趙婷婷，李痛快，原理，張建華

上海大學(xué) 新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072

柔性可穿戴傳感器的發(fā)展受人體皮膚的啟發(fā)，主要用于人體生理特征參數(shù)(如心率、呼吸、肌電等)和周圍環(huán)境中相關(guān)特征指標(biāo)(壓力/應(yīng)變、溫度、濕度等)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在個(gè)人健康監(jiān)護(hù)、人機(jī)交互體系以及人造電子皮膚等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是當(dāng)下最前沿的研究領(lǐng)域之一[1-3]。世界各國(guó)紛紛制訂了針對(duì)柔性電子器件的研究計(jì)劃，將柔性傳感技術(shù)作為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一，如美國(guó)的FDCASU計(jì)劃、歐盟的SHIFT和PolyApply計(jì)劃，以及日本的TRADIM計(jì)劃。健康界研究院發(fā)布的《2021中國(guó)智能可穿戴設(shè)備產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告》預(yù)計(jì)，到2025年中國(guó)智能可穿戴設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將高達(dá)1 573.1億元，前景可觀[4]。

傳感器本質(zhì)上就是將待檢測(cè)的外界刺激轉(zhuǎn)換為可收集、可處理信號(hào)的一種器件。相比于傳統(tǒng)的硅基傳感器，柔性傳感器通常制備在如聚酰亞胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、熱塑性聚氨酯(TPU)、紙張、聚乙烯醇(PVA)和紡織材料等柔性基材上[5-9]，這賦予了傳感器柔軟、可延展、可彎折、可穿戴等特性。由于結(jié)構(gòu)形式靈活，柔性傳感器易順應(yīng)多種使用環(huán)境實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。柔性傳感器種類繁多，按照用途可分為壓力/應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光學(xué)傳感器等，按照工作機(jī)理可分為電阻式傳感器、電容式傳感器、壓電式或電感式傳感器等。

在這篇綜述中，我們首先通過(guò)舉例簡(jiǎn)要介紹柔性壓力/應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器及光學(xué)傳感器的研究進(jìn)展，并對(duì)柔性傳感器涉及的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，如靈敏度、線性范圍、響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間等進(jìn)行概述；接著，對(duì)柔性傳感器大面積陣列制造所面臨的挑戰(zhàn)及新方法進(jìn)行闡述和分析；最后對(duì)柔性可穿戴傳感器的發(fā)展方向進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 柔性傳感器的類型

1.1 壓力/應(yīng)變傳感器

柔性壓力/應(yīng)變傳感器是一種能夠?qū)⑼獠繅毫驊?yīng)變刺激信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的電子器件，可用于人體生理信號(hào)(心率、呼吸節(jié)律等)、肌肉關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等監(jiān)測(cè)。壓力/應(yīng)變信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)變一般是通過(guò)壓阻、壓容和壓電機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中，壓阻，顧名思義就是將壓力/應(yīng)變信號(hào)直接轉(zhuǎn)變成電阻信號(hào)測(cè)試出來(lái)。壓阻式器件結(jié)構(gòu)和信號(hào)讀取系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，因而基于壓阻機(jī)理的柔性壓力/應(yīng)變傳感器應(yīng)用最為廣泛。

