在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，傳感器作為將外界環(huán)境中的化學(xué)、物理或生物等刺激信號(hào)轉(zhuǎn)化為可收集電信號(hào)的重要器件，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。近十幾年來，隨著可穿戴設(shè)備在健康監(jiān)測領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，傳感器的研究也逐漸朝著輕質(zhì)、高柔性、高靈敏度、快響應(yīng)速度等方向不斷深入。柔性傳感器的出現(xiàn)，更是解決了剛性平面?zhèn)鞲衅髋c人體曲線不匹配的難題，能夠舒適地附著在人體皮膚上。
柔性傳感器包含了多種類型，如柔性壓力傳感器、柔性溫度傳感器、柔性應(yīng)變傳感器、柔性濕度傳感器及柔性多功能集成傳感器等。其中，壓力傳感器作為柔性和可穿戴電子設(shè)備中為關(guān)鍵的部件之一，能夠?qū)碜酝饨绲臋C(jī)械刺激或變形轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。柔性壓力傳感器憑借其超薄、低模量、重量輕、高靈敏度和可伸縮性等獨(dú)特特性，受到了廣泛的關(guān)注，在電子皮膚、人工智能、軟機(jī)器人學(xué)、健康監(jiān)測等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。
柔性壓力傳感器根據(jù)工作機(jī)理的不同，一般可分為壓阻式、電容式、壓電式、摩擦電式等類型。下面為三種不同種類柔性壓力傳感器的工作原理圖。本文將分別對(duì)它們的工作機(jī)制、材料選擇以及在健康監(jiān)測方面的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)描述。
圖 1 不同形式的壓力傳感器 (a) 電容型；(b) 電阻型；(c) 壓電型；(d) 摩擦電型
壓阻式壓力傳感器的工作原理基于壓阻效應(yīng)。當(dāng)傳感器受到外界的壓力或拉力時(shí)，其內(nèi)部的敏感材料狀態(tài)或者與電極的接觸狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致電阻和電流產(chǎn)生變化。根據(jù)電阻的定義：，其中，是電阻率，是長度，是橫截面積。壓阻式壓力傳感器由于工作機(jī)理較為簡單，能量消耗小，因此受到了研究者們的廣泛關(guān)注。
電阻型壓力傳感器通常由襯底和導(dǎo)電材料組成。為了獲得良好的柔性和可拉伸性，襯底一般會(huì)選用彈性體，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）等。導(dǎo)電材料除了要具備一定的導(dǎo)電能力外，還需要對(duì)壓力變化高度敏感。電阻的變化主要可以概括為以下幾個(gè)因素：
- 材料的形狀結(jié)構(gòu)變化：結(jié)構(gòu)變形會(huì)導(dǎo)致長度和截面積的變化。
- 材料能帶結(jié)構(gòu)的變化：例如，當(dāng)石墨烯的拉伸程度超過 20% 時(shí)，其電子能帶結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，從而引起導(dǎo)電性能的變化；在半導(dǎo)體硅基材料中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。
- 兩種材料之間的接觸電阻的變化 ()：例如，利用靜電紡絲方法制成的 ZnO / 納米纖維薄膜，在 1.25cm - 1 曲率下靈敏度（）達(dá)到 12.75。其傳感機(jī)理是隨著壓力的增加，纖維的接觸變得更加緊密，導(dǎo)致電阻變小。不過，這類傳感器存在容易出現(xiàn)信號(hào)漂移和滯后的缺點(diǎn)。
- 復(fù)合材料內(nèi)部導(dǎo)電相的間隔發(fā)生變化：將導(dǎo)電填料作為第二相加入到導(dǎo)電能力相對(duì)較差的高分子材料當(dāng)中，當(dāng)達(dá)到逾滲閾值時(shí)，導(dǎo)電相會(huì)形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)為電阻明顯減小。導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成目前主要有逾滲理論和隧道電流效應(yīng)兩個(gè)理論。
