謝麗萍， 向大龍， 王仁喬， 王浩然

(東北大學(xué)醫(yī)學(xué)與生物信息工程學(xué)院， 沈陽 110169)

近年來，柔性電子的發(fā)展取得了顯著的進(jìn)步，在個(gè)性化醫(yī)療保健、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測和機(jī)器人人機(jī)界面等方面具有廣闊的市場。根據(jù)業(yè)內(nèi)權(quán)威的IDTechEx統(tǒng)計(jì)，柔性電子的市場份額將從2020年的412億美元增長到2030年的740億美元[1]。隨著柔性電子市場規(guī)模的迅速擴(kuò)張，柔性電子有望成為國家重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

生理健康參數(shù)的監(jiān)測是疾病預(yù)防與診斷的關(guān)鍵。目前，臨床上生理信號的監(jiān)測仍然采用傳統(tǒng)的剛性傳感器。由于傳統(tǒng)的剛性傳感器應(yīng)變能力差，僅適合于平面測量，無法適應(yīng)人體皮膚的曲面特性，導(dǎo)致測量人體生理信號時(shí)誤差較大、長期佩戴舒適度差等情況。此外，傳統(tǒng)剛性傳感器的體積和重量大等特點(diǎn)限制了生理信號測量的方式和地點(diǎn)。柔性傳感器具有較好的柔韌性、延展性、輕薄和便攜等特點(diǎn)，可以任意彎曲甚至折疊，可以適應(yīng)復(fù)雜曲面的生理信號測量[2-4]。輕薄、便攜的柔性傳感器便于人們隨時(shí)隨地監(jiān)測健康、運(yùn)動(dòng)等信息，有利于疾病的及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)防或康復(fù)。

目前，柔性可穿戴傳感器技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步，多種柔性傳感器已廣泛應(yīng)用于脈搏波、運(yùn)動(dòng)、溫度和生化參數(shù)(如葡萄糖)的檢測[5-10]。然而，柔性傳感器的發(fā)展仍然有許多待解決的問題。柔性傳感器的導(dǎo)電功能材料可分為碳基納米材料、金屬納米材料、液態(tài)金屬、導(dǎo)電聚合物等[11]，大部分導(dǎo)電納米材料制備工藝復(fù)雜，增加了傳感器的制造成本。此外，在構(gòu)建高性能傳感器時(shí)往往涉及復(fù)雜且高成本的制造工藝，如3D電子打印、金屬等離子體沉積、硅基刻蝕等技術(shù)，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本、高性能柔性傳感器的制備[12]。開發(fā)機(jī)械順應(yīng)性好、重量輕、壽命長、可靠性高、靈敏度高、響應(yīng)速度快、低滯后性的柔性應(yīng)力傳感器以適應(yīng)不同的應(yīng)用仍然是目前亟待解決的問題。

對近年的柔性應(yīng)力傳感器的發(fā)展進(jìn)行了概述，從柔性應(yīng)力傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開，探討了如何構(gòu)建高性能柔性應(yīng)力傳感器，討論了當(dāng)前柔性傳感器存在的問題，展望了未來柔性應(yīng)力傳感器的發(fā)展趨勢。

1 柔性應(yīng)力傳感器的分類

一般來說，柔性應(yīng)力傳感器按照工作原理可以分成：柔性電阻式傳感器、柔性電容式傳感器、柔性壓電式傳感器、柔性場效應(yīng)晶體管(field effect transistor，F(xiàn)ET)式傳感器。

