柔性可穿戴式壓力傳感設(shè)備及其醫(yī)療方向應(yīng)用綜述

薛寧

中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京 100190

1 前言

近年來，隨著可彎曲、可延展性和生物兼容性有機(jī)材料的探索、開發(fā)，使其在生物醫(yī)學(xué)器件領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛：如柔性壓力陣列鞋墊，可檢測病人行走過程中的腳底壓力的變化；柔性手腕血氧傳感器，可通過光學(xué)方式檢測進(jìn)行血飽和氧濃度分析；柔性動(dòng)態(tài)壓力傳感器置于手腕，以實(shí)時(shí)監(jiān)測心跳及脈搏信息；環(huán)狀骨壓力傳感器；骨壓、眼壓等壓力傳感器；用于假肢觸覺感知的多通道觸覺傳感器等，得益于有機(jī)化學(xué)、生物材料的發(fā)展。生物兼容性傳感器的柔性基底和皮膚的機(jī)械性質(zhì)如柔性度、強(qiáng)度、彈性的差別趨于接近，使得越來越多的可穿戴式設(shè)備的涌現(xiàn)，設(shè)備的舒適度也逐漸提升。微機(jī)械電子系統(tǒng)（Microelectro-mechanical system, MEMS）和非傳統(tǒng)的微加工工藝如軟膜層壓技術(shù)、圖形轉(zhuǎn)印技術(shù)、絲網(wǎng)印刷技術(shù)等多種技術(shù)可以根據(jù)多種實(shí)際需求在柔性襯底上制作相關(guān)應(yīng)用的用于生物醫(yī)療的微傳感器。常見的壓力和觸覺感知的柔性傳感器原理包括：壓阻感知、電容感知以及壓電感知。文章將介紹相關(guān)柔性傳感器的機(jī)理，相關(guān)團(tuán)隊(duì)的近期研究內(nèi)容，作者團(tuán)隊(duì)的近期研發(fā)成果以及今后該領(lǐng)域的研究方向。

2 壓阻式柔性傳感器

壓阻式柔性傳感器以其較為簡單的“單層”敏感層和讀出電路，得到廣泛應(yīng)用。通常壓阻式傳感器有納米導(dǎo)電材料或延展性較好的金屬材料，其中的納米導(dǎo)電材料包括納米顆粒金，銀，碳納米管，碳黑和石墨烯等。Takei[1]研究小組通過樣品噴涂方式使碳納米管-銀混合納米顆粒組裝成的柔性壓力傳感器敏感層，其結(jié)構(gòu)層由柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)組成。電阻初始值變化率小于2%，靈敏度在8%Pa-1，在500個(gè)彎曲周期后的伏-安測試中，以及1000個(gè)彎曲周期的電阻測試中，電阻仍能與保持相應(yīng)初始值保持一致（圖1）。

圖2a為通過圖案轉(zhuǎn)印方式把柔性襯底A上的金屬層轉(zhuǎn)移到柔性襯底B上作為壓阻式傳感器金屬層。當(dāng)金屬與襯底B的結(jié)合強(qiáng)于與襯底B的結(jié)合能時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)金屬層的轉(zhuǎn)移[2]。圖2b為金屬圖案轉(zhuǎn)移后在襯底B上形成的波浪電極圖形；圖2c的圖形為兩支點(diǎn)式金屬懸臂層；圖2b、c中金屬圖案配置方式可增大金屬及襯底的延展度，增大傳感器的靜態(tài)傳感范圍；采用圖2b、c兩方案制作的壓阻傳感器具有100%的形變傳感范圍。

頭發(fā)的膠質(zhì)纖維的生理狀況受一些內(nèi)在因素，如水分、維生素、蛋白質(zhì)含量，和一些外在因素，如空氣污染，紫外線照射等決定。采用柔性梳子，通過測量頭發(fā)對(duì)梳子的機(jī)械阻力可檢測頭發(fā)纖維的損壞程度，從而間接地反映了上述內(nèi)外在條件的變化。作者利用特氟龍材料（Teflon）作為基底制作二維的平面梳子（圖3），并采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，在梳子每個(gè)齒上制作基于納米銀顆粒的應(yīng)力計(jì)。圖3b為系統(tǒng)圖，其中右端的電路可同時(shí)獲取8通道的電阻值信息，并通過藍(lán)牙芯片上傳至上位機(jī)。圖3c為通道5的標(biāo)定結(jié)果。在5號(hào)齒通道壓力計(jì)的末端施加力，電阻值和相應(yīng)的最大形變被記錄。經(jīng)測試得到，應(yīng)力計(jì)靈敏度為3%N-1。