青島大學(xué)觀珊珊副教授團(tuán)隊(duì)首次采用膠乳組裝技術(shù)，研制了一種基于還原氧化石墨烯 / 聚二甲基硅氧烷 (RGO/PDMS) 導(dǎo)電彈性復(fù)合材料的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)柔性應(yīng)變傳感器。如圖 2 所示，受益于乳膠顆粒的排除體積，RGO 選擇性地位于它們之間的間隙空間中，從而形成具有超低量 RGO（0.44 vol%）的 3D 導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使得 RGO/PDMS 復(fù)合材料具有機(jī)械堅(jiān)固且靈活的特性。值得注意的是，每個(gè) PDMS 乳膠顆粒都類似于一個(gè) “彈性氣球”，在外部刺激下能夠輔助導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的破壞和重建，從而賦予傳感器出色的靈敏度。特別是，該應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出卓越的靈敏度（44.01）、廣泛的應(yīng)變范圍 (300%) 和良好的穩(wěn)定性 (2500 次循環(huán))。由于這些優(yōu)點(diǎn)，傳感器可以有效地檢測人的手指運(yùn)動(dòng)、面部肌肉、語音識(shí)別和生理信號(hào)。
圖 2. RGO/PDMS 壓力傳感器 (a) RGO/PDMS 薄膜的制備工；(b) 工藝放大制備的 RGO/PDMS 薄膜的光學(xué)圖 (20cm×13cm)；(c) 不同線性區(qū)域 RGO/PDMS 應(yīng)變傳感器相對(duì)電阻隨應(yīng)變和 GF 的變化；(d) 人體運(yùn)動(dòng)檢測示意圖
電阻型與電容型壓力傳感器在設(shè)計(jì)策略上有相似之處。例如，為了獲得較高的靈敏度，通常會(huì)使用具有微結(jié)構(gòu)的柔性襯底或?qū)щ妼?，如尖錐狀陣列、球狀陣列、柱狀陣列、互鎖結(jié)構(gòu)等微結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，顯著提升了傳感器的靈敏度。
電容型壓力傳感器一般由電極和介電層組成，屬于一種平行板電容器，其電容值為：，其中，為真空介電常數(shù)，為相對(duì)介電常數(shù)，為電極有效面積，為極板間距。對(duì)于由軟材料構(gòu)成的器件，這三個(gè)變化量都容易受到壓力的影響，因此可以根據(jù)電容信號(hào)的改變來測得壓力的大小。比如，拉伸后，電容式傳感器的電容面積發(fā)生變化，介質(zhì)層厚度減小，導(dǎo)致柔性傳感器的電容值增大。
廈門大學(xué)劉向陽教師及吳榮輝博士等人成功地制作了一種具有無線無電池監(jiān)測系統(tǒng)的全織物壓力傳感器。如圖 3 所示，該傳感器將三維穿透織物夾在兩個(gè)高導(dǎo)電織物電極之間作為介電層。由于間隔織物具有良好的彈性和恢復(fù)性，電容壓力傳感器具有高靈敏度 0.283 kPa - 1，響應(yīng)時(shí)間快，循環(huán)穩(wěn)定性好 (≥20000)。此外，還成功地設(shè)計(jì)和制作了共面織物傳感器陣列，用于空間映射解析的壓力信息。更重要的是，透氣織物可以貼在皮膚上，通過諧振移頻靈敏度為 6.8 MHz/kPa 的光纖電感線圈進(jìn)行無線實(shí)時(shí)壓力檢測。
圖 3. (a) LC 監(jiān)測壓力傳感器原理圖；(b) 電容傳感器在壓力下變化時(shí)作為介電層的 3D 穿透織物示意圖；(c) 電容傳感器無線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。
電容型壓力傳感器能夠檢測靜態(tài)力，普通的柔性電容型壓力傳感器具有能量消耗小、信號(hào)漂移小、響應(yīng)重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)。介電層是電容型壓力傳感器提升靈敏度和壓力響應(yīng)范圍等性能的重要優(yōu)化對(duì)象。由于軟材料具有不可壓縮性，如果不引入特殊結(jié)構(gòu)，器件的靈敏度會(huì)非常低。因此，通過形成特殊的微結(jié)構(gòu)，如球狀、柱狀、錐狀，引入第二相，使用高彈性材料，引入氣隙，將介電材料制成多孔的泡沫狀等方式，都可以顯著地改善電容型壓力傳感器的靈敏度。
壓電型壓力傳感器是將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，其感應(yīng)機(jī)理來源于壓電材料的壓電效應(yīng)。壓電傳感器的傳感機(jī)制是，當(dāng)施加在壓電介電材料上的力通過變形產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力時(shí)，介電材料中偶極矩的變化會(huì)產(chǎn)生電勢。壓電材料在外界刺激的影響下產(chǎn)生電荷，從而產(chǎn)生電響應(yīng)的透過率和對(duì)外界變化的檢測。由于施加的機(jī)械應(yīng)力，在壓電材料的內(nèi)部偶極子的體積中發(fā)生電極化，在壓電材料的兩個(gè)相對(duì)表面之間出現(xiàn)電位差。由于所施加的外部機(jī)械應(yīng)力是變化的，電信號(hào)的差異也是變化的。壓電開路電壓表達(dá)式為：
