頂刊帶你了解柔性電子傳感器的近期發展

1、柔性電子傳感器概述

柔性傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器，具有良好的柔韌性、延展性，甚至可以自由彎曲甚至折疊，而且結構形式靈活多樣，可根據測量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對復雜被測量進行檢測。新型柔性傳感器在電子皮膚 、醫療保健、電子、電工、運動器材、紡織品、航天航空、環境監測等領域受到了廣泛應用。

2、柔性電子傳感器分類

柔性傳感器種類較多，分類方式也不盡相同。按照用途分類，柔性傳感器包括柔性壓力傳感器、柔性氣體傳感器、柔性濕度傳感器、柔性溫度傳感器、柔性應變傳感器、柔性磁阻抗傳感器以及柔性熱流量傳感器等；按照感知機理分類，柔性傳感器包括柔性電阻式傳感器、柔性電容式傳感器、柔性壓磁式傳感器以及柔性電感式傳感器等。

3、柔性電子傳感器的最新研究成果

（1）Science: 高精度柔性力學傳感器

對人體自身動作的研究對于假肢、人機交互等領域有重大意義，而在人體的動作研究過程中，力學傳感器是研究的關鍵。現階段的力學傳感器，在測量手的抓握行為時，需要將傳感器放在指尖，這些傳感器會干擾手指、影響手指施加的力，導致無法精確再現自然觸覺，使得手指觸覺上出現偏差，因此導致手指抓握力測量上產生較大的偏差。目前，在不影響固有功能的情況下監控手指操作對于理解自然觸感至關重要。 但是，磨損或附著的傳感器會影響皮膚的自然感覺。針對該問題，柔性電子大牛，日本東京大學TakaoSomeya團隊基于電紡納米纖維，開發出了超級靈敏的電容式納米網絡壓力傳感器，不僅可以準確的監測手指壓力，并且不會對人產生感官影響。它們定量研究了傳感器對人感覺的影響，使用傳感器的手指與裸露的手指相比具有可比的抓握力，即使安裝了2微米厚的聚合物薄膜，在調整摩擦力后，抓握力也會提高14%。同時，該傳感器具有極好的機械耐久性，可抵抗超過數百千帕斯卡的周期性剪切和摩擦。

圖1納米網格壓力傳感器的結構。

（A）附著在食指上的納米網格壓力傳感器。 比例尺，5毫米。

（B）以52°的傾斜角層壓在聚酰亞胺膜上的納米網傳感器的截面SEM圖像。 傳感器由四層組成：（1）聚氨酯納米網嵌入的鈍化層，（2）頂部Au納米網電極層，（3）具有氣隙的聚對二甲苯涂層的聚氨酯納米網中間層和（4）底部Au納米網電極層。 在SEM觀察期間，傳感器的表面被保護層覆蓋。 比例尺，5μm。

