【微杂志】一文读懂柔性电路与传感器

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一文读懂柔性电路与传感器

目前，许多智能化的检测设备已经大量地采用了各种各样的传感器，其应用早已渗透到诸如工业生产、海洋探测、环境保护、医学诊断、生物工程、宇宙开发和智能家居等方方面面。随着信息时代的应用需求越来越高，对被测量信息的范围、精度和稳定情况等各性能参数的期 望值和理想化要求逐步提高。针对特殊环境与特殊信号下气体、压力、湿度的测量需求，对普通传感器提出了新的挑战。

面对越来越多的特殊信号和特殊环境，新型传感器技术已向以下趋势发展：开发新材料、新工艺和开发新型传感器；实现传感器的集成化和智能化；实现传感技术硬件系统与元器件的微小型化；与其它学科的交叉整合的传感器。同时，传感器还应具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带和可穿戴等特点。随着柔性基质材料的发展，满足上述各类趋势特点的柔性传感器在此基础上应运而生。


柔性传感器的特点与分类

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柔性传感器的特点

柔性材料是与刚性材料相对应的概念,柔性材料具有柔软、低模量、易变形等属性。常见的柔性材料有：聚乙烯醇、聚酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酯乙二醇酯、纸片和纺织料等 。

而柔性传感器则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、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。新型柔性传感器在电子皮肤、医疗保健、电子、电工、运动器材、纺织品、航天航空以及环境监测等领域受到广泛应用。

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柔性传感器的分类

柔性传感器种类较多，分类方式也多样化。按照用途分类，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，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 。

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常见柔性传感器

传感器在人体健康监测方面发挥着至关重要的作用。近年来，人们已经在可穿戴可植入传感器领域取得了显著进步，例如利用电子皮肤向大脑传递皮肤触觉信息，利用三维微电极实现大脑皮层控制假肢，利用人工耳蜗恢复病人听力等。然而，实现柔性可穿戴电子传感器的高分辨、高灵敏、快速响应、低成本制造和复杂信号检测仍然是一个很大的挑战。

如何有效地将外部刺激转化为电信号是柔性可穿戴电子传感器监测身体健康状况的关键技术。柔性可穿戴电子传感器的信号转换机制主要分为压阻、电容和压电三大部分。近年来为了实时扫描动态压力和发展可拉伸的能量收集器件，基于力致发光、摩擦发电机制的传感器受到了高度关注。


柔性可穿戴电子的常用材料

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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。

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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。

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无机半导体材料

以氧化锌和硫化锌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。

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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。

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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、比表面积大和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。


柔性电子传感器的印刷制造

柔性传感器是可穿戴设备的关键部件之一，以硅材料 为代表的传统半导体器件由于加工工艺复杂、设备投入成 本高、环境污染大以及芯片无法弯曲等内在局限性，限制 其在可穿戴设备领域的应用。与传统自上而下的光刻技术 相比，印刷电子技术拥有弯曲与拉伸性好、可以在柔性基 底大规模制备、加工设备简单、成本低和污染小等优点。 正因如此, 基于有机半导体材料和纳米材料等的印刷电子 技术在近年得到迅猛发展。

常见的电子传感器

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柔性气体传感器

柔性气体传感器在电极表面布置对气体敏感的薄膜材料，其基底是柔性的，具备轻便、柔韧易弯曲，可大面积制作等特点，薄膜材料也因具备更高的敏感性和相对简便的制作工艺而备受关注。这很好地满足了特殊环境下气体传感器的便携、低功耗等需求，打破了以往气体传感器不易携带、测量范围不全面、量程小、成本高等不利因素，可对氨气、一氧化氮以及乙醇气体进行简单精确的检测，从而引起了人们的广泛关注 。

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柔性压力传感器

柔性压力传感器在智能服装、 智能运动和机器人 “皮肤”等方面有广泛运用。聚偏氟乙烯、硅橡胶及聚酰亚胺等作为其基底材料已广泛用于柔性压力传感器的制作，它们有别于采用金属应变计的测力传感器和采用n型半导体芯片的扩散型普通压力传感器，具有较好的柔韧 性、导电性及压阻特性。

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柔性湿度传感器

湿度传感器主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻 器特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸汽吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容器一般是用高分子薄膜制成，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺和酪酸醋酸纤维等 。

湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化及 多参数检测的方向迅速发展，传统的干湿球湿度计或毛发湿度计已无法满足现代科技发展的需要。柔性湿度传感器以低成本、低能耗、易于制造和易集成到智能系统制造等优点已被广泛研究。制作该类柔性湿度传感器的基底材料与其他柔性传感器类似，制造湿度敏感膜的方法也有很多，包括浸涂、旋转涂料、丝网印刷和喷墨印刷等。

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、集成化和智能化发展问题，这些新型柔性传感器在电子皮肤、生物医药及可穿戴电子产品和航空航天中有重要作用。但目前对于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、适用范围和使用寿命等问题。 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。


