清華蹇木強Science China Materials綜述：碳材料基柔性可穿戴傳感器

【引言】

柔性傳感器被定義為將物理或環境刺激轉換成可探測信號的柔性設備。近年來，柔性傳感器由于其在可穿戴電子和智能系統中的巨大潛在應用而受到越來越多的關注。柔性傳感器可以安裝在人體或衣服上，用于連續監測微小和大型人體運動和生理信息，例如發聲、脈沖、心電圖、呼吸、皮膚溫度等等。這些應用要求可穿戴傳感器具有靈敏度高、柔韌性好、拉伸性能好、生物相容性好、穩定性好等基本特性。

選擇合適的活性材料在控制傳感器的性能方面起著重要的作用。到目前為止，各種材料，包括碳納米管（CNTs），石墨烯，碳黑，導電聚合物，金屬，納米粒子(NPs)和納米線、半導體已被用作柔性傳感器的活性成分。在這些材料中，金屬NP可以用來制造具有高靈敏度的柔性傳感器，但是這些傳感器的傳感范圍和伸縮性是有限的。此外，由于金屬納米線的化學穩定性和重現性有限，利用金屬納米線制備穩定的傳感器具有挑戰性。同樣，穩定性和導電性差的導電聚合物也難以用于制造高性能傳感器。相比之下，碳材料是最常被研究的材料之一，特別是具有顯著的力學、電學和熱性能的碳納米管和石墨烯（包括氧化石墨烯（GO）和還原氧化石墨烯（rGO））。

為了實現宏觀應用，在微觀層面上具有優異性能的碳納米管和石墨烯應轉化為宏觀功能組件，如一維（1D）纖維或紗線、二維（2D）薄膜或片材、三維（3D）構架。多尺度的宏觀碳納米材料賦予柔性傳感器高靈敏度、優異的靈活性和良好的穩定性以及期望的結構。此外，低成本的碳材料，包括炭黑和納米碳纖維，可以用作與彈性材料或織物集成的導電填料，這是制造柔性傳感器的一種簡單、低成本和大規模的方法。除了碳納米材料之外，其他碳材料也通過生物材料衍生出來。基于碳材料的柔性傳感器可以附著在人體上或與衣服集成以實現在人體運動檢測、人體健康監測和人機接口中的應用。

【成果簡介】

清華大學化學系教育部有機光電子與分子工程重點實驗室的蹇木強等在Science China Materials上發表了題為《碳材料基柔性可穿戴傳感器》的綜述論文。該文提供了基于各種碳材料的柔性和可穿戴傳感器的全面呈現。在簡要介紹柔性傳感器和碳材料之后，介紹了典型的柔性傳感器的基本原理，如應變傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器。綜述了碳基柔性傳感器的最新研究進展，包括碳基柔性傳感器的制備工藝、性能和應用。最后，討論了碳基柔性電子學面臨的主要挑戰，并提出了今后的研究方向。

【圖文導讀】

圖1：柔性傳感器碳材料的宏觀組裝及其應用。

如一維（1D）纖維或紗線、二維（2D）薄膜或片材、三維（3D）構架。另有基于碳材料的柔性傳感器，包括應變傳感器，壓力傳感器，溫度傳感器，濕度傳感器。

圖2：石墨烯纖維的制備和形態。

(a)為示意圖，顯示了通過濕法紡絲方法制備GO纖維的過程，以及顯示纏繞在陶瓷卷軸上的連續GO纖維的圖像。（b）為用棉線編織的石墨烯纖維和纖維的SEM圖像。（c）為通過封閉熱液技術獲得的石墨烯微管拓片的照片和SEM圖像。(d)獨立拍攝的膠片照片和纖維纏繞拍攝的膠片圖像。（E）為CVD法制備的石墨烯纖維的照片和SEM圖像。