圖2. 使用附著在手指上的納米網狀傳感器進行壓力監控對人的感覺的影響

文獻鏈接：https://science.sciencemag.org/content/370/6519/966

Science Advances: 柔性多功能觸覺傳感器

當下基于人工智能技術的可穿戴傳感器正在深刻的改變人類的生活方式。在過去的十年中，仿照人類皮膚的觸覺功能，研究人員開發了多種柔性傳感器以及電子皮膚器件，其目標是獨立人體之外模擬人類皮膚的觸覺功能，并應用于智能機器人、健康監測等領域。現有的柔性傳感器已經可以出色地實現壓力和溫度的感知，然而對于材料的識別仍面臨眾多問題。因此，發展多功能柔性傳感器，實現對接觸物體的材料識別成為當前的一個重要的發展方向。摩擦納米發電機通過摩擦起電和靜電感應可以實現將機械能轉化為電能，為解決材料識別問題提出了重要的思路。由于不同材料表面相互接觸后產生的靜電感應電荷量不同以及通過分析感應電流的不同，可以實現對材料屬性的判別。然而，兩種材料接觸的壓力、溫度和頻率也會對摩擦信號產生影響，為此，需要通過開發新型的器件結構、新的敏感傳導機制來滿足單一柔性傳感器對壓力、溫度和材料的分別感知和識別。針對該問題，中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士和楊亞研究員團隊開發了一種可以實現壓力、溫度和材料識別的柔性多功能傳感器。該工作提出了一種類似三明治結構的柔性傳感器。該傳感器采用疏水的聚四氟乙烯薄膜作為介電層，利用兩片覆蓋銀納米線的銅片作為電極，通過類似海綿的聚二甲硅氧烷和石墨烯的導電復合材料作為壓力和溫度的響應組件。通過對導電復合材料中石墨烯的優化，傳感器的壓力靈敏度可以達到15.22 kPa^-1，響應時間小于74毫秒，同時傳感器經過3000次循環測試后仍舊可以穩定工作。在溫度刺激的情況下，傳感器通過熱電效應可以實現1 K的溫度傳感分辨率。基于不同接觸材料與疏水聚四氟乙烯薄膜產生的電信號以及研究人員提出的查表算法，該傳感器可以有效對接觸材料進行判別。該多功能傳感器具有成本低、材料識別等優點，為應對多功能器件的挑戰提供了一種設計思路。

圖3. 多功能傳感器的結構和工作機理

（A）傳感器可以連接到人的手指上進行多功能的觸覺感應。 分解示意圖顯示該傳感器采用多層堆棧形式。（B）顯示主要部件和已組裝傳感器的照片。（C）制備的疏水性PTFE表面的SEM圖像。（D）制備的石墨烯/ PDMS復合材料表面的SEM圖像。（E）合成的Ag NWs的SEM圖像。（F）當復合材料分別經受施加的壓力和溫度梯度時，石墨烯/ PDMS復合材料的模擬應變場（左）和電勢（右）。（G）PTFE與物體接觸時的電位。

圖4.傳感器的壓力和溫度的響應電特性

（A）壓力響應測試圖。（B）傳感器在不同壓力下的I-V測試圖。（C）傳感器在不同壓力范圍的靈敏度。（D）傳感器的壓力和電信號的輸出圖。（E）傳感器的響應時間測試。（F）電流隨壓力單調增加。（G）溫度響應測試圖。（H）不同溫差下傳感器的I-V測試圖。（I）傳感器的溫度響應時間測試。（J）測得的輸出電壓與溫度梯度的關系。（K）傳感器兩端的溫度梯度曲線。（L）對應溫度梯度的輸出電信號。

文獻鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/34/eabb9083/tab-figures-data

Nature Communication: 超靈敏柔性壓力傳感器

超高靈敏壓力傳感器在醫療監控、電子皮膚和交互式輸入/控制設備中提供了廣泛的應用。下一代超高靈敏壓力傳感器的目標是在簡單的接觸中通過不同的壓力變化模式識別不同的物體。為了實現這一點，一個可連續記錄、溫度不干涉和高分辨率的超高靈敏壓力傳感器是很需要的。壓阻法是制造壓力傳感器的最常見方法，這是因為其結構簡單、信號易于讀取以及潛在的高靈敏度。盡管壓阻傳感器取得了長足的進步，但迄今為止，它們所依賴的轉導機制基本上沒有改變。由壓縮過程中減小的顆粒間距導致的固有電阻變化用于測量施加的壓力。這種類型的壓力傳感器通常顯示出良好的靈敏度，但是由于彈性膨脹而響應緩慢，并且由于熱膨脹而容易受到溫度波動的影響。此外，這種壓力傳感器可能會產生串擾信號，限制其感應密度。針對該問題，復旦大學武利民教授課題組開發了一種基于Fowler-Nordheim隧穿效應的設計思想，通過旋涂分散在聚二甲基硅氧烷中的極低含量的海膽狀空心碳球（小于1.5 wt%）來制造具有超高靈敏度和感測密度的壓力傳感器。與以往報道的壓力傳感器的轉導機制不同，該傳感器在1 Pa時具有260.3 kPa^-1的超高靈敏度、400 cm^-2的高感測密度、高透明度和溫度無干擾特性。另外，它可以通過工業上可行且可擴展的旋涂方法來制造，從而為實現超高靈敏度柔性壓力傳感器在各種表面和體內環境中的大規模生產和應用提供了有效途徑。