近年來(lái)，科學(xué)家們基于新型功能納米材料和微納結(jié)構(gòu)，已經(jīng)研制出多種高靈敏度、快響應(yīng)的壓力/應(yīng)變傳感器[10-11]。2019年，張建華團(tuán)隊(duì)[12]利用新型二維材料MXenes(Ti3C2)的優(yōu)良導(dǎo)電性和天然織物表面波浪形的微結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制備出一種柔性織物壓阻式壓力傳感器，如圖1(a)所示。壓力敏感層與電極間接觸電阻值會(huì)隨外部壓力作用發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)壓力的實(shí)時(shí)檢測(cè)(圖1(b))。該柔性傳感器在0～29 kPa壓力范圍內(nèi)具有3.844 kPa-1的靈敏度，在29 kPa～40 kPa壓力范圍內(nèi)靈敏度為12.095 kPa-1，并具有快速響應(yīng)性(響應(yīng)時(shí)間約26 ms)，可滿足人機(jī)交互界面、脈搏監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別等柔性場(chǎng)合應(yīng)用需求(圖1(c～d))。Yuan等人[13]提出了一種基于MXenes/尼龍織物的可穿戴應(yīng)變傳感器(圖1(e))。該傳感器利用尼龍織物良好的透氣性和拉伸性能，其應(yīng)變系數(shù)(gauge factor, GF)在20%的軸向和徑向應(yīng)變范圍內(nèi)分別可達(dá)24.35和5.98，不僅可以監(jiān)測(cè)人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，還能緊貼在人的手臂上感知關(guān)節(jié)和肌肉的運(yùn)動(dòng)信號(hào)(圖1(f))。Bai等人[14]提出了一種基于梯度自填充結(jié)構(gòu)(graded intrafillable architecture,GIA)的電容式壓力傳感器，其壓力敏感層由互補(bǔ)的凸起和凹槽微結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在較小壓力作用下，凸起微結(jié)構(gòu)首先向下彎曲發(fā)生形變，引起器件電容值的變化；隨著外加壓力的增大，凸起微結(jié)構(gòu)逐步填充凹槽，壓力敏感層的厚度進(jìn)一步被壓縮，從而引起更大的電容值變化。相比于傳統(tǒng)的半球結(jié)構(gòu)、傾斜塊體結(jié)構(gòu)和無(wú)梯度自填充塊體結(jié)構(gòu)，該GIA在相同壓力范圍內(nèi)具有更大的可壓縮性(圖1(f))，從而使器件具有更大的靈敏度(220 kPa-1，0.08 Pa～360 kPa)和較短的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間(9 ms/18 ms)(圖1(g～h)，且兼具良好的機(jī)械穩(wěn)定性，不僅可以應(yīng)用于人體健康監(jiān)測(cè)，而且在空氣動(dòng)力學(xué)的壓力測(cè)量領(lǐng)域也有潛在應(yīng)用價(jià)值。

圖1 柔性織物壓阻式壓力傳感器[12]：(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)工作機(jī)理示意圖；(c)語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用圖。基于MXenes/尼龍織物的可穿戴應(yīng)變傳感器[13]：(d)結(jié)構(gòu)圖；(e)關(guān)節(jié)和肌肉的運(yùn)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)應(yīng)用圖?；贕IA的壓力傳感器[14]：(f)不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布仿真結(jié)果圖；(g)器件靈敏度變化圖；(h)器件響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間圖

1.2 溫度傳感器

體溫是人們發(fā)燒、失眠、代謝功能障礙等疾病的重要生理指標(biāo)。人體皮膚除了包含眾多的力感受器外，同時(shí)還兼具感知溫度的功能，使得人體免于外界環(huán)境的傷害。因此溫度傳感器作為監(jiān)測(cè)人體體溫和感知環(huán)境溫度的電子器件，至關(guān)重要。目前大多數(shù)柔性溫度傳感器的工作原理是基于溫度敏感材料在不同溫度下其導(dǎo)電特性的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)體溫檢測(cè)的[15-16]。

Gao等人[17]提出一種以Ti3C2Tx納米顆粒-薄片復(fù)合網(wǎng)絡(luò)材料作為溫敏導(dǎo)電材料、熱膨脹系數(shù)較大的PDMS作為基板的Ti3C2Tx-PDMS柔性溫度傳感器。隨著溫度升高，PDMS基板發(fā)生各向同性熱膨脹，使附著在上面的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)材料產(chǎn)生更大尺寸裂紋(圖2(a))，進(jìn)而引起器件電阻值的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)。該傳感器具有高達(dá)986 ℃-1的靈敏度和較寬的工作范圍(20～140℃)，將其擴(kuò)展為4×4的陣列傳感器可成功繪制出手指、水杯和紫外燈等具有溫度的物體的位置分布，表明其在近場(chǎng)物體溫度分布檢測(cè)方面的巨大潛力(圖2(b))。Zhang等人[18]提出了一種基于超薄襯底的可穿戴柔性溫度傳感器，該器件的溫度敏感單元由通過(guò)旋轉(zhuǎn)光刻系統(tǒng)在PI導(dǎo)管表面制作的金(Au)多匝微線圈組成，環(huán)境熱量與Au微線圈表面的熱交換會(huì)引起器件電阻值的變化，即熱阻原理，從而實(shí)現(xiàn)器件對(duì)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)(圖2(c))。該傳感器可通過(guò)人體呼吸的溫度識(shí)別出異常的呼吸信號(hào)(窒息和淺呼吸)，如圖2(d)所示，因此在睡眠呼吸疾病的初步診斷和睡眠健康監(jiān)測(cè)方面具有很大的潛力。Gao等人[19]制作了一個(gè)厚度只有0.1 mm的有機(jī)水凝膠溫度傳感器，該器件使用的有機(jī)水凝膠材料具有熱可逆凝膠性，即：環(huán)境溫度升高時(shí)，這種有機(jī)水凝膠鏈開始解扭、折疊、聚集，形成大的致密鏈區(qū)，并在孔區(qū)出現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致離子遷移阻力降低，離子遷移速率加快，器件電阻值減?。环粗?，器件電阻值增大。其所制備的溫度傳感器具有較寬的溫度檢測(cè)范圍(-30～50 ℃)，可以準(zhǔn)確響應(yīng)和記錄皮膚表面的溫度變化。

