柔性可穿戴壓力傳感器的研究進展

梁立容，李寧，魏愛香

(中山大學新華學院 信息科學學院，廣東 廣州 510520)

近年來，人們已經對各種具有彈性機械性能的柔性電子器件開展廣泛研究，包括柔性傳感器、柔性晶體管、柔性發光二極管(LED)、柔性儲能設備和柔性能量采集器。柔性電子器件因其具有機械柔性，能貼合到各種曲面，使得它的應用場景得以擴展到傳統的以半導體硅為基礎的硬電子器件所無法勝任的場合[1]，比如，人機交互界面[2]、電子皮膚[3]、人體生理信號監測[4]、醫用機器人等[5]領域。這些柔性傳感器應用場景靈活，生產成本低，重量輕，與傳統的大面積批量生產技術兼容性好，滿足了要求電子器件與人體皮膚貼合度良好且不影響體驗的各種應用場景的需求。各種功能的柔性傳感器被廣泛研究，包括壓力傳感器、光學傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、葡萄糖傳感器等等。其中以柔性壓力傳感器的應用范圍最為廣闊，從測量微小的聲音震動[6]、電子皮膚[7]、人體生理信號的腕部脈搏波監測[8]，一直到人機交互的機器手觸感反饋[9]。傳感器在人體健康監測方面發揮著至關重要的作用，對經濟增長和改善人民生活質量起到重要作用。例如：將柔性壓力傳感器貼附于手腕，可以測得脈搏波信號，并從中提取出人體的呼吸、心率、脈搏波速、脈象，甚至血壓等生理指標，最終可分析人體心血管系統的健康程度。相比較于目前商用的光電容積脈搏波描記法(PPG)而言，壓力傳感器能實現低功耗長時間連續監測。

1 柔性壓力傳感器的種類和特點

根據傳感機理的不同，壓力傳感器可分為3類，分別是壓電傳感器、壓電容傳感器以及壓阻傳感器。壓力傳感器的器件結構與傳感器機理見圖1，3種壓力傳感器的優缺點比較見表1。

表1 3種壓力傳感器的優缺點比較Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of three kinds of pressure sensors

圖1 柔性壓力傳感器的器件結構與傳感器機理Fig.1 Structure and mechanism of flexible pressure sensor

壓電傳感器的響應來源于壓電材料在壓力作用下晶格形變導致的極化效應所產生的電壓輸出，因此它能夠作為無源器件使用(器件給自己供電)。施加壓力的一瞬間，壓電傳感器能輸出一個脈沖響應電壓；當施加的壓力穩定時，傳感器輸出的電壓歸為零。因此壓電傳感器只能用于測量動態壓力的變化值，不適用于測量靜態穩恒壓力的絕對值大小。如中國科學技術大學的徐春葉教授課題組采用靜電紡絲技術和流延成膜技術分別制出柔性的壓電薄膜，用于人體健康監測和治療觸覺傳感器[10]。西安交通大學的劉衛華教授采用垂直定向ZnO納米線作為變換器的核心材料，制作出柔性陣列式納米壓電觸覺傳感器[11]。中國科學院力學研究所的蘇業旺等用鋯鈦酸鉛(PZT)為壓電材料，聚二甲基硅氧烷襯底上制備出柔性傳感器，用來測量動脈血壓，壓力靈敏度達到0.005 Pa[12]。

壓電容傳感器的響應來源于平行板電容器上下電極的距離變化所產生的電容變化，因此它具有低功耗的優勢。但它有寄生電容，抗干擾能力差，測量電路相對于其它類型傳感器更為復雜。例如：南方科技大學郭傳飛教授課題組直接利用自然材料制備了簡單、低成本、高性能的柔性電子皮膚。將自然界中花瓣和葉子作為介電層，結合銀納米線柔性電極構建三明治結構電容式柔性電子皮膚[13]。

壓阻傳感器是通過感應由外力造成的電阻變化而產生的電信號來直觀讀取外力變化的器件。壓阻傳感器本質上是一個電阻器，它抗電磁干擾能力更強，功耗也低，同時測量電路也更為簡單。電阻式壓力傳感器主要由柔性壓阻材料組成，這種材料是通過將導電相摻入到絕緣基體材料中制成的復合材料。復合材料的力學彈性和導電性的耦合關系，導致了以它為核心傳感材料的壓阻傳感器的線性區間和靈敏度之間存在競爭關系。靈敏度反映了器件對微小壓力的敏感程度，而線性區間是指傳感器能維持在相同靈敏度的最大測量范圍。電子皮膚，人機交互，人體生理信號監測，都需要壓力傳感器能夠在盡可能大的測量區間內維持高靈敏度。例如：韓國科學技術研究院Park等基于三維微孔介質彈性體的壓阻效應制備柔性可穿戴壓力傳感器，用作機器人手指上的電子壓力傳感皮膚，以及用于人類手腕脈搏波監測[14-15]。清華大學任天令教授課題組利用石墨烯多孔網絡(GPN)與PDMS復合材料制備的一種壓力應變傳感器，用于識別行走狀態、手指彎曲活動和監測手腕血壓，其壓力傳感測量范圍較寬，壓力傳感范圍可達2 000 kPa，但靈敏度僅有0.09 kPa-1[16]。

