柔性可穿戴電子傳感器研究進展

黃宏巍

【摘要】柔性可穿戴電子傳感器要求具有高的延展性、柔性和靈敏性等，還需低成本，才能在醫療健康、信息國防等領域有廣泛市場應用。柔性可穿戴電子傳感器可用于監測睡眠質量、人體溫度、心率脈搏等身體狀況，這樣能對人體進行臨床診斷、健康評估和監控等，有利于人體健康，還能及時發現和處理問題。

【關鍵詞】柔性;可穿戴;電子傳感器

隨著智能終端的普及，作為核心部件之一的可穿戴電子設備顯示出巨大的市場前景，將影響可穿戴設備功能設計和未來發展。柔性可穿戴電子傳感器因其輕薄便攜、優異的電學性能、高集成度等特點，已成為最受關注的電學傳感器之一。

一、傳感器概述

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量信息，并能將感受到的信息按一定規律變換成為電信號或其他所需形式信息輸出，以滿足信息傳輸、處理、存儲、顯示、記錄、控制等要求。

二、柔性可穿戴電子的常用材料

因可穿戴式柔性電子傳感器主要運用材料相比其他普通半導體而言，需具有柔韌性及可拉伸性，同時在力作用下不會產生物理損壞等特點，還需具有可自愈功能及較長使用壽命，所以選擇何種材料便成為重點。

1、柔性基底。在柔性可穿戴電子傳感器中先要滿足柔性電子器件要求，主要是輕薄、拉伸性、絕緣性、耐腐蝕性等方面具有較高性能。通常，聚二甲基硅氧烷（PDMS）是人們首選材料，因其具備穩定的化學性質、良好透明性及較好耐熱性等，同時在紫外光下粘附區及非粘附區分明的特性使其表面容易粘附電子材料，制備過程簡單易操作也是其主要優勢之一。此外，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。

2、金屬材料。金屬材料一般選用金銀銅等導體材料，用于制作電極及導線。而導電材料多選用可導電納米材料。金屬的納米導電材料具有較好導電性及延展性。目前，在電子傳感器中選用的導電材料主要為導電納米油墨，包括納米顆粒及納米線等。

3、無機半導體材料。無機半導體材料ZnO及ZnS因其出色的壓電特性，在可穿戴柔性電子傳感器領域發揮了巨大作用，這種材料制作的傳感器能用于辨別筆跡及掃描壓力分布。無機半導體材料也是未來快速響應和高分辨壓力傳感器材料中最有潛力的候選者之一。

4、有機材料。有機材料中的代表主要是柔性壓敏晶體管，因晶體管具有完美的信號轉換和放大性能，使晶體管使用為減少信號串擾提供了可能。因此，目前在可穿戴傳感器及人工智能領域的研究大多圍繞如何獲得大規模柔性壓敏晶體管展開。

5、碳材料。柔性可穿戴電子傳感器應用的碳材料主要具有結晶度高、導電性好、比便面積達等優秀特性的碳納米管，以及具有輕薄透明、導電導熱性好的石墨烯等。

三、可穿戴傳感器的應用

1、溫度檢測。人體皮膚對溫度的感知幫助人們維持體內外熱量平衡。電子皮膚由多功能二極管、無線功率線圈和射頻發生器等部件組成，這樣的表皮電子對溫度和熱導率變化敏感，能評價人體生理特征變化，如皮膚含水量、組織熱導率、血流量狀態、傷口修復過程。

為提高空間分辨率、信噪比、響應速度，有源矩陣設計成為了最優選擇之一。有研究人員制備了包含單壁碳納米管薄膜晶體管，能拉伸的聚苯胺納米纖維溫度傳感器有源矩陣，展示了1.0%·℃-1的高電阻靈敏性，在15～45℃范圍內得到1.8s響應時間，在雙向拉伸30%下依然保持穩定。

2、脈搏檢測。可穿戴個人健康監護系統被廣泛認為是下一代健康監護技術的核心解決方案。監護設備不斷感知、獲取、分析、存儲大量人體日常活動中的生理數據，為人體健康狀況提供必要、準確、長期的評估及反饋。

在脈搏監測領域，可穿戴傳感器具有以下應用優勢：①在不影響人體運動狀態下長期采集人體日常心電數據，實時傳輸至監護終端進行分析處理;②數據通過無線電波傳輸，免除了復雜連線。

能粘附在皮膚表面的電學矩陣在非植入健康監測方面具有明顯優勢，而且超輕超薄，利于攜帶。然而，人體具有很多非平整的表面及精細結構，使完全貼附困難，這是實時監測的挑戰。而當前發展了一種基于微毛結構的柔性壓力傳感器，這種傳感器對信號放大作用強。通過傳感器與不規則表皮的有效接觸最大化，觀察到大約12倍信噪比增強。另外，這種PDMS微毛結構表面層提供了生物兼容性的非植入皮膚共形附著。并且這種便攜式傳感器能無線傳輸信號，即使微弱的深層頸內靜脈搏動也能獲取到。

3、表情識別。統計發現，在人們的交流中通過語言傳遞的信息只占約7%，大部分信息靠表情傳遞。隨著人機交互與情感計算技術的快速發展，人臉表情識別已成為人們研究的熱點。目前，基于圖像采集的表情識別技術存在五官捕捉緩慢、識別準確率低等缺點，無法滿足人們對實時快速準確感知的要求。

隨著傳感器向微型化、智能化、網絡化、多功能化方向發展，同時測量多個參數的高集成傳感器需制造工藝及分析技術的創新。

展示了通過壓阻柔性可穿戴電子傳感器多通道分析進行表情識別的概念，利用圖案化硅柱陣列模板，與含有納米顆粒的組裝液及柔性薄膜構筑的三明治夾層，隨著溶劑的揮發，氣-液-固三相接觸線的有序收縮，形成了周期與振幅可控的曲線形液橋陣列，此不斷縮小的液橋空間為納米顆粒的沉積提供了規則有序的組裝空間，待溶劑揮發干，便在柔性薄膜上形成規則的微納米級曲線陣列，真空蒸鍍上金電極，得到對微小形變有穩定電阻變化的傳感器芯片。不同周期和振幅比曲線陣列傳感器對應變的電阻響應曲線有明顯差異。一組傳感器貼附于被監測者體表皮膚，進行數據采集分析，實時監測人在不同環境及心理條件下，體表微形變的相關生理反應，用于識別微笑、大笑、驚訝、悲傷、恐懼、沮喪、生氣、放松八種面部表情。

四、展望

柔性可穿戴式電子傳感器如今已應用于臨床診斷、運動健康監測方面，在不遠的將來，柔性可穿戴式電子傳感器會被應用與其他方面，如軍事、航天航空等，而且隨著經濟的發展，可穿戴式電子傳感器會越來越民用化，會有越來越多的人能使用可穿戴式電子傳感器，由此可見，可穿戴式電子傳感器將展現出巨大的市場前景。

參考文獻：

[1]劉宇航.柔性可穿戴電子傳感器淺談[J].數碼世界，2018（11）.

[2]錢鑫.柔性可穿戴電子傳感器研究進展[J].化學學報，2016（07）.