圖2 基于Ti3C2Tx/PDMS的溫度傳感器器件[17]：(a)不同溫度下器件表面導(dǎo)電材料裂紋的尺寸變化圖；(b)溫度分布識(shí)別應(yīng)用圖。Au/PI基溫度傳感器件[18]：(c)結(jié)構(gòu)示意圖；(d)識(shí)別窒息、淺呼吸信號(hào)的應(yīng)用圖

1.3 濕度傳感器

濕度傳感器可以對(duì)環(huán)境中的濕度水平作出定量評(píng)價(jià)，因此在人體呼吸模式檢測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別、人機(jī)交互界面等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。與柔性溫度傳感器類似，濕度傳感器的典型策略是檢測(cè)不同濕度水平下各種傳感材料的電導(dǎo)率變化[20]。

到目前為止，各類濕度敏感材料，如石墨烯(graphene)[21]、氧化鉬(MoO3)[22]和金屬鹵化物鈣鈦礦等[23-24]，由于具有比表面積大、親水性好等特性，已經(jīng)成為濕度傳感器的核心材料。其中，二維過(guò)渡金屬碳化物MXenes具有獨(dú)特的富羥基納米結(jié)構(gòu)，親水性佳，因而受到濕度傳感器研究人員的青睞[25-26]。Yang等人[27]提出了一種經(jīng)氫氧化鈉溶液處理的堿化MXenes(AMX)材料，由于堿金屬離子(Na+)的插層和表面末端氧-氟的增加，AMX器件具有優(yōu)異的濕度靈敏度(S=300)，如圖3(a)和(b)所示。然而，由于Na+和水分子形成的離子簇移動(dòng)速度較慢，該傳感器的響應(yīng)時(shí)間(1 s)和恢復(fù)時(shí)間(210 s)較長(zhǎng)，極大地限制了它的應(yīng)用范圍。2022年，張建華團(tuán)隊(duì)[28]提出了一種基于堿化MXenes和聚多巴胺(PDA)形成的雜化材料(AMP)的柔性濕度傳感器(圖3(c))。其優(yōu)勢(shì)在于：一方面PDA聚合物含有大量的羥基(OH)，羥基可以通過(guò)可逆氫鍵與水分子快速結(jié)合、分離導(dǎo)致氫鍵線/網(wǎng)絡(luò)的變化，引起材料導(dǎo)電性的變化；另一方面堿化MXenes具有獨(dú)特的類手風(fēng)琴的層狀納米結(jié)構(gòu)，比表面積大，因此PDA包覆在MXenes表面形成雜化材料AMP后，增加了與水分子之間的相互作用面積，從而使得相對(duì)濕度(RH)的微小變化就可以顯著改變AMP雜化材料的導(dǎo)電性。研究表明，該器件具有較寬的檢測(cè)范圍(5%～95% RH)，較高的靈敏度(S=17 875)(圖3(d))，較短的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間(分別為0.4 s和0.5 s)。得益于該器件的優(yōu)良性能，其可作為非接觸式開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子器件的控制和用于區(qū)別人體在休息、行走后、跑步后三種狀態(tài)下的呼吸模式，如圖3(e)和(f)。

圖3 基于AMX的濕度傳感器[27]：(a)AMX表面H2O分子吸附的工作機(jī)理示意圖；(b)基于MXenes和AMX的器件對(duì)濕度的響應(yīng)對(duì)比?；贏MP的濕度傳感器[28]：(c)結(jié)構(gòu)示意圖；(d)不同相對(duì)濕度條件下器件電阻值的變化圖；(e)人體呼吸非接觸控制燈泡開關(guān)圖；(f)人體在不同狀態(tài)下，器件檢測(cè)到的呼吸模式圖