1.1 柔性電阻式傳感器

ΔR為電阻變化；R0為初始電阻；S為靈敏度

柔性電阻式傳感器，是將待測量轉(zhuǎn)為電阻信號的柔性傳感器。通常改變導(dǎo)電層的微結(jié)構(gòu)可以提升傳感器的靈敏度。通過設(shè)計(jì)導(dǎo)電層的微結(jié)構(gòu)，使得待測壓力變化引起傳感器電阻的變化，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度電阻傳感器的設(shè)計(jì)[13]。Zhang等[14]采用基于聚苯乙烯(polystyrene, PS)微球的模板法制備了具有微球陣列的雙層電阻傳感器。如圖1所示，當(dāng)外界壓力引起該傳感器發(fā)生形變時(shí)，具有微球結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電體的接觸面積發(fā)生了變化，將壓力轉(zhuǎn)化為傳感器電阻的變化。通過改變PS微球的尺寸可以調(diào)整傳感器的靈敏度。該傳感器可以檢測到頸部的脈搏波。Pu等[15]通過模仿人類皮膚的表皮和真皮層結(jié)構(gòu)開發(fā)了一個(gè)具有壓力感應(yīng)和電磁屏蔽能力的電子皮膚。他們使用砂紙作為模板形成具有粗糙表面的聚二甲基硅氧烷 (polydimethylsiloxanes, PDMS)薄膜，之后在粗糙的PDMS薄膜表面旋涂銀納米線，通過退火獲得具有微納米結(jié)構(gòu)的銀納米線導(dǎo)電傳感層。同時(shí)，他們將利用轉(zhuǎn)移法制備的具有平滑表面的銀納米線導(dǎo)電層的PDMS膜作為保護(hù)層。多功能壓阻傳感器由銀納米線傳感層與銀納米線保護(hù)層相對封裝構(gòu)成。該傳感器實(shí)現(xiàn)了對壓力的準(zhǔn)確檢測，值得注意的是，該傳感器還可以起到電磁屏蔽的作用。設(shè)計(jì)電阻式傳感單元導(dǎo)電層的微結(jié)構(gòu)可以提高傳感器的靈敏度，但同樣存在一些弊端，壓力會(huì)引起傳感單元微結(jié)構(gòu)的直接接觸，多次的接觸摩擦容易造成器件的不穩(wěn)定和傳感性能的降低，從而降低傳感器的使用壽命。Nie等[16]制備了具有微米網(wǎng)格的PDMS基底，將碳納米管填充在微米網(wǎng)格中制備柔性電阻應(yīng)變傳感器。此應(yīng)變傳感器的光學(xué)透明度高達(dá)87%，靈敏度系數(shù)(gauge factor，GF)高達(dá)1 140，但是可測量的應(yīng)變范圍僅為8.75%。目前大部分柔性電阻傳感器缺乏足夠的可拉伸能力，表現(xiàn)出較大的遲滯效應(yīng)。在測量過程中，磁滯效應(yīng)會(huì)造成很大的誤差，導(dǎo)致不準(zhǔn)確的應(yīng)力測量。Chen等[17]通過將液態(tài)金屬共晶鎵銦(EGaIn)嵌入到波浪形微通道彈性體基質(zhì)中形成柔性應(yīng)力傳感器。該微流體傳感器可承受高達(dá)320%的應(yīng)變，且其磁滯性能也從6.79%提高到1.02%。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)調(diào)整可以提高彈性范圍，同時(shí)增加了制備復(fù)雜度。另一個(gè)提高傳感器檢測范圍的策略是合成新的導(dǎo)電材料并調(diào)整其微結(jié)構(gòu)以提高傳感器的檢測性能。Yang等[18]采用獨(dú)特的Ti3C2Tx構(gòu)建了MXene納米顆粒-納米片混合導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，在整個(gè)寬范圍(53%)內(nèi)的靈敏度可達(dá)到GF>178.4。他們巧妙的設(shè)計(jì)了納米粒子和納米片的結(jié)構(gòu)，形成協(xié)同導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使得在較大的應(yīng)變區(qū)域中保持導(dǎo)電路徑的連通性。Wang等[19]報(bào)道了垂直排列的金納米線薄膜與彈性體結(jié)合構(gòu)建雙層壓力傳感器，該彈性片體可拉伸至約800%的形變，同時(shí)可保持穩(wěn)定的導(dǎo)電性。1D導(dǎo)電材料如銀納米線(AgNW)、金納米線(AuNW)、碳納米管(CNT)或是2D納米材料如石墨烯等電活性材料嵌入彈性聚合物中構(gòu)建壓阻傳感器，但是高的接觸電阻以及相對高遲滯效應(yīng)限制了壓阻式傳感器的應(yīng)用。

