前段时间，苏炳添教授发布的一篇论文登上热搜，网友们在感叹苏教授“文武双全”的同时，也对论文中的柔性传感器产生了好奇。传感器还有柔性？为什么柔性传感器对人体运动监测有如此巨大的优势？柔性传感器还能运用到哪些领域？

柔性传感器与可穿戴设备的天作之合

在谈柔性传感器之前，我们可以先了解一下其重要的小伙伴——可穿戴设备~

在20世纪60年代，美国麻省理工学院媒体实验室提出了一种可以把多媒体、传感器和无线通信等技术嵌入日常穿戴中的技术，即可穿戴技术。受制于时代发展，大部分设备的体积都比较大，想要把这么多设备集成在一起，那可就不是做一个手环这么简单，可能需要做一件盔甲了。

但随着世界迈入互联网时代，芯片制程不断突破，通讯技术也在突飞猛进，芯片越做越小，蓝牙、NFC的诞生也使通讯功耗越来越低，这些都为可穿戴设备注入活力。在可穿戴设备不断朝着微型化、集成化和智能化前进的情况下，对传感器的性能要求也愈发严苛，随着新材料的发展和柔性基质材料的突破，一种透明、柔韧、延展、可弯曲折叠、便于携带和可穿戴的传感器——柔性传感器诞生了。换言之，可穿戴设备为柔性传感器提供了巨大的市场，而后者将极大地提升前者的性能，实为相辅相成的天作之合。

柔性传感器种类繁多

柔性传感器种类较多，分类方式也多样化 。按照用途分类，柔性传感器包括柔性压力传感器 、柔性气体传感器 、柔性湿度传感器 、柔性温度传感器 、柔性 应变传感器 、柔性磁阻抗传感器和柔性热流量传感器等。

按照感知机理分类，柔性传感器包括柔性电阻式传感器 、柔性电容式传感器 、柔性压磁式传感器和柔性电感式传感器等 。

柔性传感器有什么特点?

柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性、甚至可自由弯曲甚至折叠，而且结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对复杂被测量进行检测。

柔性传感器的优势让它有非常好的应用前景，包括在医疗电子、环境监测和可穿戴等领域。例如在环境监测领域，科学家将制作成的柔性传感器置于设备中，可监测台风和暴雨的等级;在可穿戴方面，柔性的电子产品更易于测试皮肤的相关参数，因为人的身体不是平面的。

那么，对于柔性传感器而言关键是什么?以现在被广泛用于医疗、环境检测等领域的柔性可穿戴电子传感器为例，其信号转换机制主要分为压阻、电容和压电三大部分。

压 阻

压阻传感器可以将外力转换成电阻的变化(与施加压力的平方根成正比)，进而可以方便地用电学测试系统间接探测外力变化。而导电物质间导电路径的变化是获得压阻传感信号的常见机理。由于其简单的设备和信号读出机制，这类传感器得到广泛应用。程文龙等发展了一种简单实用的高灵敏压阻传感器，其在弹性基底上构筑了金纳米线薄层和电极阵列。这种器件具有 13～50000 Pa宽的检测范围。为了增强灵敏性，实现对接触力的扫描，鲍哲楠等利用具有锥状微结构的压阻传感器制备了一种可以向大脑传递触觉信息的电子皮肤。

电 容

容是衡量平行板间容纳电荷能力的物理量。传统的电容传感器通过改变正对面积s和平行板间距d来探测不同的力,例如压力，剪切力等。电容式传感器的主要优势在于其对力的敏感性强,可以实现低能耗检测微小的静态力。鲍哲楠等在弹性基底上制备了电容型透明可拉伸的碳纳米管传感器,对压力和拉力同时有响应。

压 电

压电材料是指在机械压力下可以产生电荷的特殊材料。这种压电特性是由存在的电偶极矩导致的。 电偶极矩的获得是靠取向的非中心对称晶体结构变形，或者孔中持续存在电荷的多孔驻极体。压电系数是衡量压电材料能量转换效率的物理量，压电系数越高，能量转换的效率就越高。高灵敏，快速响应和高压电系数的压电材料被广泛应用于将压力转换为电信号的传感器。