1.4 光學(xué)傳感器

光學(xué)傳感器是一種用于檢測(cè)各類光參數(shù)(如波長(zhǎng)、頻率、強(qiáng)度或偏振等)的器件，常見的光學(xué)傳感器是基于光電原理，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量和記錄的電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的，因此光學(xué)傳感器也常被稱作光電探測(cè)器，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、圖像傳感、監(jiān)控、智能手機(jī)等領(lǐng)域都有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

Song等人[29]設(shè)計(jì)并制備了一種具有較寬光譜響應(yīng)范圍(300～1 000 nm)的有機(jī)光電二極管(organic photodiode, OPD)。利用低帶隙受體和厚結(jié)相結(jié)合的策略，可將器件暗電流降低到0.35 nA/cm2。同時(shí)，該器件在7個(gè)數(shù)量級(jí)以上的光強(qiáng)范圍內(nèi)(LDR為157 dB)均具有線性響應(yīng)，截止頻率高達(dá)4.5 kHz，總體性能可與晶體硅基OPD相媲美。2020年，張建華團(tuán)隊(duì)[30]提出一種基于超小氧化鎳(NiOx)納米晶體材料(5～10 nm)的OPD，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(a)所示。研究人員利用NiOx高的最低未占軌道(LUMO)能級(jí)阻斷了來(lái)自外部偏置的暗電流，使所制造的OPD暗電流降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，如圖4(b)所示。

X射線探測(cè)器作為一種特殊的光電探測(cè)器，是將X射線能量轉(zhuǎn)換為可處理的電信號(hào)的傳感器件，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、癌癥治療、工業(yè)無(wú)損檢測(cè)、光電子能譜分析等眾多領(lǐng)域。目前X射線探測(cè)器根據(jù)探測(cè)原理分為直接型和間接型兩種：間接型探測(cè)器是先利用閃爍體將X射線轉(zhuǎn)換為可見光光子，再通過(guò)光電二極管陣列將可見光光子轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)的器件；而直接型探測(cè)器避免了間接型X射線探測(cè)器中的光光轉(zhuǎn)換過(guò)程，利用直接帶隙半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)X射線到電信號(hào)的轉(zhuǎn)變。直接型X射線探測(cè)器在結(jié)構(gòu)方面更加簡(jiǎn)單，制備工藝也相對(duì)簡(jiǎn)單，具有較高空間分辨率和成像質(zhì)量[31]。張建華團(tuán)隊(duì)[32]提出了一種基于無(wú)毒微金字塔三斜鉍(ω-Bi2O3)油墨的直接型X射線探測(cè)器(圖4(c))。該探測(cè)器暴露在開關(guān)的X射線源下1 500 s(共5 120 mGy劑量)后，相當(dāng)于進(jìn)行了2.56萬(wàn)次胸部X射線掃描，依舊未表現(xiàn)出明顯的性能差異，如圖4(d)所示。Demchyshyn等人[33]設(shè)計(jì)并制備了一種基于混合陽(yáng)離子與鹵化鉛鈣鈦礦的柔性輕質(zhì)直接型X射線探測(cè)器，如圖4(e)所示。該探測(cè)器經(jīng)過(guò)界面修飾在0 V工作電壓下依舊可以對(duì)X射線進(jìn)行探測(cè)并展現(xiàn)出(9.3±0.5)μC·Gy-1·cm-2的高靈敏度和(0.58±0.05)μGy·s-1的低檢測(cè)極限(圖4(f))。

圖4 基于NiOx的OPD[30]：(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)有無(wú)NiOx的兩種器件在黑暗/有光條件下的電流密度對(duì)比圖?；讦?Bi2O3的X射線探測(cè)器[32]：(c)ω-Bi2O3材料的SEM圖像；(d)器件在X射線源照射下產(chǎn)生的光電流圖。鈣鈦礦型X射線探測(cè)器[33]：(e)結(jié)構(gòu)示意圖；(f)0 V偏壓下器件產(chǎn)生的光電流隨劑量率的變化圖

2 傳感器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

為了評(píng)估柔性傳感器的器件性能，需要對(duì)器件的性能參數(shù)，如靈敏度、線性度、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性等進(jìn)行表征，而這些性能參數(shù)是選擇應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)合傳感器的重要依據(jù)。這里我們以柔性力學(xué)傳感器為例來(lái)介紹柔性傳感器涉及的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