圖2 金屬圖案轉(zhuǎn)移方式制作的壓阻式柔性傳感器

圖3 頭發(fā)膠質(zhì)纖維檢測梳狀多通道應(yīng)力計(jì)

應(yīng)力計(jì)也可以采用金屬沉積的方式進(jìn)行制作，對(duì)于延展性較大的柔性襯底材料如創(chuàng)可貼、膠布等，在進(jìn)行延展的過程中，其上端沉積金屬線的局部會(huì)因?yàn)檠诱惯^長進(jìn)而產(chǎn)生微米級(jí)別的金屬線斷裂，從而使電阻值急劇升高至上千倍。在某些應(yīng)用中，可以合理利用這個(gè)金屬線斷裂時(shí)的電阻的變化進(jìn)行應(yīng)力的檢測。

3 電容式柔性傳感器

電容式傳感作為壓力傳感的重要原理具有高靈敏度，寬動(dòng)態(tài)范圍，并且輸出值不隨溫度變化而變化的性質(zhì)。但是，器件中寄生電容的存在會(huì)使系統(tǒng)易于受到環(huán)境干擾。因此，在實(shí)際電容傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，需加入電荷屏蔽層以減少環(huán)境干擾。電容式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)是金屬-介質(zhì)層-金屬。在制作過程中，可以通過圖形化，微加工等方式在電介質(zhì)層內(nèi)部制作中空方塊、金字塔或三角結(jié)構(gòu)而增加器件對(duì)壓力的靈敏度。上層金屬可以通過金屬的物理氣相沉積、壓膜或者圖案轉(zhuǎn)移的方式印在柔性襯底上。圖4a列舉了傳統(tǒng)柔性上下極板電容的制作方式。首先，為制作具有微結(jié)構(gòu)層的電介質(zhì)壓力敏感層，在硅或一些硬性模具中，制作微結(jié)構(gòu)；之后通過旋涂或灌注的方式進(jìn)行熱固加工，然后在上面蒸鍍、濺射或壓膜一層金屬層，之后上層金屬和介質(zhì)層從磨具中脫離出來粘貼到下層金屬及柔性襯底上（如圖4b所示）。另外，為提高信號(hào)的輸出，Mannsfeld[3]團(tuán)隊(duì)，制作了柔性三極管壓力傳感器（圖4）。

圖4 電容式柔性壓力傳感器

Schwartz[4]研究小組制作了多通道有機(jī)場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器；其最底層采用了柔性聚酰亞胺薄膜。另外采用了V-型結(jié)構(gòu)的PDMS介質(zhì)層覆蓋在PiI2T-Si半導(dǎo)體材料層；介質(zhì)層上層為PET-ITO-PDMS的柔性電極層；上下層ITO金屬柔性層和V-型結(jié)構(gòu)PDMS介質(zhì)層通過熱壓方式成為一體（圖5a所示）。圖5b-d為不同壓力下，效應(yīng)管的電學(xué)性質(zhì)。與電容式柔性PDMS的壓力傳感器比較，有機(jī)場效應(yīng)管有著非常高的敏感度8.4 kPa-1, 反應(yīng)時(shí)間小于10ms，功耗小于1mW。然而，器件的工作電壓（源-漏和源-門）高于200V，實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)困難。

圖5 柔性有機(jī)場效應(yīng)管壓力傳感器

上述基于電容和場效應(yīng)原理制作的柔性壓力傳感器僅僅能夠在沿傳感面法向方向進(jìn)行力學(xué)傳感，并且上文著重介紹了通過電介質(zhì)層結(jié)構(gòu)變化而提高器件敏感度的方法。在傳統(tǒng)的多方向上的力學(xué)傳感（x，y切向方向和z法向方向）中，由于電解質(zhì)的彈性在切向方向要遠(yuǎn)小于法相方向，因此在x，y方向的靈敏度遠(yuǎn)小于法向方向。為解決這個(gè)問題，最有效的方式是優(yōu)化電極的組合方式與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。據(jù)報(bào)道，手指狀的電極方式在切向方向靈敏度提高上具有一定優(yōu)勢。Dobrzynska[5]研究小組等研究人員在2013年開發(fā)出聚亞酰胺基底的3軸柔性電容式壓力傳感器（圖6所示）。如圖6b所示，每一個(gè)壓力傳感單元由兩組水平方向垂直的手指電極組成。當(dāng)Fz施力下，電介質(zhì)層壓縮，C1-C4四個(gè)電容值按相同比例增大，增大值正比于z方向壓力；當(dāng)Fx施力下，上金屬層隨電介質(zhì)層沿x方向移動(dòng)，C1，C3電容減小，C2，C4基本保持不變；當(dāng)Fy施力下，上金屬層隨電介質(zhì)層沿y方向移動(dòng)，C1，C3電容減小，C2，C4基本保持不變。該文章中，在小于10 kPa的力學(xué)范圍內(nèi)，z方向靈敏度為0.024kPa-1，在高壓強(qiáng)區(qū)間（20kPa-140kPa）內(nèi)，z方向靈敏度為6.6×10-4kPa-1。兩切向方向的靈敏度為2.8×10-4kPa-1。