1.2 柔性電容式傳感器

電容式傳感器通常由介電層和兩個(gè)平行電極板形成的三維多層結(jié)構(gòu)組成。當(dāng)傳感器受到壓力后，電容式傳感器的參數(shù)發(fā)生變化，如電極板之間距離、介電層、或電極板相對面積發(fā)生變化，從而引起傳感器的電容發(fā)生變化。電容型傳感器的靈敏度主要由兩個(gè)關(guān)鍵因素決定:①可壓縮的圖案化和微結(jié)構(gòu)化的介電層；②電極板所用的導(dǎo)電材料。目前改變傳感器介電層的微結(jié)構(gòu)是提升傳感器靈敏度主要策略。許多復(fù)雜的介電層模型，如微尺度金字塔、微孔結(jié)構(gòu)、微圓頂、微柱陣列、粗糙表面結(jié)構(gòu)等，可提升電容型柔性傳感器靈敏度[20]。He等[21]利用低成本的彈性尼龍網(wǎng)作為介電層制造了一種電容式壓力傳感器(圖2)，通過尼龍網(wǎng)/石墨烯薄層/PDMS形成介質(zhì)層/導(dǎo)電層/基底的柔性三明治結(jié)構(gòu)的單電極板。改變尼龍網(wǎng)的網(wǎng)格數(shù)來改變介質(zhì)層厚度,從而調(diào)整電容傳感器的靈敏度。該傳感器可以實(shí)現(xiàn)對微小壓力的高靈敏度檢測，并且制備工藝簡單、快速、成本低。Kang等[22]開發(fā)了一種基于仿生多孔結(jié)構(gòu)的電容壓力傳感器。利用聚苯乙烯(PS)作為模板，制備了具有規(guī)則均勻多孔結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜，并將其作為介電層，由多孔PDMS層/氧化銦錫(ITO)(電極)/聚鄰苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜構(gòu)成了一種高靈敏度的多孔結(jié)構(gòu)電容傳感器。多孔結(jié)構(gòu)的孔徑影響傳感器的靈敏度和介電層可壓縮厚度。電容式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但電容式的傳感器件的信號輸出往往需要復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)換電路。

圖2 基于低成本尼龍網(wǎng)的夾心式壓力傳感器的制作步驟[21]

1.3 柔性壓電式傳感器

壓電傳感器是一種利用材料的壓電效應(yīng)將待測物理量轉(zhuǎn)換為電荷的器件。壓電材料可直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在受外力而變形時(shí)，壓電材料表面會(huì)產(chǎn)生與外力大小成正比的電荷量，電介質(zhì)內(nèi)部的電極化變化會(huì)導(dǎo)致壓電材料上下表面的電勢發(fā)生改變，壓電材料表面接觸的兩電極上的電荷重新調(diào)整來平衡壓電材料的表面電勢，因此在電路中會(huì)有電荷的流動(dòng)。常用的壓電材料包含無機(jī)壓電材料[如鋯鈦酸鉛(PZT)、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、石英等]、有機(jī)壓電材料(有機(jī)聚合物)、復(fù)合壓電材料等。在無機(jī)壓電晶體中，材料的內(nèi)部極化隨所施加的應(yīng)力而變化，從而導(dǎo)致在材料邊界上產(chǎn)生電場。無機(jī)壓電陶瓷材料存在一些缺點(diǎn)，如需要高溫使材料極性重新定向、制作成本較高、柔韌性差。在有機(jī)壓電聚合物中，壓電效應(yīng)是由聚合物的分子結(jié)構(gòu)及其取向引起的[23]。壓電聚合物材料具有出色的機(jī)械柔韌性、良好的可成型性、生物相容性和環(huán)境友好性。因此，壓電聚合物材料廣泛應(yīng)用在壓電傳感器中。聚合物納米材料，尤其是聚偏二氟乙烯(PVDF)、PVDF共聚物及PVDF納米復(fù)合材料，是目前最有前途的壓電材料[24]，可以滿足柔性可穿戴電子設(shè)備中動(dòng)態(tài)傳感的要求。PVDF納米纖維提供了良好的柔性以及壓電特性。Park等[25]將電紡納米纖維[共聚的聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)]夾在兩個(gè)具有濺射電極的彈性體片之間，作為壓電的活性層，如圖3所示。此壓電傳感器具有檢測微小刺激(包括小至1 μm變形)的感應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)了對橈動(dòng)脈脈搏波的檢測。當(dāng)PVDF纖維的排列取向更加有序時(shí)，可以提高材料的壓電性能。通過靜電紡絲制備的PVDF納米復(fù)合材料(如PVDF/Ag[26]、PVDF /碳納米管[27]、PVDF-TrFE[28])顯著提高了壓電性能。此外，有機(jī)-無機(jī)復(fù)合材料可用來提高應(yīng)變傳感器的機(jī)電性能，可以克服無機(jī)材料的脆性以及與有機(jī)材料復(fù)合時(shí)的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，同時(shí)可提高器件的柔性和導(dǎo)電性能。Chen等[29]制備了一種基于聚偏氟乙烯(PVDF-TrFE)纖維和ZnO納米線的靈活壓電傳感器(PVDF@ZnO)。該器件可承受拉伸比高達(dá)30%的極限拉伸，具有高靈敏度(應(yīng)變系數(shù)為4.59)、彎曲150°變化的優(yōu)異性能。