2.1 靈敏度

柔性傳感器靈敏度的定義為：在受外界刺激后，指定輸出量的變化率與指定輸入量變化值之比。靈敏度根據(jù)定義可以表示為S=ΔE/(ΔS×E0)，其中ΔE是電信號(hào)的變化(例如電流、電容、電壓等)，ΔS為外界刺激的變化值，E和E0分別為受到外界刺激時(shí)實(shí)時(shí)電信號(hào)和初始無(wú)外界刺激的電信號(hào)。以柔性壓阻式壓力傳感器為例，其靈敏度主要取決于材料和界面結(jié)構(gòu)等。2019年Zhao等人[34]巧妙地利用綠蘿葉子表面天然的微結(jié)構(gòu)陣列和糖顆粒作為模板，制備了具有復(fù)合多孔微結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物薄膜，證實(shí)基于該復(fù)合多孔微結(jié)構(gòu)的柔性力學(xué)傳感器的靈敏度相比于基于實(shí)體微結(jié)構(gòu)的傳感器提高59%，如圖5(a)所示。對(duì)于濕度和溫度傳感器而言，典型的感知策略是檢測(cè)傳感功能材料在不同濕度/溫度水平下電導(dǎo)率的變化，因此其靈敏度主要取決于傳感功能材料。例如，相比于一維材料，二維材料具有更大的比表面積和豐富的表面官能團(tuán)，可以更好地促進(jìn)水分子的吸附，從而提高濕度傳感器的靈敏度。

2.2 線性范圍

輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之間的線性關(guān)系可以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理和降低系統(tǒng)復(fù)雜度，因此線性范圍是柔性傳感器另一個(gè)重要的性能參數(shù)。柔性力學(xué)傳感器的線性范圍與采用的傳感材料和結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。例如：Xu等人[35]制備了基于硼砂/PVA的高度可拉伸自修復(fù)的納米復(fù)合水凝膠，克服了其導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)在大應(yīng)變下不均勻變化導(dǎo)致的線性范圍窄的難題，該應(yīng)變傳感器在0～100%的應(yīng)變范圍內(nèi)保持約1.86的靈敏度，如圖5(b)所示。Zhao等人[36]首次提出以具有天然多級(jí)錐結(jié)構(gòu)的野菊花花粉作為模板，采用二次復(fù)型工藝制備了具有仿花粉結(jié)構(gòu)的壓阻式傳感器，實(shí)驗(yàn)證實(shí)該柔性傳感器在0～218 kPa的寬線性響應(yīng)范圍內(nèi)，顯示出3.5 kPa-1的高靈敏度(R2為0.997)，如圖5(c)所示。但總的來(lái)說(shuō)，傳感器的高靈敏度和高線性度之間相互制約。因此，開發(fā)同時(shí)具有高靈敏度和高線性度的柔性可穿戴傳感器仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

2.3 響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間一般定義為達(dá)到穩(wěn)定輸出的90%所需的時(shí)間，反映了傳感器響應(yīng)階躍輸入的速度。大多數(shù)基于聚合物的柔性力傳感器由于材料的黏彈特性存在響應(yīng)延遲[37-38]。目前已有相當(dāng)多的研究證明可以通過(guò)材料和結(jié)構(gòu)(如多孔體)的設(shè)計(jì)來(lái)減少聚合物黏彈性的影響，從而改善柔性力傳感器的響應(yīng)時(shí)間。如Cheng等人[39]報(bào)道了一種以硅納米線(SiNWs)為功能層的新型壓力傳感器。SiNWs是固有的彈性晶體，沒有黏彈性，因此以SiNWs為彈性層的器件設(shè)計(jì)具有可忽略不計(jì)的界面附和力，大大降低了該傳感器的響應(yīng)時(shí)間(約3 ms)，如圖5(d)所示。Yang等人[40]展示了由多孔金字塔介電層組成的柔性高靈敏電容式壓力傳感器，通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)和特殊的表面結(jié)構(gòu)減小了界面黏彈性的負(fù)面影響，利用表面微觀結(jié)構(gòu)的變形代替了塊狀薄膜的變形，導(dǎo)致遲滯作用減小，器件的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為50 ms和100 ms，如圖5(e)所示。

圖5 (a)基于仿生復(fù)合多孔微結(jié)構(gòu)的高靈敏柔性力學(xué)傳感器[34]；(b)自修復(fù)水凝膠應(yīng)變傳感器(0～100%的應(yīng)變范圍)[35]；(c)基于仿生多級(jí)結(jié)構(gòu)的寬線性范圍的柔性力學(xué)傳感器；(d)基于硅納米線的柔性壓力傳感器(響應(yīng)時(shí)間約3 ms)[39]；(e)基于多孔金字塔微結(jié)構(gòu)的壓力傳感器(響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為50 ms和100 ms)[40]