圖6 柔性聚亞酰胺三軸壓力傳感器

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，電容傳感器的上層電極板在彎曲過程中容易破裂，影響傳感器壽命。為此，懸浮上層電極板概念被提出。一個(gè)傳感單元由三個(gè)電極板組成，包括下層兩電極板與上層懸浮電極板。在電容獲取中，直接測量從下層兩極板引出的電容值。由于下層金屬在施力過程中處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此該類型傳感器較傳統(tǒng)上下板電極比較壽命大大提高；即使上層懸浮電極板產(chǎn)生微小破裂，輸出電容值將不會(huì)受到影響。

電容式傳感器在手術(shù)過程中的應(yīng)用：在急性手術(shù)過程時(shí)需要在環(huán)狀軟骨上方施加一個(gè)10-44牛頓之間的力以防止肺吸氣（胃內(nèi)容物反流進(jìn)肺部）。傳統(tǒng)的環(huán)狀軟骨壓力由有經(jīng)驗(yàn)的護(hù)士施加，但文獻(xiàn)報(bào)道，這個(gè)壓力的大小因護(hù)士不同而異。為了能使施力標(biāo)準(zhǔn)化，本團(tuán)隊(duì)采用濺射金屬形成上下電極板的方式制作了用于測量施加于環(huán)狀軟骨壓力的力學(xué)傳感器以及其讀取電路（如圖7所示）[6,7]。從圖5a可以看出，每個(gè)壓強(qiáng)傳感單元是由三層金屬層以及中間一層PDMS可壓縮層組成。其中中間金屬層的兩片金屬與上層金屬組成電容，引線由中間兩層金屬片引出。這樣總電容為

其中Cs1和Cs2為兩傳感電極之間寄生電容，C1是壓力敏感電容，Cs2為傳感電極與下層隔噪電極的寄生電容。這種電容的配置方式使得兩引線在同一平面上，這種情況下，上層獨(dú)立電極在隨壓力而引起的微小破裂將不會(huì)引起電容的斷接，提高了傳感器使用壽命。從圖7b看出，該壓力傳感器由100個(gè)壓力敏感電容單元通過行列掃描方式進(jìn)行連接，之后接入處理電路，再通過信號(hào)的采集，處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換，使得系統(tǒng)在不到0.5秒的時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)獲取并顯示100個(gè)通道的壓強(qiáng)信息；之后在對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行壓強(qiáng)的積分，而獲取壓力值。該壓力值范圍可以通過電腦顯示，或者在印刷電路板（PCB）下方的8個(gè)LED等進(jìn)行顯示（圖7c）。

圖7 環(huán)狀軟骨電容式壓力傳感器

4 壓電式壓力傳感器

壓電式傳感器廣泛用于動(dòng)態(tài)信息的獲取，作為麥克風(fēng)、陀螺儀等的常見傳感原理。常見的壓電薄膜包括氮化鋁、氧化鋅、鋯鈦酸鉛（PZT）,以及柔性的聚偏氟乙烯（PvDF）。在壓電薄膜上施加動(dòng)態(tài)壓力后，薄膜兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)電荷的積累，通過測量電路得到積累電荷的動(dòng)態(tài)信息可以獲取動(dòng)態(tài)壓力值。壓電式傳感器的特點(diǎn)是具有自生能量，并且信號(hào)輸出對(duì)電磁環(huán)境干擾較小，可測量動(dòng)態(tài)壓力信息如聲壓、心跳、脈搏等。Dagdeviren[8]等人制作出基于PZT和柔性聚酰亞胺薄膜襯底的柔性壓力傳感器（圖8）。該柔性傳感器由多個(gè)PZT壓力敏感陣列并聯(lián)組成，在輸出端為超薄硅基襯底的場效應(yīng)管（MOSEFT）放大電路，可以直接把電荷值轉(zhuǎn)化為電壓值Vgs，并進(jìn)行放大（圖8c）。