圖5.薄膜傳感器的制造和特性

圖6.?薄膜傳感器的彈性和電阻行為

參考文獻：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17298-y

Advanced Materials: 3D打印柔性應變傳感器

柔性電子器件為可穿戴設備和電子皮膚的開發提供了無限的潛力，而柔性應變傳感器作為采集外部機械信號的重要媒介，受到了廣泛關注，被認為是柔性集成電子系統中不可缺少的組成部分。與復雜的光刻和轉印等傳統制備方法相比，3D打印技術具有加工成本低，制造精度高，生產效率高的優點。來自西北大學的黃維教授團隊發表了3D打印柔性應變傳感器的綜述文章，討論了3D打印應變傳感器的傳感機理，重點介紹了數字光處理（DLP），熔融沉積建模（FDM）和直接墨水書寫（DIW）幾種不同打印方法制造的最新柔性應變傳感器。

圖7. 不同打印方法的原理和特點

圖8. DLP打印應變傳感器

圖9. FDM打印連續碳纖維嵌入式柔性應變傳感器

圖10. DIW打印的PMDS網絡示意圖

參考文獻：https://doi.org/10.1002/adma.202004782

Advanced Materials: 柔性生物成像傳感器

柔性成像傳感器因其輕便、柔軟和可彎曲等特點而發展成為一種新型成像設備，并越來越受到研究者的關注。由于光可以測量身體內外的信息，因此基于光學成像的方法，如x光等已被廣泛用于疾病診斷。與傳統傳感器不同的是，柔性圖像傳感器因其柔軟性，可以直接附著在曲面（如皮膚）上以用于對生物特征信息進行連續高精度測量。因此，有望在可穿戴設備以及家庭醫療中實現廣泛的應用。對此，日本東京大學Tomoyuki Yokota教授對柔性成像傳感器在生物醫學領域中的最新應用進展進行了綜述介紹。首先，作者介紹了其組成部分，光傳感器和開關元件；然后，作者描述了用于評價這些元素和成像傳感器性能的基本參數；最后，作者給出了利用柔性成像傳感器測量動態和靜態生物特征信息的實例，并介紹了柔性成像傳感器在生物醫學領域中的最新應用。

圖11. 生物醫學成像技術

圖12.圖像傳感器的生物信號和傳感位置

參考文獻：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004416

Science Translational Medicine: 柔性可穿戴生理汗液傳感器

通過對汗液進行捕獲和定量化學分析，從而實現的健康監測功能，可以補充或有可能消除對基于血樣零星評估方法的需求。成熟的汗液監測技術使用簡單的織物色板，并且僅限于實驗室或醫院環境中的基本分析。John A. Rogers 院士團隊介紹了一種用于柔軟、靈活和可拉伸的微流體系統的材料和設備設計的集合，包括集成了無線通信電子設備的應用，這些電子設備可以緊密而牢固地結合到皮膚表面，而無化學和機械刺激。該器件可通過外部蛇形流道的顏色改變對汗液流失量以及流失速度進行檢測，通過汗液中的化學成分與腔室中的指示劑發生酶促反應或化學反應，引起指示劑的顏色改變，從而實現pH值以及汗液中氯化物、乳酸和葡萄糖等物質的濃度檢測。此外，由于器件全部采用低楊氏模量材料制作，因此具有良好的柔性，并且可以保形覆蓋在皮膚表面。人體研究表明，該微流體裝置在受控環境中進行健身騎行以及在干旱、室外條件下進行長距離自行車比賽時的功能。結果包括出汗率、總出汗量、pH值以及氯化物和乳酸濃度的定量值。

圖13.用于汗液監測的柔性電子設備的表皮微流生物傳感器的示意圖、光學圖像和理論應力模型

文獻鏈接：https://stm.sciencemag.org/content/8/366/366ra165

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