圖3：基于CNT薄膜的柔性傳感器。

(a-d)為基于swnt膠片的應變傳感器(a)的制作過程和100%應變(b)的斷裂形態的SEM圖像。(e)為由含有聚(3，4-乙二氧基噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT：PSS)和SWNT的混合膜制成的柔性應變傳感器的示意圖。(f)為基于多孔PDMS和SWNT膜的多功能傳感器以及用于區分壓力和彎曲的傳感器的示意圖。（g）為安裝在人體上的用于監測情緒表達的柔性傳感器。

圖4：用在柔性傳感器上的與聚合物或織物復合的碳材料。

（a）為用于柔性傳感器的石墨烯涂層非織造織物。（b）為由炭黑PDMS制成的應變傳感器，用于檢測人體皮膚的形變。（c）為用于測量血壓的炭黑裝飾織物。

【小結】

質量和成本效益高的碳材料生產是其應用的先決條件。目前，CNT粉和GO片已投入批量生產，然而，這些過程通常會引入許多缺陷，顯著影響整體性能。高性能器件的制備需要單層和多層質量良好的薄膜，目前高成本的制備方法限制了它們的進一步發展。此外，宏觀組裝體的性能明顯低于單獨的CNTs或石墨烯。因此，在裝配過程中，結構的合理優化和缺陷的精確控制應引起重視。此外，由于協同效應，復合為獲得高性能材料提供了實用的策略。由生物材料的碳化制備的碳材料是制造高性能柔性傳感器的有力補充。

全印刷技術是一種很有前途的柔性傳感器制造方法，可用于制造大規模的傳感器陣列。此外，經過簡單的碳化處理，具有宏尺度結構的生物材料，如機織結構，已被用作高性能柔性傳感器的活性材料。制造具有高檢測范圍的高伸縮性和敏感的應變或壓力傳感器仍然是具有挑戰性的。為了實現這些目標，功能材料的適時化和傳感器的結構設計仍然是至關重要的。雖然基于碳材料的溫度傳感器已經被報道，但是它們的靈敏度仍然太低，不能監測體溫。為實現體溫的準確測量，需要進一步探索新的傳感機理和傳感器的合理設計。高度集成多個柔性傳感器以同時監測多個信息是非常需要的。為了精確地獲得相應的刺激，分離不同的信號是至關重要的。通過將不同傳感器的柔性傳感器集成在不同的信號中去耦合可能是一種可行的策略。

此外，柔性傳感器與能量轉換和存儲裝置的集成對于可穿戴電子設備的實際應用是必需的。基于壓電或摩擦電效應的自供電柔性傳感器已被報道為一種十分可行的方法。

【展望】

碳材料的顯著性能賦予柔性傳感器高靈敏度、優異的柔韌性和伸縮性，以及優異的穩定性，在人體活動檢測、個人保健和人機界面等領域顯示出廣闊的應用前景。在監測人體生命信號的實際應用中，應重視開發具有高度伸縮性、靈敏性、穩定性和可靠性、寬傳感范圍的傳感器。活性材料的選擇和器件結構的優化是制備具有多向激勵監控能力的高性能傳感器的有效途徑。多傳感器的集成迫切需要同時檢測各種信號。柔性傳感器應該與柔性能量裝置(包括能量發生器和能量存儲裝置)和數據組件(例如數據采集和存儲系統、數據傳輸模塊等)組合用于持續監測、記錄和傳輸生理學。對設備的人體信息進行分析。考慮到實際應用，該裝置的安全性、舒適性和對人體或衣服的適形附著性也應予以重視。盡管存在一些挑戰，我們預見到基于碳材料的柔性傳感器在可穿戴電子和智能機器人中將發現許多潛在的應用。

蹇木強,王春雅,王琪,王惠民,夏凱倫,訚哲,張明超,梁曉平,張瑩瑩.碳材料基柔性可穿戴傳感器（英文）[J].Science China Materials,2017,60(11):1026-1062.

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