圖8 PZT薄膜與聚酰亞胺襯底的柔性壓力傳感器

PvDF材料具有高壓電系數(shù)和柔性的特點(diǎn)，是制作柔性壓電傳感器的較好材料，Seminara[9]等研究人員開發(fā)了陣列式壓電聚合物觸覺傳感器作為人造皮膚，工作范圍為1Hz～1kHz。研究提出，PvDF傳感器可以利用成膜技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)成任何形狀，并具有較低成本。Kim[10]等研究人員開發(fā)出橢球形狀的壓電觸覺傳感器，PvDF壓電敏感層制作成橢球形狀并可以根據(jù)加工工藝進(jìn)行形狀改變。另外，這種橢球形狀的觸點(diǎn)可以減小壓力傳感點(diǎn)之間的相互干擾如圖9所示，因此，基于這種橢球形加工技術(shù)制作的傳感器比平狀的傳感單元具有更高的器件靈敏度。

圖9 橢球形PvDF壓電材料的觸覺傳感器光學(xué)照片

圖10 基于氮化鋁的壓電式脈搏傳感器

基于之前作者團(tuán)隊(duì)通過積累的柔性壓力傳感器的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，為解決醫(yī)療檢測中設(shè)備過于復(fù)雜、龐大、用戶友好度不高的問題，制作了柔性度好、便攜度高、生物兼容性好的柔性壓力傳感器。目前作者團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)用于動(dòng)態(tài)生理信號(hào)檢測可穿戴式設(shè)備。設(shè)計(jì)了基于氮化鋁AlN壓電工藝的柔性壓力傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測脈搏信息（如圖10a所示）。壓力傳感器是由四個(gè)傳感模塊組成，后端的信號(hào)處理模塊可以實(shí)時(shí)獲取四個(gè)點(diǎn)的壓力信息。通過對(duì)四個(gè)信號(hào)的同步比較并分析，可以提高共模抑制比，提高脈搏信號(hào)測量精度，可檢測出脈搏波信號(hào)的主波峰，計(jì)算相鄰兩個(gè)主波峰間的時(shí)間差；另外通過分析不同位置的脈搏信號(hào)的微弱差別，可分析出一些生理信息的變化，比如：平靜、悲傷、快樂和憤怒等。器件中核心層的薄層氮化鋁（厚度小于400nm）可沉積到柔性襯底，如PDMS，聚亞酰胺，PET薄膜等。圖10b是該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的多通道壓電信號(hào)檢測電路。電路包括具有雙極放大器的信號(hào)調(diào)理電路；電路可測試出具有0.7μVrms分辨率的信號(hào)，信號(hào)帶寬0.5～100 Hz，電路噪聲低于0.7μVrms，開環(huán)增益為1700。

5 結(jié)語

本文介紹了世界前沿的柔性壓力/觸覺傳感器，重點(diǎn)闡述了其在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用，介紹了三種常見傳感原理的柔性壓力原理，包括：壓阻式傳感器、電容式傳感器和壓電式傳感器。針對(duì)各傳感器的傳感機(jī)理，提出了相應(yīng)的優(yōu)勢與局限性。針對(duì)不同應(yīng)用，可根據(jù)各種傳感原理分析并選擇相應(yīng)的傳感器，包括材料的選擇，原理的選擇，器件結(jié)構(gòu)尺寸的選擇等。本文列出了具有生物醫(yī)療器件應(yīng)用潛力的柔性壓力傳感器、觸覺傳感器，并對(duì)其測試結(jié)果、優(yōu)勢和局限性加以分析。另外，針對(duì)本實(shí)驗(yàn)組前期的研究成果，本文中也加以闡述并與其他研究小組進(jìn)行了對(duì)比分析。今后的研究內(nèi)容包括選擇生物兼容性更好的材質(zhì)、提高器件靈敏度，并且制作柔性的信號(hào)處理電路，達(dá)到全系統(tǒng)的柔性度。作者相信本文作文綜述性文章可以使更多的人了解柔性力學(xué)傳感器，以及其在生物醫(yī)療方向的應(yīng)用價(jià)值。