柔性压力传感器作为一种新型的电子器件，它在人机交互、医疗健康、机器人触觉等应用领域具有比刚性传感器更大的优势，但也对材料提出了更严格的要求。例如，它要求构成器件的材料很薄、较软，在某些情况下可贴合于人体皮肤表面或者植入体内，这进一步要求材料具有良好的生物相容性，并能与生物组织实现良好的力学匹配。在器件性能方面， 柔性压力传感器的设计主要关注于灵敏度、响应时间、检测限、稳定性等性能的提高。最近，研究者们又将目光拓展到了器件的压力响应范围、压力分辨率、空间分辨率及拉伸性能等， 使得传感器具有更广阔的应用前景。本篇综述介绍了近年来柔性压力传感器研究的进展， 主要包括柔性压力传感器的传感原理、传感性能及应用前景，并最后对该类器件的发展进行了展望。
4 柔性压力传感器的应用
从40年前第一台触摸屏计算机HP-150诞生，到现在智能手机，智能手表，智能屏幕等各种电子产品琳琅满目，我们见证了电子材料的飞速发展。近些年来人工智能领域十分热门，在实现机器人与环境交互、机器人与人类交互的过程中，触觉感知是必须攻克的一个十分重要的课题。此外，在医疗领域里，利用可穿戴的柔性压力传感器对人体脉搏、心跳、血压等生理信号进行检测，将为病情的诊断和治疗提供更快速高效的途径。尽管柔性压力传感器还未能大规模应用，但是可以肯定的是，这类器件未来将彻底颠覆人类的生活方式。
4.1 触觉感知
人的手指指尖分布着大量的触觉感受器，我们可以通过手指感受到物体的形状、大小、软硬程度、表面纹理、粗糙度等。对于机器而言，压力传感器是其触觉感知系统不可缺少的一部分，柔性器件可以进一步增加其安全性及承受变形的能力，并且适用于弯曲表面。目前，大多数关于触觉感知的研究集中于传感器对正向压应力的响应，但是在实际环境中，力的方向往往充满了随机性。人类之所以能感受到来自不同方向的力（例如压力和摩擦力），能够对物体表面的纹理进行判断，源于指尖有着复杂而精妙的结构。受到指尖结构的启发，Chen 等采用 CNTs-PDMS 混合物模拟指尖的三层构造来设计传感器。位于最外侧的双螺旋结构是电极同时也是摩擦纳米发电机。当物体在设备表面滑动时，电子会在界面之间传输，产生交流电压，峰出现的频率可以反映物体的粗糙程度。位于最内侧的多孔 CNTs-PDMS层状结构可以感应压力变化，但是这种器件的灵敏度在压力超过 1N 以后迅速下降。这种传感器应用于机器人上，能够感知物体表面粗糙度、纹理，还可以完成握紧和松开物体等操作。Liang 等在机器人手指表面贴附3×3的触觉传感器阵列，然后触摸表面纹理不同的平板，产生一系列波峰信号。对这些波峰信号进行分析，并和标准值对比，识别的准确率达到了99%。
Kim等展示了用超薄单晶硅纳米带制作的电子皮肤，它由多层结构堆叠而成，集成了湿度、压力和温度传感器阵列。其中，压力传感器模块如图7（a）所示。通过在 PI 层形成凹洞，压力传感器的灵敏度提升了约10倍。使用的单晶硅纳米带被制作成弯曲的蛇形结构， 这种特殊的几何设计让纳米带拉伸性能得到提升。将电子皮肤贴附在假肢上，检测假肢敲击键盘和抓球时的电阻变化，证明了压力传感器对外界刺激有快速且稳定的信号响应 （图 7（b））。所有的电刺激可以经纳米线电极传输到身体特定的神经元。为预防炎症，在纳米线电极上还修饰了二氧化铈纳米粒子。这种设计为新兴的假肢和周围神经系统接口技术提供了有益的参考。Sim 等报道了溶胶-凝胶聚合物处理的铟锌氧化物半导体纳米膜制作的超薄可拉伸电子皮肤。该电子皮肤具有多功能性， 制造简单，不易磨损的优势，包含用于数据存储的电阻随机存取存储器、用于接合和转换电路的场效应晶体管、用于健康监测和运动传感的各种传感器，以及用于温度传递的微加热器。他们将这种电子皮肤贴在人体上捕捉人体的运动信号，利用这种信号可以控制机械手的运动，实现了人远程精确操纵机械的目标。