2.4 穩(wěn)定性

除此之外，柔性傳感器在長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)使用下能夠保持穩(wěn)定可靠的輸入輸出關(guān)系是另一重要指標(biāo)，通常需要測(cè)試連續(xù)施加和撤除外界刺激下的傳感器的性能。由于力學(xué)傳感器在循環(huán)過(guò)程中常常伴隨著導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的破壞與重組，在最初的幾個(gè)循環(huán)下，傳感器的性能會(huì)產(chǎn)生漂移，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，傳感器性能逐漸趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定性試驗(yàn)沒有設(shè)定具體的循環(huán)次數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，但在大多數(shù)柔性壓力傳感器的報(bào)告中，通常采用5 000次以上的循環(huán)次數(shù)[41]。

3 柔性傳感器的大面積陣列制造方法

柔性可穿戴傳感器感知的信號(hào)通常還包含外界刺激的空間位置信息，譬如壓力分布信息、多點(diǎn)形變信息、溫度場(chǎng)信息和濕度分布等，而單個(gè)柔性傳感器無(wú)法反饋這些空間信息，因此陣列傳感器的設(shè)計(jì)及大面積制造方法引起了研究人員的廣泛關(guān)注[42-43]。傳感器實(shí)現(xiàn)大面積陣列制造常伴隨著電路復(fù)雜、功耗高和信號(hào)串?dāng)_等難題。目前報(bào)道的傳感器件制備工藝過(guò)程很難實(shí)現(xiàn)柔性大面積陣列化制造，導(dǎo)致傳感的分辨率和維度不高，實(shí)際應(yīng)用范圍受限。如何突破現(xiàn)有傳感器件制造的技術(shù)局限，獲得高靈敏、高密度和大面積柔性傳感器是當(dāng)前研究的最大瓶頸問(wèn)題。

3.1 薄膜晶體管(TFT)的優(yōu)勢(shì)

薄膜晶體管(thin film transistor, TFT)由于具有高密度制造、高分辨率、節(jié)能化、輕便化等特性，已成功地作為有源元件應(yīng)用于顯示領(lǐng)域[44]。借助于TFT的信號(hào)放大功能和柔性陣列制造優(yōu)勢(shì)，將其與傳統(tǒng)柔性傳感功能單元集成起來(lái)，可提高傳感的靈敏度和維度。這種基于TFT的傳感技術(shù)為解決傳感器在柔性襯底上陣列化提供了極大的潛力和發(fā)展空間。根據(jù)半導(dǎo)體材料的類型，常見的TFT可以分為非晶硅TFT(a-Si TFT)、低溫多晶硅TFT(LTPS TFT)、有機(jī)TFT(OTFT)以及金屬氧化物半導(dǎo)體TFT(MOTFT)四種。其中：a-Si TFT工藝成本低，良品率高，但遷移率低(最大只有1 cm2·V-1·S-1)，不利于高速陣列采集；LTPS TFT載流子遷移率高，但制備工藝涉及高溫(500 ℃左右)，超過(guò)了大多柔性襯底的耐受溫度，與柔性器件制備工藝不兼容；OTFT具有制作成本低和工藝溫度低的特點(diǎn)，目前基于OTFT的傳感器報(bào)道較多[45-47]，然而OTFT的放大受限于其低場(chǎng)效應(yīng)遷移率，且器件的電學(xué)穩(wěn)定性較差；MOTFT技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)低成本的大面積制造，同時(shí)表現(xiàn)出相對(duì)較高的場(chǎng)效應(yīng)遷移率，可提供更快的響應(yīng)速度、更強(qiáng)的放大效果和更低的能耗，但器件可靠性易受環(huán)境影響。

