柔性可穿戴電子傳感器研究進(jìn)展

黃宏巍

【摘要】柔性可穿戴電子傳感器要求具有高的延展性、柔性和靈敏性等，還需低成本，才能在醫(yī)療健康、信息國防等領(lǐng)域有廣泛市場應(yīng)用。柔性可穿戴電子傳感器可用于監(jiān)測睡眠質(zhì)量、人體溫度、心率脈搏等身體狀況，這樣能對人體進(jìn)行臨床診斷、健康評估和監(jiān)控等，有利于人體健康，還能及時發(fā)現(xiàn)和處理問題。

【關(guān)鍵詞】柔性;可穿戴;電子傳感器

隨著智能終端的普及，作為核心部件之一的可穿戴電子設(shè)備顯示出巨大的市場前景，將影響可穿戴設(shè)備功能設(shè)計和未來發(fā)展。柔性可穿戴電子傳感器因其輕薄便攜、優(yōu)異的電學(xué)性能、高集成度等特點，已成為最受關(guān)注的電學(xué)傳感器之一。

一、傳感器概述

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式信息輸出，以滿足信息傳輸、處理、存儲、顯示、記錄、控制等要求。

二、柔性可穿戴電子的常用材料

因可穿戴式柔性電子傳感器主要運用材料相比其他普通半導(dǎo)體而言，需具有柔韌性及可拉伸性，同時在力作用下不會產(chǎn)生物理損壞等特點，還需具有可自愈功能及較長使用壽命，所以選擇何種材料便成為重點。

1、柔性基底。在柔性可穿戴電子傳感器中先要滿足柔性電子器件要求，主要是輕薄、拉伸性、絕緣性、耐腐蝕性等方面具有較高性能。通常，聚二甲基硅氧烷（PDMS）是人們首選材料，因其具備穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、良好透明性及較好耐熱性等，同時在紫外光下粘附區(qū)及非粘附區(qū)分明的特性使其表面容易粘附電子材料，制備過程簡單易操作也是其主要優(yōu)勢之一。此外，聚對苯二甲酸乙二酯（PET）、聚酰亞胺（PI）、聚乙烯（PE）和聚氨酯（PU）等也可被用來作為柔性可穿戴式電子的常用基底材料。

2、金屬材料。金屬材料一般選用金銀銅等導(dǎo)體材料，用于制作電極及導(dǎo)線。而導(dǎo)電材料多選用可導(dǎo)電納米材料。金屬的納米導(dǎo)電材料具有較好導(dǎo)電性及延展性。目前，在電子傳感器中選用的導(dǎo)電材料主要為導(dǎo)電納米油墨，包括納米顆粒及納米線等。

3、無機(jī)半導(dǎo)體材料。無機(jī)半導(dǎo)體材料ZnO及ZnS因其出色的壓電特性，在可穿戴柔性電子傳感器領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用，這種材料制作的傳感器能用于辨別筆跡及掃描壓力分布。無機(jī)半導(dǎo)體材料也是未來快速響應(yīng)和高分辨壓力傳感器材料中最有潛力的候選者之一。

4、有機(jī)材料。有機(jī)材料中的代表主要是柔性壓敏晶體管，因晶體管具有完美的信號轉(zhuǎn)換和放大性能，使晶體管使用為減少信號串?dāng)_提供了可能。因此，目前在可穿戴傳感器及人工智能領(lǐng)域的研究大多圍繞如何獲得大規(guī)模柔性壓敏晶體管展開。

5、碳材料。柔性可穿戴電子傳感器應(yīng)用的碳材料主要具有結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比便面積達(dá)等優(yōu)秀特性的碳納米管，以及具有輕薄透明、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好的石墨烯等。

三、可穿戴傳感器的應(yīng)用

1、溫度檢測。人體皮膚對溫度的感知幫助人們維持體內(nèi)外熱量平衡。電子皮膚由多功能二極管、無線功率線圈和射頻發(fā)生器等部件組成，這樣的表皮電子對溫度和熱導(dǎo)率變化敏感，能評價人體生理特征變化，如皮膚含水量、組織熱導(dǎo)率、血流量狀態(tài)、傷口修復(fù)過程。