目前大多数触觉传感器利用的是电子来将物理信号转化为相应的电信号，并用电信号数值的大小来表示触觉感知的强弱。而人体是通过体内离子的迁移和一系列生物化学反应来将皮肤的变形转化为机械感受器的电信号，实现触觉感知。这两种不同的方式引起了人们的关注和思考。Kim 等制备了一种离子型的触觉传感器，由三层结构组成，包括两层石墨烯电极及中间的离子液体。受压时，顶层的石墨烯电极向下运动并和离子液体接触形成 EDL，随着压力增加，接触面积增大，电容值增大。由于初始接触面积很小，该触觉传感器的灵敏度十分高 （31.1 kPa−1）。近几年来，基于水凝胶的触觉传感器已经具备了高灵敏度、高弹性、良好的可拉伸性、自愈合能力和黏附性等优点。这种类型的传感器大多用离子作为传输电信号的介质。Liu等将 Ag离子引入具有非对称粗糙表面的聚丙烯酸水凝胶中，水凝胶中带负电荷的羧酸基团会促进带正电荷的Ag离子分散， 并在电极之间建立非对称的电动势。这种离子型的触觉传感器只需要 20mV的外部电压，就可以检测到 0.075 Pa 的压力，并且拥有优于大部分触觉传感器的灵敏度（57—171 kPa–1）。
还有研究者设计了一种对磁场敏感的触觉传感器，它由聚合物磁体颗粒、磁性传感器和气隙组成。当微小外力作用引起聚合物磁体变形时，磁性传感器能够检测到磁场变化。通过和LC振荡电路集成，能够在低压环境 （0—1kPa）下将数字信号与频率信号进行转换，频率随外力的增加而升高。显示出高灵敏度（4.4 kPa−1）和超过人体感知能力极限的检测能力（0.3Pa）。常见的传感器大多通过数值或者图表来反映压力变化，而 Chou 等成功开发了一种可视化的触觉传感器，这种传感器会随着压力的变化呈现不同的颜色。它由涂覆单壁碳纳米管的尖锥状 PDMS 阵列和电致变色的高分子薄膜（不同压力下颜色不同）组成（图7（c））。通过改变压力的大小，传感器会发生不同的颜色变化（图 7（d））。该系统具有广泛的应用，例如交互式可穿戴设备， 柔性显示屏和智能机器人等。
4.2 健康监测
心血管疾病威胁着世界各地人们的健康，也是导致死亡最主要的原因之一。因此，对心率、脉搏、血压等关乎心血管健康的参数进行监测，可以及时发现心血管疾病并采取治疗措施。人的心跳和脉搏信息作为评估健康状况的关键数据，一般可以通过在手腕处把脉、在胸部贴附电极绘制心电图等方式获得。除此以外，人的指尖脉冲波形也可以反应脉搏信息。
Meng 等制备了一种基于互锁结构的摩擦电型压力传感器，用于收集指尖脉搏信号。带有纳米微球结构的PDMS和 聚乙烯（polyethylene，PE）薄膜互锁在一起，提升灵敏度的同时也使传感器可以自供电。这种压力传感器只需要手指按压就可以准确地绘制出脉搏波形并得到心率。将得到的信息和商用医疗设备的进行对比，几乎完全一致 （图 8（a））。他们还用该传感器搜集了35岁和65岁的两名志愿者的脉搏信号，显示出了明显的差异（图 8（b））。这个工作在简化测试环节和降低设备成本方面拥有极大潜力。
Li 等采用银纳米线、石墨烯和聚酰胺纳米纤维组成了纳米网络结构。银纳米线均匀地分散在聚酰胺纳米纤维网络中，形成导电路径。石墨烯充当银纳米线之间的桥梁。该压力传感器具有超高的灵敏度（134 kPa−1，0—1.5 kPa），可以检测到 3.7Pa 的压力并在 75 kPa 的压力范围正常运行。它可以被用来检测人体的脉搏和说话时声带的振动等信息。Chen等把具有两种不同高度锥形微结构（900和 450 µm）的 PDMS 薄膜和膨体聚四氟乙烯薄膜结合起来，不同高度的微结构在确保一定灵敏度的同时增加了压力响应范围，多孔、低密度且高韧性的膨体聚四氟乙烯膜让复合材料的机械强度和韧性得以提升。以此为基础制备的摩擦电型压力传感器的灵敏度为7.989 V/kPa，在0.1—60.0 kPa的范围内有信号响应，同时具有高稳定性和高信噪比（38dB）。这些优势使其能够满足脉搏、心跳和血压监测方面的各种要求。
人的一生中大概有三分之一的时间都是在睡眠中度过，睡眠质量直接关系到人的身体和精神健康。睡眠质量较差容易导致睡眠失调、肥胖等疾病，它们是快节奏生活背景下威胁人们健康的潜在风险。对睡眠行为进行监测，可以判断睡眠质量并给疾病诊断提供参考。Lin 等设计了一种可检测使用者睡觉姿势变化的床单。它分为两层，分别贴附了垂直交叉的导电纤维阵列。波浪形的PET薄膜被夹在两层导电纤维之间，使其可以通过摩擦起电来实现实时的压力信号采集（图8（c））。此外，这种床单在用自来水清洗后，依然能够产生稳定的压力响应信号，具有制备简单、适合家用、性能稳定等优点。测试者身体姿势变化的程度和次数可以在一定程度上反映睡眠质量。通过建立高度集成的数据采集、处理和无线传输系统，对收集到的电信号进行分析， 可评估睡眠质量和健康状态（图8（d） 和图8（e））。
