柔性压力传感器研究进展

杨海艳;李延斌;熊继军;陈晓勇;罗铭宇

【摘 要】简单介绍了柔性压力传感器的特点,着重阐述了柔性压力传感器工作原理的三种形式及常用的柔性材料,综述了其在人工电子皮肤、智能服装、可穿戴设备领域的应用,最后指出了柔性压力传感器发展过程中存在的问题并对其前景进行了展望.

【期刊名称】《应用化工》

【年(卷),期】2018(047)012

【总页数】4页(P2701-2704)

【关键词】柔性压力传感器;研究进展;应用

【作 者】杨海艳;李延斌;熊继军;陈晓勇;罗铭宇

【作者单位】中北大学 理学院,山西 太原 030051;中北大学 理学院,山西 太原 030051;中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西 太原 030051;中北大学 化学工程与技术学院,山西 太原 030051;中北大学 理学院,山西 太原 030051

【正文语种】中 文

【中图分类】TQ050.4

压力传感器是用来检测两个接触面之间表面作用力大小的电子器件[1]。随着科学技术的快速发展，人们工作的环境更加趋于复杂化和多样化，对电子器件在柔韧性、便携性、可穿戴性等方面的要求越来越高。传统的压力传感器由于大多以半导体刚性材料为主，柔韧性较差，已经很难适应下一代传感器在柔性和便捷性等方面的需求，其应用受到了限制[2]。与传统的压力传感器相比，柔性压力传感器克服了易脆的缺点，并且具有尺寸小、重量轻、功耗低、易于集成并且耐恶劣工作环境等优点，成为了许多科研工作者的研究点，并在很多领域被广泛应用，比如健康监测、电子皮肤、生物医药、可穿戴电子产品等。

目前，在新一代柔性材料和传感技术的发展前提下，适应性良好、便携性高、灵敏度精确、稳定性好、响应度高、成本低廉等逐步成为柔性压力传感器的发展潮流。但是，想要实现低成本制造分辨率高、灵敏度精确、响应迅速和可以进行复杂信号检测的柔性传感器依然是很难攻克的[3]。本文简要介绍了柔性压力传感器的特性，着重阐述了柔性压力传感器工作原理的3种形式及常用的柔性材料，主要介绍了其在人工电子皮肤、智能服装、可穿戴设备领域的应用。

1 柔性压力传感器的特点

柔性压力传感器是由柔性材料制成的传感器。柔性材料具有质地较软、易弯折、轻便等属性，所用的基础材料包括纳米线、碳纳米管、聚合物纳米纤维、金属纳米粒子、石墨烯等。除了具有刚性压力传感器的特点外，柔性压力传感器同时还具有优良的透明性、柔韧性、延展性以及可以自由弯曲甚至折叠以便于携带或者穿戴。能够快速、高效地感应到

周围环境中微弱压力的变化，解决了压力传感器柔性差、灵敏度低、稳定性弱、响应时间慢等问题，进一步拓宽传感器在环境监测、航天航空、生物医药、仿真机器人皮肤、智能纺织品等领域的应用范畴。

2 柔性压力传感器的分类及常用的柔性材料

2.1 柔性压力传感器的分类

根据传感器原理不同，可将柔性压力传感器分为电容式、电阻式以及电压式三大类[4-5]。

电容式柔性压力传感器的构想来源于平行板电容器，主要通过感知压力引起电容器的电容发生的改变来获得相应的电信号。较高的响应速度和动态范围是该类传感器的特性，尤其对力有着较强的敏感性，所以可以实现在较低能耗下，精确检测微小静态力的目的[6]。

电阻式柔性压力传感器是通过感应由外力造成的电阻变化而产生的电信号来直观读取外力变化的器件。该类传感器种类繁多，基于器件单一和信号导出机制简单的特点，成为目前运用最为广泛的一类压力传感器。电阻式压力传感器主要由柔性压阻材料组成，这种材料是通过将导电相(碳纤维、碳纳米管、炭黑、金属颗粒等)掺入到绝缘基体材料(聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、硅橡胶等)当中制成的[7-13]。这种方法制备的复合材料由于同时具备弹性和导电性，被广泛的应用于柔性压力传感器以及人工智能化领域中。