2 柔性可穿戴壓力傳感器的應用

柔性可穿戴壓力傳感器的應用越來越廣泛，并逐漸走向商業化。深圳市力感科技有限公司基于柔性壓力傳感器生產的智能鞋墊應用于體育、醫療設備和保健康復等領域。該產品設計的柔性壓力傳感片放置在鞋墊中，可采集各個感應單元的壓力數據，通過藍牙與手機應用程序連接，實現步態分析。可以從步頻、步行周期、觸動時間和觸動角度等分析跑步者狀態，對分析、診斷足踝類疾病和評估、驗證康復器械具有重要的意義。

合肥華科電子研究所利用壓電材料研發了一系列柔性可穿戴式壓力傳感器，如HKH-11C呼吸波傳感器。該產品是一款利用壓電式器件采集于人體呼吸產生的腹部起伏信號，經過放大、濾波、AD、USB通信等電路輸出呼吸波形數字信號，實現睡眠質量和呼吸暫停監測。另外一種HKF-12肺活動量傳感器，該產品利用氣體流動壓力積分的方法測量人體用力呼氣的流速與流量，從而計算出人體用力呼氣肺活量以及肺功能的其它參數。該產品具有體積小巧、使用方便、測量精度高等特點，廣泛應用于肺功能測試系統。此外HK-2000G集成化脈搏傳感器可由電壓或電流驅動產生正比輸入壓力毫伏等級的電壓輸出信號，具有優異的可重復性和時間穩定性，非常適合于脈率檢測、無創心血管功能檢測、妊高征檢測、脈象診斷等領域的集成應用。

3 柔性可穿戴壓力傳感器的國內外研究進展

近年來，柔性電子器件在人體健康監測領域取得了顯著進步。目前的柔性傳感器制備通常以金屬、半導體、碳材料、高彈性聚合物及其復合材料為主。加州大學圣地亞哥分校Mercier教授研究出一種柔性的可穿戴混合傳感系統，該系統可同時實時監測生化(乳酸)和電生理信號(心電圖)，可以進行更全面的健康監測[17]。日本大阪府立大學Takei實現了高效的皮膚溫度傳感和穩定的無膠黏心電圖傳感的可穿戴柔性醫療貼片式傳感器[18]。伊利諾斯大學的Rogers等制備出一種柔性的、可穿戴的微流體傳感器，用于對汗液的捕獲、存儲和比色傳感，汗液進行捕獲和定量化學分析而實現的健康監測能力[19]。清華大學伍暉副教授團隊對功能無機材料納米纖維為代表的基礎低維納米結構的可控合成制備與組裝展開研究，制備一種柔性的透明導電帶[20]。中國科學院蘇州納米技術研究院張婷，利用絲印成型的微模壓聚二甲基硅氧烷(PDMS)與單壁碳納米管(SWNT)超薄薄膜結合，制備出柔性透明的可檢測壓力電子皮膚器件[21]。清華大學精密儀器系的朱榮研究團隊首次提出以多孔彈性介質為基的力-熱轉換機制實現壓力/應力的感知，通過多孔彈性膜將外界壓力轉換為導熱信息，實現集觸感、溫感、風感、附著物感等功能為一體的多維感知柔性電子皮膚[22]。浙江大學高超教授利用同軸濕紡紗方法制備柔性超級電容器，可用于高能量密度和安全的可穿戴柔性電子器件[23]。日本理化研究所Kenjiro Fukudaa等團隊合作，發展了一種基于納米圖案化有機太陽能電池的自供能超柔性生物傳感器，實現了對心率的實時精準監測[24]。柔性傳感器取得了較大進展，但其靈敏度與測試范圍競爭關系、工藝復雜和制造成本較高嚴重影響了應用發展。

4 總結與展望

柔性可穿戴壓力傳感器最為核心的是敏感材料，如復合材料是一種很受歡迎的壓阻材料。復合材料的力學彈性和導電性的耦合關系，導致了以它為核心傳感材料的壓阻傳感器的線性區間和靈敏度之間存在競爭關系。靈敏度反映了器件對微小壓力的敏感程度，而線性區間是指傳感器能維持相同靈敏度的最大測量范圍。很多應用場景，比如電子皮膚，人機交互，人體生理信號監測，都需要壓力傳感器能夠在盡可能大的測量區間(寬線性區間)內維持高靈敏度。若是壓力傳感器無法在有效測試范圍內提供線性響應(即維持著相同的靈敏度)，就需要復雜的測試系統進行實時壓力還原，這不僅會降低系統的實時響應速度，也會增加系統的功耗。從材料設計的角度解決壓阻型傳感器中傳感器靈敏度與線性區間的競爭關系問題，設計一種新型的復合材料結構，同時提高傳感器的靈敏度和線性工作區間，基于此材料制備出一款通用型壓力傳感器，既能滿足高靈敏度的要求，又能在大的壓力測量范圍內使用。