考虑到实时监测生理信号的设备要长期佩戴，因此实现传感器和人体良好的相容性，让人们能够更加舒适安全地穿戴是十分重要的。基于此，一些研究提出了在织物当中放置传感器来实现生理信号监测， 这些功能性纺织品在下一代可穿戴电子和生物医学领域具有广泛的应用前景。例如 Min 等设计了一种电容型的传感织物，可以用于呼吸监测系统。这种织物由导电纺织品和聚酯材料制成，将它放置在测试者的腹部，得到的模拟信 号经 MP150 ADC 模数转换器转换为数字信号，对使用者的呼吸次数进行记录。该工作为测量呼吸频率提供了一种简单易行的方式。Liu等设计了一种大面积的基于织物的压力传感器阵列，每一个阵列单元有14.4 kPa–1的高灵敏度、2Pa的检测极限及 24ms的响应速度。能够实现对手指弯曲、身体运动及脉搏波的检测。此外，这种基于织物的传感器可以实现个性化的图案设计，提升了美感。人的步态模式可以在一定程度上反应人体健康状况，组织是否受到损伤等， 通过设计具有足底压力传感功能的鞋垫，可以实时监测人体的运动信息和步态模式。这种智能鞋垫从嵌入的压力传感器阵列中获取步态信息，并无线传输到外部显示系统。通过与存储的参考数据比较，可以确定使用者的步态模式。
5 展望
虽然柔性压力传感器的发展历史不是很长，但是这个领域迄今已经展现出极大的活力，一大批杰出的科研工作者不断地探索传感器设计的思路和理念，并推动传感器件和传感系统的未来产业化进程。
几十年前，硅材料让半导体技术得以蓬勃发展，促进了信息产业的腾飞。如今柔性电子材料正把我们逐渐推向柔性电子时代。
近些年来，新材料的使用为柔性压力传感器的未来描绘了一幅更广阔的蓝图。例如应用含有动态可逆键的材料可以实现断裂处的多次愈合，相比于添加愈合剂和催化剂的方式更具有优势。这让压力传感器的使用寿命和性能的稳定性大大提升。某些材料具有良好的生物兼容性并且可在生物体内降解， 促进了柔性压力传感器向人体内部植入的研究。例如鲍哲南团队用聚癸二酸丙三醇酯作为介电层， 金属镁作为电极制备电容式传感器， 可以在人体内降解，可有效减少手术的次数。Li等在聚 L-丙交酯-乙交酯（poly（L-lactide-co-glycolide），PLGA）薄膜中掺杂金纳米棒，使降解过程变得可以调控，材料暴露在近红外辐射下即可开始降解; 除此以外，一些在压力变化下呈现不同颜色的高分子，能更直观地反应压力的大小，让数据的显示方式从图表化变为色彩化。例如 Chou等受到变色龙的启发，将电致变色高分子应用于柔性压力传感器，仅通过视觉就能感知到压力的变化;柔性压力传感器还向着自驱动的方向在不断发展，这得益于摩擦电材料和压电材料的应用;水凝胶和离子凝胶近些年的研究热度不断升高，以离子作为传输电信号的介质将突破传统的电子传导信号的模式，并实现器件和人体或其他生命更友好的相容。
未来，柔性压力传感器将在人工智能、健康监测、人机交互、物联网等应用上拥有巨大的潜力。然而，目前柔性压力传感器的发展依然面临着许多问题。如在人体表皮电子或者体内植入电子方面， 电子器件如何进一步提高和人体的生物相容性，如何具有更好的透气性、亲肤性，以及自愈合能力; 在机器人的应用上，如何进行大面积传感器阵列的低成本制备，减少信号串扰，提高空间分辨率和压力分辨率; 在假肢的应用上，如何将电子器件与人体神经接口相连，向使用者传输来自环境的刺激信号等。此外，如何让传感器在不同压力下对力的响应具有更好的线性度;压力分辨率、空间分辨率、压力响应范围如何进一步提升; 各种性能之间如何更好地协调等都是需要关注的问题。
本文来源：智能传感器专委会
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