3.2 基于TFT的陣列傳感器工作原理

TFT包含源極(S)、漏極(D)和柵極(G)三個(gè)引出電極。當(dāng)施加的柵極電壓VGS超過(guò)一定閾值時(shí)，就可以控制電子流過(guò)源、漏兩極，這樣通過(guò)輸入微小的電壓變化就可以調(diào)控源漏電流IDS的大小。基于TFT的傳感器在外部刺激的作用下，利用傳感器對(duì)TFT的源漏電壓VDS、柵極電壓VGS、柵絕緣層電容Ci的影響，改變IDS的大小，通過(guò)IDS來(lái)反映外界刺激的變化。源漏電壓VDS可通過(guò)在TFT源極或漏極串聯(lián)電阻式傳感器來(lái)調(diào)控。在外界刺激的作用下，傳感器電阻發(fā)生變化，影響其壓降，從而影響VDS發(fā)生變化，如圖6(a)所示。柵極電壓VGS可通過(guò)在柵極串聯(lián)電阻式傳感器或利用壓電式傳感器作為浮柵提供柵極電壓來(lái)調(diào)控，通過(guò)傳感器來(lái)改變VGS從而調(diào)節(jié)IDS，如圖6(b)和6(c)所示。除此之外，將傳感器作為TFT的可變電介質(zhì)層，在外界刺激的作用下改變TFT的柵絕緣層電容Ci也會(huì)使IDS發(fā)生變化，如圖6(d)所示。TFT在陣列傳感器中起到控制和放大的作用，基于TFT的陣列傳感器具有大面積、高密度、高靈敏度和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于采用TFT有源矩陣的形式，基于TFT的陣列傳感器具有低串?dāng)_、高對(duì)比度等優(yōu)點(diǎn)，并極大地簡(jiǎn)化了尋址模式，對(duì)于m×n的傳感器陣列僅需m+n條尋址行就可以監(jiān)控所有傳感器的變化，如圖6中間示意圖所示。

圖6 柔性傳感器和薄膜晶體管的集成方式：(a)電阻式傳感器串聯(lián)于TFT源極或漏級(jí)；(b)電阻式傳感器串聯(lián)于TFT柵極；(c)壓電式傳感器充當(dāng)TFT浮柵；(d)傳感器充當(dāng)TFT的可變電介質(zhì)層

3.3 基于TFT的陣列傳感器

研究人員基于3.2中提及的工作原理設(shè)計(jì)并制備了多種基于TFT的陣列傳感器結(jié)構(gòu)。例如：Wang等人[48]利用皮質(zhì)醇適配體與氧化銦(In2O3)納米薄膜的耦合機(jī)制，開發(fā)了一種柔性場(chǎng)效應(yīng)晶體管(field effect transistor, FET)生物傳感器陣列。利用適配體的分子進(jìn)行皮質(zhì)醇的識(shí)別，并通過(guò)FET進(jìn)行電信號(hào)放大，可檢測(cè)到更低水平的皮質(zhì)醇。該器件與可穿戴手表集成后，可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫、實(shí)時(shí)的皮質(zhì)醇檢測(cè)。Nela等人[49]提出了一個(gè)基于碳納米管(CNT)TFT有源矩陣的高性能柔性壓力傳感器，并且在4英寸基板上成功制作了16×16像素的大面積陣列，能夠以低至4 mm的單像素空間分辨率檢測(cè)復(fù)雜物體的位置分布信息。Baek等人[51]設(shè)計(jì)并制備了一種基于有機(jī)TFT(OTFT)的低功耗、高靈敏度的柔性有源壓力傳感陣列，如圖7(a)所示。該OTFT的S/D電極由具有微結(jié)構(gòu)的彈性體和導(dǎo)電材料組成。在壓力作用下，S/D電極發(fā)生壓縮變形，改變有源溝道的幾何形狀和接觸電阻，導(dǎo)致S/D電流值變化。該5×5有源陣列的空間分辨率為12.83 ppi，可映射出字母“E”的平面位置(圖7(b))，可與人類的觸覺感知相媲美。

張建華團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于基于a-IGZO TFT的集成式傳感器的材料和制備工藝開發(fā)[5,52-56]研究。2018年，該團(tuán)隊(duì)[55]利用微結(jié)構(gòu)化的PDMS電容和a-IGZO TFT，提出了一種集成電容式壓力傳感器件，并成功地在5 cm×5 cm柔性基板上實(shí)現(xiàn)了4×4陣列傳感器制造。通過(guò)a-IGZO的放大效應(yīng)，器件在超低壓狀態(tài)(≤1.5 kPa)檢測(cè)的亞閾值區(qū)域表現(xiàn)出較高的靈敏度(35.9 kPa-1)，而在低壓狀態(tài)(≤7 kPa)檢測(cè)的線性區(qū)域表現(xiàn)出良好的線性度。在柔性可穿戴傳感器的應(yīng)用環(huán)境中，往往需要收集多種參數(shù)，除了可提供物體的質(zhì)量和形狀信息的力學(xué)參數(shù)，還包含提供物體熱信息的溫度參數(shù)。2021年張建華團(tuán)隊(duì)[56]提出了一種基于a-IGZO TFT陣列的柔性雙參數(shù)傳感陣列，溫度和壓力傳感像素點(diǎn)數(shù)目分別為6×4和7×4，如圖7(c)所示。由于溫度和壓力傳感器相互獨(dú)立，產(chǎn)生的傳感信號(hào)不會(huì)受到干擾，該傳感器不僅能夠高選擇性地同時(shí)檢測(cè)兩種物理信號(hào)，且具有高靈敏度，其中溫度靈敏系數(shù)為-0.04 ℃-1(25～40 ℃)，壓力靈敏系數(shù)為13 kPa-1(0～6 kPa)和140 kPa-1(6～10 kPa)，如圖7(e)和7(f)所示。