圖3 壓電傳感器的結(jié)構(gòu)及生理信號測量[25]

壓電式傳感器具有穩(wěn)定性好、生物相容性、功耗低、響應(yīng)速度快、簡單的裝置結(jié)構(gòu)、以及低成本的制造工藝，無需外部電路元件直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，但是壓電材料的有限的可拉伸性能限制了它的應(yīng)用范圍。

1.4 柔性FET傳感器

基于場效應(yīng)晶體管(FET)的壓力傳感器具有出色的信號放大、高陣列均勻性、出色的應(yīng)力監(jiān)控、高空間對比度以及與傳感器的便捷集成等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了廣泛關(guān)注。場效應(yīng)晶體管是一種電壓控制型半導(dǎo)體器件，在傳感器領(lǐng)域常見的有金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOS-FET)和有機(jī)場效應(yīng)晶體管(OFET)。有機(jī)半導(dǎo)體具有分子設(shè)計(jì)的多樣性、成本低、重量輕、柔韌性好、工作電壓低以及可通過噴墨印刷進(jìn)行低溫大規(guī)模生產(chǎn)等多種優(yōu)越特性。由于其獨(dú)特的三端子結(jié)構(gòu)，優(yōu)化FET的任何單個(gè)組件(例如，柵電極，源電極和漏電極，介電層或半導(dǎo)體有源層)可以顯著改善FET器件的傳感性能。Liu等[30]提出了一個(gè)壓電效應(yīng)的新概念，通過用由壓電材料的機(jī)械響應(yīng)產(chǎn)生的壓電勢能代替FET的柵極電壓，壓電傳感器完美地結(jié)合了壓電效應(yīng)和FET器件。Wang等[31]開發(fā)了柔性的壓電傳感器，可以通過PVDF納米線陣列將外部機(jī)械力轉(zhuǎn)化為電壓來驅(qū)動(dòng)有機(jī)場效應(yīng)晶體管(OFET)器件，而OFET又可以放大壓電電壓，從而顯著提高了材料的壓電性能。通常，由于FET型柔性壓力/應(yīng)變傳感器具有通過控制柵極電壓來調(diào)節(jié)半導(dǎo)體溝道材料電導(dǎo)的能力，因此比電阻和電容型傳感器更敏感。Dai等[32]將水凝膠“印章”作為生物識別模塊和石墨烯FET作為傳感器模塊組成模塊化FET生物傳感器。該傳感器能夠分別使用青霉素酶和脲酶編碼的PEG水凝膠作為生物識別模塊對青霉素和尿素進(jìn)行實(shí)時(shí)，無標(biāo)簽檢測。FET器件被廣泛的應(yīng)用在生物傳感領(lǐng)域。目前場效應(yīng)晶體管(FET)生物傳感器[33]在葡萄糖、膽固醇、尿酸、尿素、激素、蛋白質(zhì)、核苷酸、生物標(biāo)記物等不同生物分子檢測方面均取得了一定進(jìn)展。除此之外，有關(guān)論文還報(bào)道了它在檢測微弱神經(jīng)動(dòng)作電位的應(yīng)用[34]。但是高工作柵極電壓限制了它們在可穿戴電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用。而且，有機(jī)半導(dǎo)體的毒理學(xué)性質(zhì)限制了它們在侵入性醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用。