柔性材料迅速发展成为催化剂

柔性传感器为何成为趋势，自然是随着柔性材料的发展应运而生。柔性材料是与刚性材料相对应的概念，一般，柔性材料具有柔软 、低模量 、易变形等属性 目前制作柔性传感器的材料有很多，主要是金属材料、无机半导体材料、有机材料和柔性基底。

1、柔性基底

为了满足柔性电子器件的要求，轻薄、透明、柔性和拉伸性好、绝缘耐腐蚀等性质成为了柔性基底的关键指标。

在众多柔性基底的选择中，聚二甲基硅氧烷(PDMS)成为了人们的首选。它的优势包括方便易得、化学性质稳定、透明和热稳定性好等。尤其在紫外光下粘附区和非粘附区分明的特性使其表面可以很容易的粘附电子材料。很多柔性电子设备通过降低基底的厚度来获得显著的弯曲性;然而，这种方法局限于近乎平整的基底表面。相比之下,可拉伸的电子设备可以完全粘附在复杂和凹凸不平的表面上。目前,通常有两种策略来实现可穿戴传感器的拉伸性。第一种方法是在柔性基底上直接键合低杨氏模量的薄导电材料。第二种方法是使用本身可拉伸的导体组装器件。通常是由导电物质混合到弹性基体中制备。

2、金属材料

金属材料一般为金银铜等导体材料，主要用于电极和导线。 对于现代印刷工艺而言，导电材料多选用导电纳米油墨，包括纳米颗粒和纳米线等。金属的纳米粒子除了具有良好的导电性外，还可以烧结成薄膜或导线。

3、无机半导体材料

以ZnO和ZnS为代表的无机半导体材料由于其出色的压电特性，在可穿戴柔性电子传感器领域显示出了广阔的应用前景。

一种基于直接将机械能转换为光学信号的柔性压力传感器被开发出来。这种矩阵利用了Zn S:Mn 颗粒的力致发光性质。力致发光的核心是压电效应引发的光子发射。压电 Zn S 的电子能带在压力作用下产生压伏效应而产生倾斜，这样可以促进Mn2+的激发，接下来的去激发过程发射出黄光(580nm左右)。

一种快速响应(响应时间小于10ms)的传感器就是由这种力致发光转换过程所得到，通过自上而下的光刻工艺，其空间分辨率可达 100μm。这种传感器可以记录单点滑移的动态压力，其可以用于辨别签名者笔迹和通过实时获得发射强度曲线来扫描二维平面压力分布。 所有的这些特点使得无机半导体材料成为未来快速响应和高分辨压力传感器材料领域最有潜力的候选者之一。

4、有机材料

大规模压力传感器阵列对未来可穿戴传感器的发展非常重要。基于压阻和电容信号机制的压力传感器存在信号串扰，导致了测量的不准确，这个问题成为发展可穿戴传感器最大的挑战之一。

由于晶体管完美的信号转换和放大性能，晶体管的使用为减少信号串扰提供了可能。因此，在可穿戴传感器和人工智能领域的很多研究都是围绕如何获得大规模柔性压敏晶体管展开的。

典型的场效应晶体管是由源极、漏极、栅极、介电层和半导体层五部分构成。根据多数载流子的类型可以分为p型(空穴)场效应晶体管和n型(电子)场效应晶体管。

传统上用于场效应晶体管研究的p型聚合物材料主要是噻吩类聚合物，其中最为成功的例子便是聚(3-己基噻吩)(P3HT)体系。萘四酰亚二胺(NDI)和苝四酰亚二胺(PDI)显示了良好的n型场效应性能，是研究最为广泛的n型半导体材料，被广泛应用于小分子n型场效应晶体管当中。

通常晶体管参数有载流子迁移率、运行电压和开/关电流比等。与无机半导体结构相比，有机场效应晶体管(OFET)具有柔性高和制备成本低的优点,但也有载流子迁移率低和操作电压大的缺点。