式中，
為面積，
為壓電系數(shù)，
為介電常數(shù)，
為厚度，
為機(jī)械應(yīng)力。由于壓電材料的特殊特性，壓電傳感器可以有效地響應(yīng)高頻信號(hào)，是一種非常適合于自供電的器件。
描述壓電材料壓電性能重要的參數(shù)是，稱為壓電常數(shù)，它體現(xiàn)了壓電材料將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能或者將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的能力。一般來說，越大，壓電體的壓電性能越好。這類傳感器可以在壓力下產(chǎn)生內(nèi)部電壓，電壓的大小與應(yīng)變有關(guān)，在無源壓力傳感器領(lǐng)域具有巨大的潛力。壓電型壓力傳感器在測量動(dòng)態(tài)力上有出色的表現(xiàn)，并且響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到微秒量級(jí)，但是在靜態(tài)力的測量上還存在一些困難。
摩擦電型壓力傳感器出現(xiàn)的時(shí)間比電阻型、電容型以及壓電型傳感器都要晚。與電阻型和電容型傳感器相比，它不需要提供電源；與壓電型傳感器相比，它可選擇的材料范圍更廣。
摩擦電型壓力傳感器利用了摩擦起電的原理，具有成本低、制備流程簡單和輸出電壓高的優(yōu)點(diǎn)。它一般由上下兩個(gè)電極和中間負(fù)責(zé)摩擦生電的不同材料構(gòu)成，兩層材料之間有一層薄薄的空氣。當(dāng)外加壓力時(shí)，兩種不同帶電序列的材料相互接觸，摩擦起電現(xiàn)象發(fā)生，在接觸界面兩側(cè)產(chǎn)生相反的電荷；當(dāng)壓力釋放后，帶等量相反電荷的兩個(gè)表面被自動(dòng)分離，由于靜電感應(yīng)現(xiàn)象分別在電極表面產(chǎn)生補(bǔ)償電荷；材料之間的空氣層使兩個(gè)表面上的電荷不能完全中和，形成電位差。這種機(jī)制使摩擦電型壓力傳感器可以在壓力作用并釋放后產(chǎn)生電信號(hào)。
摩擦電型壓力傳感器早在 2012 年被 Fan 等報(bào)道，他們用兩種不同的材料：PET 和 Kapton (主要成分聚酰亞胺) 制成聚合物薄片疊加在一起，在結(jié)構(gòu)的頂部和底部分別沉積金屬薄膜，接通外電路后，輸出電壓高達(dá) 3.3 V，功率密度約為 10.4mW/cm3。
影響摩擦電型壓力傳感器性能的關(guān)鍵在于材料的表面結(jié)構(gòu)。Yang 等設(shè)計(jì)了一種可以檢測風(fēng)力的摩擦電型壓力傳感器。當(dāng)有風(fēng)力作用時(shí)，會(huì)引起尼龍薄膜的震動(dòng)，根據(jù)摩擦起電現(xiàn)象和靜電感應(yīng)原理，頂部的聚酰亞胺 (polyimide, PI) 和氧化石墨烯泡沫層會(huì)根據(jù)尼龍薄膜的距離遠(yuǎn)近而帶上數(shù)量不同的正電荷或者負(fù)電荷。傳感器輸出的電壓和電流與施加壓力大小存在線性關(guān)系，隨著壓力增大，電壓和電流都明顯增加 (，，表示壓力)，在小于 30 N 的壓力范圍內(nèi)性能良好。
- 電容型壓力傳感器：結(jié)構(gòu)簡單，能夠檢測靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力，信號(hào)漂移小，但是容易被外場干擾，靈敏度受到介電層可壓縮程度的限制。
- 電阻型壓力傳感器：同樣能夠檢測靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力，并且結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是信號(hào)漂移較大，但是不容易受到外場的干擾。
- 壓電型壓力傳感器：大部分只能檢測動(dòng)態(tài)力，響應(yīng)時(shí)間快，相比于前兩種具有可自供電的優(yōu)勢。
- 摩擦電型壓力傳感器：一般也只能測動(dòng)態(tài)力，具有制作成本低、結(jié)構(gòu)簡單、輸出電壓高、自驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。
在測量對(duì)象上，一般電容型和電阻型壓力傳感器的應(yīng)用范圍更廣，但也有例外。在一些惡劣的環(huán)境中，它們需要及時(shí)更換電源，比較耗費(fèi)人力和物力。而壓電型和摩擦電型的壓力傳感器由于可以自供電，能夠長時(shí)間在野外檢測信號(hào)，極大地節(jié)省了成本。