2 柔性應(yīng)力傳感器的典型結(jié)構(gòu)

柔性傳感器的科學(xué)研究表明，寬泛的檢測范圍、高靈敏度、快速響應(yīng)、良好的耐用性、柔性和出色的穩(wěn)定性是高性能柔性傳感器的必要條件。當(dāng)柔性傳感器受到外力作用發(fā)生形變時(shí)，迫使其導(dǎo)電網(wǎng)格結(jié)構(gòu)同時(shí)發(fā)生形變，從而產(chǎn)生電信號的輸出。除使用具有優(yōu)良固有電機(jī)械性能的先進(jìn)傳感材料外，獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)也是制備高性能柔性可穿戴傳感器的有效策略[35-36]。導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)可以增強(qiáng)傳感器的延展性和穩(wěn)定性，有效地提升柔性傳感器的靈敏度、響應(yīng)速度以及檢測范圍[37]。

表1[38-43]總結(jié)了幾種不同導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳感器。常用的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括蛇形結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)、微裂紋結(jié)構(gòu)、皺紋結(jié)構(gòu)。多種導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用來提升柔性傳感器的性能[44]。不同的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的傳感器性能[45-46]。微裂紋結(jié)構(gòu)的理念來自于蜘蛛的狹縫器官[39]。Yang等[47]制作了一種用于超靈敏應(yīng)變監(jiān)測的帶溝道裂紋金薄膜柔性傳感器。該傳感器的靈敏度高、循環(huán)性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。在金屬和聚合物之間引入弱的界面相互作用來同時(shí)實(shí)現(xiàn)直通斷裂幾何形狀和可逆電響應(yīng)。該傳感器對2%應(yīng)變GF可以達(dá)到2 000，可以檢測約10 nm的振幅。但由于該傳感器的微觀結(jié)構(gòu)在發(fā)生較大形變時(shí)易損壞，導(dǎo)致有限的檢測范圍以及表面的導(dǎo)電層容易脫落等問題。Liu等[48]利用新型納米堆互鎖策略制造了一種高黏附性可拉伸電極。納米纖維可顯著增強(qiáng)黏附力并重新分配薄膜中的應(yīng)變，從而實(shí)現(xiàn)高拉伸性。納米堆電極可以同時(shí)監(jiān)測肌電信號和機(jī)械變形。皺紋結(jié)構(gòu)使用預(yù)拉伸的柔性基底獲得了相對寬泛的檢測范圍，但檢測靈敏度沒有微裂紋結(jié)構(gòu)高。其他微結(jié)構(gòu)，如三維多孔結(jié)構(gòu)、隔離結(jié)構(gòu)在一定程度上增強(qiáng)了導(dǎo)電層的可延展性，拓展了檢測范圍，但是，透明性和導(dǎo)電性受到限制。這些導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得傳感器表現(xiàn)出電阻與外力的相關(guān)性，這主要是由于施加外力后，敏感單元幾何形狀的變化所致。剪紙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了良好的抗大形變能力[41]。文獻(xiàn)[48]提出了一種新穎的制造方法，利用剪紙藝術(shù)獲取各種形狀的高度可拉伸電子器件，這些電子元件具有高導(dǎo)電性和高的光學(xué)透明性(80%)，可適配人體的不同測量曲面。剪紙結(jié)構(gòu)賦予了該電極可調(diào)的彈性，在0～400%拉伸應(yīng)變范圍可調(diào)，且具有不變的電性能。高導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對于獲取高延展性、高靈敏度的傳感器至關(guān)重要。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)合適的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。

表1 具有不同導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的傳感器及其性能[38-43]

3 挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

3.1 自供電傳感器

柔性傳感器正常工作必須有與之適應(yīng)的能源器件。傳統(tǒng)的供電模塊通常體積龐大、剛性強(qiáng)，與新興的多功能電子皮膚系統(tǒng)不兼容。靈活的自供電系統(tǒng)是一種很有前途的替代策略，通過從環(huán)境或人體運(yùn)動(dòng)獲取無處不在的能量，使得自驅(qū)動(dòng)傳感器系統(tǒng)成為可能[49-51]。隨著可伸縮能量收集活性材料(碳納米管、AgNWs和石墨烯等)的不斷發(fā)展，以及各種可伸縮策略(蛇形或自相似)的出現(xiàn)，基于壓電效應(yīng)、摩擦發(fā)電、熱電效應(yīng)的介電彈性體的能量收集裝置在可穿戴和可伸縮電子領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定進(jìn)展[52]。