5、碳材料

柔性可穿戴电子传感器常用的碳材料有碳纳米管和石墨烯等。碳纳米管具有结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔大小可通过合成工艺加以控制，比表面利用率可达100%的特点。

石墨烯具有轻薄透明，导电导热性好等特点。在传感技术、移动通讯、信息技术和电动汽车等方面具有极其重要和广阔的应用前景。

在碳纳米管的应用上，利用多臂碳纳米管和银复合并通过印刷方式得到的导电聚合物传感器，在140%的拉伸下，导电性仍然高达20S？cm？1。

在碳纳米管和石墨烯的综合应用上，制备了可以高度拉伸的透明场效应晶体管，其结合了石墨烯/单壁碳纳米管电极和具有褶皱的无机介电层单壁碳纳米管网格通道。由于存在褶皱的氧化铝介电层,在超过一千次20%幅度的拉伸-舒张循环下，没有漏极电流变化，显示出了很好的可持续性。

融合各学科尖端技术的传感器

目前，柔性传感器技术比较成熟，应用范围比较广的主要有以压力-电学为主的柔性传感器、以应变-电学为主的柔性传感器、柔性光纤传感器以及柔性气敏传感器。都是将复杂无序的物理信号转化为规律、可读取的有效电信号，再通过算法分析生成监测数据，供使用者读取，如下图所示。

由于柔性传感器的特殊性，其载体需要具有柔软、低模量、易形变等属性。常见的柔性材料有: 聚乙烯醇( PVA) 、聚酯( PET) 、聚酰亚胺( PI) 、聚萘二甲酯乙二醇酯( PEN) 、纸片、纺织材料等。同时，电路部分需要使用到半导体材料、有机材料，在生产上需要严苛的生产环境，其组装、排列、集成和封装技术需要很高的精度。

综上，柔性传感器具有很强的学科交叉融合特性，它的技术突破和完善需要集合生物学、电学、材料学等多学科的尖端技术，同时需要和所应用的领域进行算法的定制。例如，运动柔性传感器根据不同身体部位的运动特点，有不同的材料选择，运动背心内的传感器和鞋底脚掌的传感器材料强度就会有所不同。

柔性传感器的市场应用前景十分广阔

柔性传感器结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对特殊环境与特殊信号进行精确快捷测量，解决了传感器的小型化、集成化、智能化发展问题。目前，在医疗检测治疗、运动健身、通信娱乐和航空航天领域，柔性传感器都展现出了强大的潜力。有市场分析报告指出，在 2021年至2028年的预测期内，柔性传感器市场预计将以6.8%的速度增长，预计到2028年将达到 84.7亿美元。

其中，在医学监测治疗中，柔性可穿戴电子主要作用之一便是将检测监控电路印制在衣服或是其他柔性材料上，作为诊断或监测人体生命信号的工具，用于对病人进行身体健康数据采集、疾病监测和康复跟踪监控等。如在高分子聚合物基础上制备而成的电子皮肤，其有着与人类皮肤相似的感知功能，如下图所示。

柔性传感器的广阔前景不仅体现在民用市场，还体现在高端科研领域。

我国正在稳步推进登月项目、空间站项目和火星探测项目。在航空航天领域，宇航服作为宇航员在外太空利用最为密切的装备，其对于宇航员的生命安全以及深空探测任务的完成都具有十分重要的意义。目前，全世界范围内，有许多科研人员制作了纸基传感器，其不仅具有舒适性，且利用纸本身存在的天然微结构作为传感器的敏感单元，可以实现传感器的高灵敏度检测。

当然，柔性传感器因为其材料的特殊性，还存在许多技术瓶颈。例如，碳纳米管和石墨烯等用于柔性传感器的材料制备技术工艺水平还不成熟，也存在成本、适用范围、使用寿命等问题。常用柔性基底存在不耐高温的缺点，导致柔性基底与薄膜材料间应力大、粘附力弱。柔性传感器的组装、排列、集成和封装技术也还有待进一步提高。

文章来源： 物联森友会，传感器专家网