為了制備出性能優(yōu)異的柔性壓力傳感器，材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
柔性襯底是壓力傳感器的主要部件，具有柔韌性和延展性，可以輕松地與人體的任何部位結(jié)合在一起。因此，柔性襯底要求材料既具有機(jī)械性能又要具有柔性。常用的柔性襯底材料包括聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、聚酯 (聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN) 、聚氨酯 (PU)、聚醚砜 (PES)、聚醚醚酮 (PEEK) 和聚酰亞胺 (PI) 等。
PDMS 以其優(yōu)異的拉伸性能、高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、低的成本等優(yōu)勢，成為一種極具應(yīng)用前景的硅橡膠材料。由于其輕薄、透氣和優(yōu)良的生物相容性，可以直接附在人體皮膚上而不會(huì)引起過敏反應(yīng)，也可以作為柔性組織工程材料植入體內(nèi)。此外，由于 PDMS 在固化之前是液態(tài)的，因此可以簡單加工成各種形狀，例如半球形、金字塔形、微柱形等微結(jié)構(gòu)。
由于內(nèi)部存在豐富的氫鍵，聚乙烯醇 (PVA) 具有自我修復(fù)特性，這使得具有 PVA 基材的柔性壓力傳感器具有抗損傷性。纖維和紡織品具有上述基材所缺乏的優(yōu)良透氣性，被認(rèn)為是接近人體皮膚的天然材料。由于蠶絲具有生物相容性、透光性、機(jī)械堅(jiān)固性等諸多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛報(bào)道為柔性和可穿戴電子產(chǎn)品的襯底。
敏感元件主要是通過敏感材料鍵合或者混合在柔性襯底上制得，因此敏感材料是設(shè)備感知外界壓力刺激的關(guān)鍵部分，敏感材料的性能對(duì)于壓力傳感器的性能，尤其是靈敏度，起著至關(guān)重要的作用。常用的敏感材料是金屬基材料（金屬納米顆粒和金屬納米線）、碳基材料（如炭黑、碳納米管和石墨烯）、導(dǎo)電聚合物（如聚吡咯、聚苯胺 (PANI) 和聚（苯乙烯磺酸酯) [PEDOT:PSS]）、其他材料（如 MOF 和 MXene）。
用作柔性傳感器件電極材料的主要標(biāo)準(zhǔn)是高的導(dǎo)電性、與基底的良好粘附強(qiáng)度和對(duì)機(jī)械變形的很強(qiáng)的魯棒性。柔性傳感器件電極材料的選擇還必須考慮其機(jī)械柔性和穩(wěn)定性。超薄電極適合于這種應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兛梢猿惺軓澢Χ蝗菀灼茐膶?dǎo)電路徑。為了消除斷裂的可能性，有必要將電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成波浪結(jié)構(gòu)、蛇形圖案和螺旋彈簧等方式，使其不會(huì)受到彎曲或扭曲作用力的影響。電極材料可分為金屬、納米材料、導(dǎo)電聚合物和導(dǎo)電織物四個(gè)類型。銀 (Ag)、金 (Au)、鎳 (Ni) 和銅 (Cu) 等金屬是常見的電極材料，而對(duì)于柔性應(yīng)用而言，石墨烯、碳納米管 (CNTs) 或金屬納米線 (NWs) 等納米材料由于其高導(dǎo)電性和柔性而被廣泛。
柔性壓力傳感器在使用過程中會(huì)面臨各種不同的受力環(huán)境。例如在人體表皮電子的應(yīng)用中，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致貼附在其表面的電子器件承受較大的拉伸應(yīng)變，這對(duì)材料的柔韌性提出了較高的要求。而在彎曲、拉伸、擠壓等不同類型的應(yīng)變當(dāng)中，可拉伸性是考驗(yàn)器件性能的指標(biāo)。要制備可拉伸的傳感器，就需要電極和功能材料同時(shí)具有可拉伸性，這對(duì)材料的要求進(jìn)一步提高。雖然有的材料可以拉伸，但是拉伸之后性能并不穩(wěn)定，比如金屬薄膜和柔性襯底組成的電極，在被拉伸到一定程度之后電導(dǎo)率會(huì)急劇下降。用金屬納米網(wǎng)絡(luò)來替換金屬薄膜可以增加拉伸時(shí)導(dǎo)電性能的穩(wěn)定性，并拓寬可拉伸范圍。此外，也要關(guān)注器件的共形能力。傳感器可能用在平面、曲面或者處于變化中的表面，例如人體關(guān)節(jié)附近的皮膚表面。如果不能和皮膚良好地貼合（即共形），即使有很好的拉伸性能也不能準(zhǔn)確地搜集到想要的數(shù)據(jù)。為此，傳感器應(yīng)盡可能地薄，并且彈性模量和皮膚接近，這樣才不會(huì)和皮膚脫離。