摩擦電子納米發(fā)電機(jī)(TENG)已被證明是一種用于收集環(huán)境機(jī)械能的經(jīng)濟(jì)高效且可靠的方法。TENG的工作原理是基于兩種具有相反摩擦電極性的材料的周期性接觸和分離。在接觸和分離運(yùn)動(dòng)期間，會(huì)產(chǎn)生電勢差，這將有助于電子在導(dǎo)電電極之間流動(dòng)，并產(chǎn)生電輸出。盡管TENG的操作原理很簡單，但是TENG的開發(fā)仍然存在一些挑戰(zhàn)。常規(guī)的TENG通常以接觸或滑動(dòng)模式工作，這主要依賴于單向觸發(fā)器。這將限制TENG在僅從特定方向收集能量時(shí)的應(yīng)用。Yang等[53]提出了一種由紙質(zhì)基材、聚四氟乙烯(PTFE)薄膜和鋁箔構(gòu)成的摩擦電子納米發(fā)電機(jī)(TENG)裝置。該裝置充分利用折紙3D結(jié)構(gòu)可以收集各種人體動(dòng)作產(chǎn)生的機(jī)械能，例如拉伸，抬起和扭曲。Ma等[54]報(bào)告了一種由PDMS層和碳纖維電極構(gòu)成的摩擦電壓力傳感器(圖4)。該裝置可安裝在手指或甲蟲上，無需外部電源即可實(shí)現(xiàn)自供電壓力感測，其靈敏度為0.055 nA/kPa，傳感器的應(yīng)變檢測極限為0.8 kPa。目前報(bào)道的能量收集裝置的裝配和集成尚存在一定問題，整個(gè)系統(tǒng)的一致性、可伸縮性、靈活性、長期穩(wěn)定性、舒適性和能量轉(zhuǎn)化效率等方面仍亟待提高。

圖4 摩擦電壓力傳感器工作原理[54]

3.2 生物兼容性

可穿戴傳感器與人體的良好的生物相容性是避免引起不良反應(yīng)的關(guān)鍵[55]。設(shè)計(jì)植入式柔性設(shè)備時(shí)必須考慮安全性和長期穩(wěn)定性的問題。文獻(xiàn)[56]設(shè)計(jì)并制造了一種完全由可生物降解材料制成的植入式壓力和應(yīng)變傳感器，該傳感器在大鼠模型中顯示出出色的生物相容性和壓力和應(yīng)變檢測功能，可實(shí)時(shí)監(jiān)測肌腱愈合情況。

柔性可穿戴設(shè)備的生物兼容性不僅需要考慮傳感元件，還要考慮到設(shè)備的其他模塊。具有生物相容性的高性能柔性納米發(fā)電機(jī)是柔性可穿戴設(shè)備重要的組成部分，可以為可穿戴設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)提供所需的能量。Zhu等[57]提出了一種具有柔性和生物相容性的摩擦電納米發(fā)電機(jī)，其制作工藝簡單，內(nèi)阻可調(diào)。這種納米發(fā)電機(jī)具有良好的靈活性和生物相容性，適用于可穿戴設(shè)備的應(yīng)用。Li等[58]制造了一種基于聚丙烯鐵電體的納米發(fā)電機(jī)(FENG)，該裝置具有輕質(zhì)、柔韌、可折疊和生物相容性特點(diǎn)，可以作為柔性可穿戴設(shè)備的電源。FENG具有輕便、靈活、可折疊、生物相容性、可伸縮、低成本和柔韌性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使FENG在各種自主電子設(shè)備的機(jī)械能收集領(lǐng)域成為一種有前途的替代方法。由于FENG的阻抗很高，因此器件的低短路電流限制了它們的應(yīng)用。

雖然目前科學(xué)家已經(jīng)研究出多種具有生物相容性、可降解性的傳感器[59-60]，但仍然面臨著諸多問題，例如仍有一些沒有良好的感測性能，或者使用未經(jīng)證實(shí)生物相容性的材料。生物降解性、生物相容性以及以出色的靈敏度區(qū)分應(yīng)變和壓力刺激的能力仍然是未來研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