為提高空間分辨率、信噪比、響應(yīng)速度，有源矩陣設(shè)計成為了最優(yōu)選擇之一。有研究人員制備了包含單壁碳納米管薄膜晶體管，能拉伸的聚苯胺納米纖維溫度傳感器有源矩陣，展示了1.0%·℃-1的高電阻靈敏性，在15～45℃范圍內(nèi)得到1.8s響應(yīng)時間，在雙向拉伸30%下依然保持穩(wěn)定。

2、脈搏檢測?？纱┐鱾€人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)被廣泛認(rèn)為是下一代健康監(jiān)護(hù)技術(shù)的核心解決方案。監(jiān)護(hù)設(shè)備不斷感知、獲取、分析、存儲大量人體日?；顒又械纳頂?shù)據(jù)，為人體健康狀況提供必要、準(zhǔn)確、長期的評估及反饋。

在脈搏監(jiān)測領(lǐng)域，可穿戴傳感器具有以下應(yīng)用優(yōu)勢：①在不影響人體運動狀態(tài)下長期采集人體日常心電數(shù)據(jù)，實時傳輸至監(jiān)護(hù)終端進(jìn)行分析處理;②數(shù)據(jù)通過無線電波傳輸，免除了復(fù)雜連線。

能粘附在皮膚表面的電學(xué)矩陣在非植入健康監(jiān)測方面具有明顯優(yōu)勢，而且超輕超薄，利于攜帶。然而，人體具有很多非平整的表面及精細(xì)結(jié)構(gòu)，使完全貼附困難，這是實時監(jiān)測的挑戰(zhàn)。而當(dāng)前發(fā)展了一種基于微毛結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器，這種傳感器對信號放大作用強(qiáng)。通過傳感器與不規(guī)則表皮的有效接觸最大化，觀察到大約12倍信噪比增強(qiáng)。另外，這種PDMS微毛結(jié)構(gòu)表面層提供了生物兼容性的非植入皮膚共形附著。并且這種便攜式傳感器能無線傳輸信號，即使微弱的深層頸內(nèi)靜脈搏動也能獲取到。

3、表情識別。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在人們的交流中通過語言傳遞的信息只占約7%，大部分信息靠表情傳遞。隨著人機(jī)交互與情感計算技術(shù)的快速發(fā)展，人臉表情識別已成為人們研究的熱點。目前，基于圖像采集的表情識別技術(shù)存在五官捕捉緩慢、識別準(zhǔn)確率低等缺點，無法滿足人們對實時快速準(zhǔn)確感知的要求。

隨著傳感器向微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化方向發(fā)展，同時測量多個參數(shù)的高集成傳感器需制造工藝及分析技術(shù)的創(chuàng)新。

展示了通過壓阻柔性可穿戴電子傳感器多通道分析進(jìn)行表情識別的概念，利用圖案化硅柱陣列模板，與含有納米顆粒的組裝液及柔性薄膜構(gòu)筑的三明治夾層，隨著溶劑的揮發(fā)，氣-液-固三相接觸線的有序收縮，形成了周期與振幅可控的曲線形液橋陣列，此不斷縮小的液橋空間為納米顆粒的沉積提供了規(guī)則有序的組裝空間，待溶劑揮發(fā)干，便在柔性薄膜上形成規(guī)則的微納米級曲線陣列，真空蒸鍍上金電極，得到對微小形變有穩(wěn)定電阻變化的傳感器芯片。不同周期和振幅比曲線陣列傳感器對應(yīng)變的電阻響應(yīng)曲線有明顯差異。一組傳感器貼附于被監(jiān)測者體表皮膚，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，實時監(jiān)測人在不同環(huán)境及心理條件下，體表微形變的相關(guān)生理反應(yīng)，用于識別微笑、大笑、驚訝、悲傷、恐懼、沮喪、生氣、放松八種面部表情。

四、展望

柔性可穿戴式電子傳感器如今已應(yīng)用于臨床診斷、運動健康監(jiān)測方面，在不遠(yuǎn)的將來，柔性可穿戴式電子傳感器會被應(yīng)用與其他方面，如軍事、航天航空等，而且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，可穿戴式電子傳感器會越來越民用化，會有越來越多的人能使用可穿戴式電子傳感器，由此可見，可穿戴式電子傳感器將展現(xiàn)出巨大的市場前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉宇航.柔性可穿戴電子傳感器淺談[J].數(shù)碼世界，2018（11）.

[2]錢鑫.柔性可穿戴電子傳感器研究進(jìn)展[J].化學(xué)學(xué)報，2016（07）.