压电式柔性压力传感器是运用压电材料实现压力对电信号转换的传感器。该类传感器主要由压电敏感材料组成，压电系数越高，压电敏感材料的能量转化率越高，因此，在灵敏度精确、响应迅速的基础上，压电系数较高的压电材料被广泛应用于压电式柔性压力传感器[14]。聚偏氟乙烯(PVDF)作为常用的压电聚合物，比陶瓷具有更好的柔韧性和更低的压电应力常数(d33)，被广泛应用于柔性触摸传感器[15]。

2.2 常用的柔性材料

2.2.1 柔性基底材料 在人工智能化领域中，传统的压力传感器件通常是基于金属、半导体应变片等刚性敏感材料制作而成的，不宜弯曲，缺乏柔韧性，较难适用[16]。与之相比，柔性基底具有柔软、轻省、透明、延展性和绝缘性优良、耐腐蚀等特性，可以良好的适用于智能化领域。目前，常用的柔性基底有聚酰亚胺(PI)、聚酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯醇(PVA)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等高分子薄膜材料，其中PDMS因其稳定的化学性质、便捷的制备来源以及优良的物理性能(如透明性和热稳定性)而成为制备高分子薄膜的不二之选[17]。

2.2.2 介电材料 柔性压力传感器由上下两电极和中间的介电层组成。作为器件的介电层，介电材料在改变器件性能方面起着至关重要的作用。能量以静电的形式存储在电子设备及电力系统中较为普遍。这种形式在陶瓷介质材料尤为凸显。但是近年来由于聚合物介电材料较高的击穿强度及其优良的质地(轻便，易成型)而受到越来越多的关注。然而，聚合物介电材料的工作温度相对较低，不能适应极端环境下的工作情况，如大型机械燃油动力系统、航天领域中电力电子系统等。Li等[18]发明了一种将交联聚合物和氮化硼纳米片相结合的介电材料。氮化硼纳米片极大的提升了聚合物的热传导率，提高了材料的散热效

率，改良了材料的耐高温性能，拓宽了聚合物介电材料在各种环境下的应用范畴。

2.2.3 电极材料 柔性储能技术的迅速发展建立在可穿戴电子设备兴起的基础之上。对于柔性储能设备，柔性电极作为核心器件，其制备和组装直接决定了设备的性能水平。在器件的制备过程中，通常采用具有良好的电子输送能力、机械性能和力学性能的电极材料，如碳纤维[19]、碳纳米管和石墨烯[20]等碳材料和柔性复合材料。陈泽峰等[21]提出了一种压阻式柔性压力传感器，它是由石墨烯和压电纳米线复合而成，该系统可以用纳米线测量压力信号。在该装置中，石墨烯作为载体运输通道和PbTiO3纳米线作为压力反应的材料，该复合结构可用于恒定的测量压力信号。

3 柔性压力传感器的应用

3.1 人工电子皮肤

柔性压力传感器在人工智能方面有着广泛的应用[22-23]，而人工电子皮肤就是人工智能的重要组成部分。人工电子皮肤是基于人体皮肤的科技产物，有能力模拟人体对体感信号的感知功能。通过感知和响应外界刺激，如温度、压力、张力和振动，然后将这些体表刺激以电信号的形式传输到仿生受体的信号接收部分。这种模拟过程与人类感受外界刺激时传入到大脑中的生物信号是相似的。目前，人工电子皮肤已经被广泛地应用于假肢和皮肤类药物研制当中，为重度残疾和皮肤受损患者带来了希望，给生物医用材料作出了巨大贡献[24] 。