3.3 器件集成與多功能化

人體是一個(gè)復(fù)雜的生命體，僅依靠某一兩項(xiàng)生理指標(biāo)參數(shù)很難確定病理，需要系統(tǒng)全面地采集人體的多項(xiàng)相關(guān)生理指標(biāo)，如血壓、血糖、血氧、脈搏、體溫、心電等數(shù)據(jù)信息，才能夠準(zhǔn)確診斷。多參數(shù)、多功能傳感技術(shù)的發(fā)展，為智能穿戴醫(yī)療設(shè)備創(chuàng)造了良好的條件。同時(shí)檢測多個(gè)物理信號的傳感器陣列或者集成平臺(tái)，對于個(gè)體化醫(yī)療具有重要意義。文獻(xiàn)[61]開發(fā)設(shè)計(jì)了一種無線、無電池的生命體征監(jiān)測系統(tǒng)用于新生兒的生命體征監(jiān)測(圖5)。該系統(tǒng)由超薄、低模量的測量模塊構(gòu)成，包含心電圖(ECG)、光電容積描記圖(PPG)、皮膚溫度以及無線免電池模塊，可準(zhǔn)確、無損傷地測量新生兒的生命體征，如心率，血氧，溫度，呼吸頻率和脈搏波。但該系統(tǒng)仍然存在無線通信距離短、模塊間連接脆性等問題。文獻(xiàn)[62]進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化了系統(tǒng)，不僅可以測量心率、呼吸率、溫度和血氧等生理參數(shù)，還可以監(jiān)測心率變異性，這可用于在疾病跡象變得明顯之前預(yù)測嬰兒的臨床狀況變化。Wang等[63]制備出靈活的溫度-壓力電子皮膚傳感器，使用柔性和透明的蠶絲納米纖維衍生的碳纖維膜作為電活性材料，通過層壓策略將基于絲綢的溫度和壓力傳感器集成在一起，溫度傳感器具有0.81%的高溫靈敏度。應(yīng)變傳感器顯示出極高的靈敏度，在50%應(yīng)變下的應(yīng)變系數(shù)為8 350。該溫度和壓力傳感器之間相互不干擾。Gui等[64]開發(fā)了一個(gè)類似于三明治的傳感系統(tǒng)能夠同步監(jiān)測溫度、光線和壓力信號，而沒有相互的信號干擾。該系統(tǒng)采用類皮膚表皮、真皮和皮下結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多信號感測特性，包括環(huán)境溫度，體溫，壓力和近紅外光。Yamamoto等[65]將皮膚溫度傳感器、心電傳感器、環(huán)境紫外(UV)光傳感器與打印的三軸加速度傳感器集成在一起，展示了一種多功能的穿戴式健康監(jiān)護(hù)儀。當(dāng)然未來也存在著挑戰(zhàn)，功能電路結(jié)構(gòu)的可靠性和整體性能上還有待于提升[66]。一個(gè)完整的可穿戴傳感系統(tǒng)包含傳感單元、供電單元、信號傳輸?shù)?。如何將這些出色的功能電路集成到單個(gè)柔性系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)靈活、高靈敏度、多參數(shù)、高穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)和持久的檢測，仍然有很多問題需要解決。

圖5 用于新生兒多體征監(jiān)測的柔性傳感器[61]

4 結(jié)論

總結(jié)了柔性可穿戴應(yīng)力傳感器近年來的研究進(jìn)展，按照工作原理分類，對電阻式、電容式、壓電式、FET式柔性傳感器進(jìn)展進(jìn)行了分析和探討，討論了構(gòu)建相應(yīng)類型傳感器的策略。此外，對如何從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提升傳感器的性能做了細(xì)致的分析。構(gòu)建高集成、高性能、多功能的柔性傳感器仍是未來的發(fā)展方向。雖然目前該領(lǐng)域仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)，但柔性可穿戴應(yīng)力傳感器在生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器人和娛樂技術(shù)等領(lǐng)域方面展示了卓越的發(fā)展?jié)撃芤约皯?yīng)用前景。