圖7 柔性有源壓力傳感陣列[51]：(a)器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b)字母“E”和器件對(duì)其位置映射圖。柔性雙參數(shù)溫度-壓力陣列傳感器[56]：(c)器件結(jié)構(gòu)示意圖；(d)陣列傳感器實(shí)物照片；(e)不同溫度和(f)不同壓力下的器件電流變化率曲線圖

4 結(jié)論與展望

柔性可穿戴傳感器是穿戴式電子器件及系統(tǒng)的重要研究方向之一，在康復(fù)醫(yī)療、人機(jī)交互、電子皮膚等多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，其本質(zhì)就是將待檢測(cè)的外界刺激轉(zhuǎn)換為可收集、可處理的信號(hào)從而指導(dǎo)系統(tǒng)的控制與反饋。如何準(zhǔn)確地獲取外界刺激，保證信號(hào)反饋的精準(zhǔn)性是柔性可穿戴傳感器的關(guān)鍵，這就需要傳感器具有高靈敏度、寬線性檢測(cè)范圍和出色的穩(wěn)定性等，也需要傳感器具有陣列檢測(cè)和多功能檢測(cè)的能力。雖然柔性可穿戴傳感器在這些方面已取得了令人矚目的進(jìn)展，但未來(lái)仍面臨著一些困難需要克服和深入研究。

(1)目前柔性可穿戴傳感器的研究主要集中在單參數(shù)傳感上，然而單一參數(shù)的傳感得到的信息量有限，已無(wú)法滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。例如，仿生電子皮膚需要對(duì)壓力、溫度、光等多個(gè)參數(shù)同時(shí)進(jìn)行感知才能獲取接觸物體的完整信息。因此，實(shí)現(xiàn)柔性傳感器的多參數(shù)化是未來(lái)傳感器發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。

(2)與單參數(shù)傳感器的發(fā)展相同，多參數(shù)傳感器也同時(shí)需要滿足集成化、小型化、柔性、大面積陣列的要求。由于多參數(shù)傳感器中每一個(gè)單參數(shù)傳感單元的材料和結(jié)構(gòu)都不盡相同，增加了其制備工藝的難度。因此實(shí)現(xiàn)多個(gè)單參數(shù)傳感器的集成制造，包括材料和工藝兼容性，是研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

(3)柔性可穿戴傳感器需要復(fù)雜的信號(hào)采集和處理過(guò)程，后端的信號(hào)采集、處理模塊與柔性不兼容，極大限制了可穿戴電子器件的實(shí)際應(yīng)用。因此，如何簡(jiǎn)化傳感器的信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)柔性可穿戴傳感器的無(wú)線感知，增加傳感器的可穿戴性還需要進(jìn)一步研究。

(4)傳統(tǒng)的AR和VR技術(shù)僅僅依靠視覺或聽覺刺激來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)體驗(yàn)，缺少真實(shí)的感知反饋，且這些設(shè)備由笨重和剛性的部件組成，極大地影響了用戶體驗(yàn)感。因此，如何將新型柔性可穿戴傳感器與AR、VR技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的感知反饋，使用戶擁有更真實(shí)的虛擬體驗(yàn)將是新興的研究熱點(diǎn)。

(5)現(xiàn)階段的柔性可穿戴傳感器僅僅能檢測(cè)外部刺激，然而人體皮膚的感知系統(tǒng)不僅能夠感知外部刺激還能儲(chǔ)存刺激、分析刺激并對(duì)刺激做出響應(yīng)。因此，如何使柔性可穿戴傳感器具有類似皮膚的感知與記憶功能從而實(shí)現(xiàn)智能感知是下階段柔性可穿戴傳感器研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。