可穿戴传感器的应用

可穿戴传感器除了具有压力传感功能，还具有现实和潜在应用的多种功能，体温和脉搏检测、表情识别和运动监测等。

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温度检测

人体皮肤对温度的感知帮助人们维持体内外的热量平衡。电子皮肤最早由多功能二极管、无线功率线圈和射频发生器等部件组成。这样的表皮电子对温度和热导率的变化非常敏感，可以评价人体生理特征的变化，比如皮肤含水量、组织热导率、血流量状态和伤口修复过程。

为了提高空间分辨率、信噪比和响应速度，有源矩阵设计成为了最优选择之一。

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脉搏检测

可穿戴个人健康监护系统被广泛认为是下一代健康监护技术的核心解决方案。监护设备不断地感知、获取、分析和存储大量人体日常活动中的生理数据，为人体的健康状况提供必要的、准确的和长期的评估和反馈。 在脉搏监测领域，可穿戴传感器具有以下应用优势：

（1）在不影响人体运动状态的前提下长时间的采集人体日常心电数据，实时的传输至监护终端进行分析处理；

（2）数据通过无线电波进行传输，免除了复杂的连线。 可以粘附在皮肤表面的电学矩阵在非植入健康监测方面具有明显优势，而且超轻超薄，利于携带。然而，人体具有很多非平整的表面和精细结构，使得完全贴附非常困难，这是实时监测的挑战。

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表情识别

统计发现，在人们的交流中通过语言传递的信息只占约7%，而大部分（约占55%）的信息靠表情传递。随着人机交互与情感计算技术的快速发展，人脸表情识别已成为人们研究的热点。目前，基于图像采集的表情识别技术存在五官捕捉缓慢、识别准确率低等缺点，无法满足人们对于实时快速准确感知的要求。随着传感器向微型化、智能化、网络化和多功能化的方向发展，同时测量多个参数的高集成传感器需要制造工艺和分析技术的创新。

通过压阻柔性可穿戴电子传感器可多通道分析进行表情识别。一组传感器贴附于被监测者的体表皮肤，进行数据采集与分析，实时监测人在不同环境和心理条件下，体表微形变的相关生理反应，用于识别微笑、大笑、惊讶、悲伤、恐惧、沮丧、生气和放松八种主要的面部表情。

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运动监测

当代社会，人们越来越需要对人体活动进行实时监测。在能与人体交互的诊疗电学设备中，监控人体运动 的应力传感器备受瞩目。监测人体运动的策略可以分为两种：一种是监测大范围运动，例如，手、胳膊和腿的弯曲 运动；另一种是监测像呼吸、吞咽和说话过程中胸和颈的细微运动。适用于这两种策略的传感器必须具备好的拉伸性和高灵敏度。而传统的基于金属和半导体的应力传感器不能胜任。所以，具备好的拉伸性和高灵敏度的柔性可穿戴电子传感器在运动监测领域至关重要。

实际应用方面，柔性可穿戴电子传感器还需要实现新型传感原理、多功能集成和复杂环境分析等科学问题上的重大进展，以及制备工艺、材料合成与器件整合等技术上的突破。首先, 亟需新材料和新信号转换机制来拓展压力扫描的范围，不断满足不同场合的需要；其次，发展低 能耗和自驱动的可穿戴传感器，电池微型化技术也亟待升级，信息交互的过程是高耗能的，要延长设备一次充电的工作时间；再次，提高可穿戴传感器的性能，包括灵敏度、响应时间、检测范围、集成度和多分析等，提高便携性，降低可穿戴传感器的制造成本；接下来，发展无线传输技术，与移动终端结合，建立统一的云服务，实现数据实时传输、分析与反馈。另外，应拓宽可穿戴传感器的功能，特别是在医疗领域，健康监测、药物释放、假体技术等，未来大部分疾病应当在家里就能诊断甚至治愈。随着科学技术的发展，特别是纳米材料和纳米技术的研究不断深入，可穿戴传感器也展现出更为广阔的应用前景。相信随着相关物理、化学和信息基础研究的不断深入和新技术、新材料的不断发展，柔性可穿戴电子传感器将得到日益广泛的应用。

链接：何为超弹性导线
超弹性导线指的是很大拉伸形变下（>100%）依然能够保持电阻稳定，且具有一定电导率的弹性复合材料，在 可穿戴电子设备、机器人手臂，飞行器等领域研究广泛。 由于常见的导电材料本身的可拉伸性均比较差，因此这样 的弹性导线需要精巧的结构设计。

南开大学刘遵峰教授组研发出了一种超级弹性导线， 其可以在拉伸14倍的情况下，电阻几乎保持不变，其奥秘在于该超弹性导线的独特结构。该材料利用了多级褶皱结构，当弹性导线被拉伸时，褶皱展开，导电层保持完整，因此电学性能也十分稳定。为了引入多级褶皱结构，研究者将柔顺性好的多壁碳纳米管薄膜平铺在预拉伸14倍的超弹性橡胶上，之后释放预拉伸，非常容易的得到褶皱结构。同时该材料也采用了核壳结构，使得褶皱结构得到很好的封装，因此在拉伸过程中，弹性导线不会发生破裂。

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wudianjun2001

不错的资料

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