子傳感器將展現(xiàn)出巨大的市場前景。因此，我們需要不斷在其使用材料上進(jìn)行創(chuàng)新，充分挖掘適應(yīng)柔性可穿戴傳感器進(jìn)一步發(fā)展的新材料，并不斷開發(fā)新工藝，降低其制造成本，促進(jìn)該行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。