Lei等[25]制备了一种仿生矿物水凝胶，该智能材料具有良好的粘弹特性，在此基础

上成功研发了一种可以模拟人体皮肤感知功能的离子皮肤传感器。该传感器具有良好的延展性和自我修复性，对微小的压力变化极为敏感，在人工电子皮肤领域具有极高的应用价值。

Wang等[26]将蚕丝经过一系列处理后制备出相应的活性材料，然后在以PDMS薄膜作柔性衬底的基础上，集成一种新型柔性皮肤压力传感器。相比于传统材料的生物毒性和繁杂的制备方法，该传感器不仅在性能上远远优于传统材料，而且制作成本低廉，易工业化制备，为失去触觉的患者提供不亚于常人的感知能力指日可待。

3.2 智能服装

近年来，智能可穿戴产品愈发受到消费者的青睐，为了满足市场需求，“智能服装”应运而生。随着服装功能性和智能性的发展，棉线或化纤已经不足以作为“智能服装”中的纺丝，具有光学和电学性质的纤维状器件或电极才能满足需求。

基于目前柔性压力传感器在检测应变范围和检测灵敏度方面的巨大短板，在人体全尺度应变检测方面的应用限制，Zhang等[27]在高温条件下改性纯棉纺织品，制备出高性能的柔性应变传感器，一定程度上弥补了上述缺憾。该传感器的应变检测范围在140%以上，并且灵敏度系数分别达到24和64(在0～80%和80%～140%内)。

Chai等[28]以纤维状超级电容器和敏化太阳能电池为材料，混合编织出一种可以吸收和储存太阳能的“智能织物”。当织物处于阳光下照射时，电容器将太阳能电池模块转化后的电能储存起来，为随身携带的小型电子设备提供续航，兼顾时尚性和实用性。

3.3 可穿戴设备

可以预见的是，可穿戴的智能设备在进行生理参数检测、运动检测、动作姿态和语音识别及环境检测等方面可以发挥其难以比拟的作用。地毯内采用相应的压力传感器可及时的将老人、孩子跌倒的信息通知医护人员和家人，避免发生严重的事故[29]；利用三维微电极可以实现对人工智能设备的灵敏控制[30]；利用内附传感器的儿童体温贴可以便捷的实时监测婴幼儿体温[31]等。但是目前的情况下，以更低的成本实现此类传感器的高分辨率、高灵敏度、响应迅速和复杂信号检测，仍然面临着相当大的困难。

Hata等[32]制备了一种单壁碳纳米管薄膜，用它组装的碳纳米管传感器可以被结合到衣服中或直接附着到身体上，用于检测不同类型人体运动。该薄膜材料具有较高的耐磨性和延展性，形变可以达到280%。Koh A等[33]报道了一种体积小巧，轻巧柔软，可以紧密的与皮肤表面贴合的可穿戴传感器设备。通过多个部分对体表汗液成分的检测分析，对身体的健康状态作出相应的评估。

4 总结与展望

柔性压力传感器能够快速、高效地感应到周围环境中微弱压力的变化，解决了压力传感器柔性差、灵敏度低、稳定性弱、响应时间慢等问题，使其在健康检测、仿真皮肤、仿生医药、可穿戴智能电子产品等众多领域中的应用前景愈发广阔。柔性电子皮肤、柔性显示器、智能机器人和可折叠手机等终将由概念变成现实，逐步走向大众化。但是，柔性压力传感器在当前的工艺水平下，制备成本高昂、工作条件苛刻、工作周期短等问题，此外，柔性基板在高温条件下的工作性能仍不容乐观，存在无法削弱与薄膜材料之间的应力以及

粘附性弱等问题。因此，在设计和开发具有高性能、多功能的柔性传感材料的基础上，制备高性能柔性压力传感器的方法也亟需探索，用以提高传感器的灵敏度、稳定性、分辨率和响应时间等性能。柔性压力传感器的组装、排列、集成和封装技术仍有可观的进步空间。

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