柔性可穿戴式压力传感设备及其医疗方向应用综述

柔性可穿戴式压力传感设备及其医疗方向应用综述

作者：薛宁

来源：《海峡科技与产业》 2018年第6期

摘要：在可穿戴设备中最常见的便是压力和触觉传感器。针对国际前沿的压力及触觉传感

器的传感原理、材料选择、制作方法、传感原理以及应用加以阐述。另外，针对柔性传感器作

者将介绍近年来在相关领域的研究积累。

关键词: 柔性传感器；可穿戴；压力传感器；柔性聚合物；MEMS

中图分类号：TN2 文献标识码：A

1 前言

近年来，随着可弯曲、可延展性和生物兼容性有机材料的探索、开发，使其在生物医学器

件领域应用越来越广泛：如柔性压力阵列鞋垫，可检测病人行走过程中的脚底压力的变化；柔

性手腕血氧传感器，可通过光学方式检测进行血饱和氧浓度分析；柔性动态压力传感器置于手腕，以实时监测心跳及脉搏信息；环状骨压力传感器；骨压、眼压等压力传感器；用于假肢触

觉感知的多通道触觉传感器等，得益于有机化学、生物材料的发展。生物兼容性传感器的柔性

基底和皮肤的机械性质如柔性度、强度、弹性的差别趋于接近，使得越来越多的可穿戴式设备

的涌现，设备的舒适度也逐渐提升。微机械电子系统（Microelectro-mechanical system, MEMS）和非传统的微加工工艺如软膜层压技术、图形转印技术、丝网印刷技术等多种技术可以

根据多种实际需求在柔性衬底上制作相关应用的用于生物医疗的微传感器。常见的压力和触觉

感知的柔性传感器原理包括：压阻感知、电容感知以及压电感知。文章将介绍相关柔性传感器

的机理，相关团队的近期研究内容，作者团队的近期研发成果以及今后该领域的研究方向。

2 压阻式柔性传感器

压阻式柔性传感器以其较为简单的“单层”敏感层和读出电路，得到广泛应用。通常压阻

式传感器有纳米导电材料或延展性较好的金属材料，其中的纳米导电材料包括纳米颗粒金，银，碳纳米管，碳黑和石墨烯等。Takei[1] 研究小组通过样品喷涂方式使碳纳米管- 银混合纳米颗粒组装成的柔性压力传感器敏感层，其结构层由柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS) 组成。电阻初始值变化率小于2%，灵敏度在8%Pa-1，在500 个弯曲周期后的伏- 安测试中，以及1000 个弯曲周期的电阻测试中，电阻仍能与保持相应初始值保持一致（图1）。

图2a 为通过图案转印方式把柔性衬底A 上的金属层转移到柔性衬底B 上作为压阻式传感

器金属层。当金属与衬底B 的结合强于与衬底B 的结合能时，即可实现金属层的转移[2]。图

2b 为金属图案转移后在衬底B 上形成的波浪电极图形；图2c 的图形为两支点式金属悬臂层；图2b、c 中金属图案配置方式可增大金属及衬底的延展度，增大传感器的静态传感范围；采用

图2b、c 两方案制作的压阻传感器具有100% 的形变传感范围。

头发的胶质纤维的生理状况受一些内在因素，如水分、维生素、蛋白质含量，和一些外在

因素，如空气污染，紫外线照射等决定。采用柔性梳子，通过测量头发对梳子的机械阻力可检

测头发纤维的损坏程度，从而间接地反映了上述内外在条件的变化。作者利用特氟龙材料（Teflon）作为基底制作二维的平面梳子（图3），并采用丝网印刷技术，在梳子每个齿上制

作基于纳米银颗粒的应力计。图3b 为系统图，其中右端的电路可同时获取8 通道的电阻值信

息，并通过蓝牙芯片上传至上位机。图3c为通道5 的标定结果。在5 号齿通道压力计的末端

施加力，电阻值和相应的最大形变被记录。经测试得到，应力计灵敏度为3%N-1。

应力计也可以采用金属沉积的方式进行制作，对于延展性较大的柔性衬底材料如创可贴、

胶布等，在进行延展的过程中，其上端沉积金属线的局部会因为延展过长进而产生微米级别的

金属线断裂，从而使电阻值急剧升高至上千倍。在某些应用中，可以合理利用这个金属线断裂

时的电阻的变化进行应力的检测。

3 电容式柔性传感器

电容式传感作为压力传感的重要原理具有高灵敏度，宽动态范围，并且输出值不随温度变

化而变化的性质。但是，器件中寄生电容的存在会使系统易于受到环境干扰。因此，在实际电

容传感器设计时，需加入电荷屏蔽层以减少环境干扰。电容式压力传感器的基本结构是金属-

介质层- 金属。在制作过程中，可以通过图形化，微加工等方式在电介质层内部制作中空方块、金字塔或三角结构而增加器件对压力的灵敏度。上层金属可以通过金属的物理气相沉积、压膜

或者图案转移的方式印在柔性衬底上。图4a 列举了传统柔性上下极板电容的制作方式。首先，为制作具有微结构层的电介质压力敏感层，在硅或一些硬性模具中，制作微结构；之后通过旋

涂或灌注的方式进行热固加工，然后在上面蒸镀、溅射或压膜一层金属层，之后上层金属和介

质层从磨具中脱离出来粘贴到下层金属及柔性衬底上（如图4b 所示）。另外，为提高信号的

输出，Mannsfeld[3]团队，制作了柔性三极管压力传感器（图4）。

Schwartz[4] 研究小组制作了多通道有机场效应管结构的柔性压力传感器；其最底层采用

了柔性聚酰亚胺薄膜。另外采用了V- 型结构的PDMS 介质层覆盖在PiI2T-Si 半导体材料层；

介质层上层为PET-ITO-PDMS 的柔性电极层；

上下层ITO 金属柔性层和V- 型结构PDMS 介质层通过热压方式成为一体（图5a 所示）。图5b-d 为不同压力下，效应管的电学性质。与电容式柔性PDMS 的压力传感器比较，有机场效应管有着非常高的敏感度8.4 kPa-1, 反应时间小于10ms，功耗小于1mW。然而，器件的工作

电压（源-漏和源- 门）高于200V，实际应用中实现困难。上述基于电容和场效应原理制作的

柔性压力传感器仅仅能够在沿传感面法向方向进行力学传感，并且上文着重介绍了通过电介质

层结构变化而提高器件敏感度的方法。在传统的多方向上的力学传感（x，y 切向方向和z 法

向方向）中，由于电解质的弹性在切向方向要远小于法相方向，因此在x，y方向的灵敏度远小于法向方向。为解决这个问题，最有效的方式是优化电极的组合方式与结构设计。据报道，手

指状的电极方式在切向方向灵敏度提高上具有一定优势。Dobrzynska[5] 研究小组等研究人员

在2013 年开发出聚亚酰胺基底的3 轴柔性电容式压力传感器（图6 所示）。如图6b 所示，

每一个压力传感单元由两组水平方向垂直的手指电极组成。当Fz 施力下，电介质层压缩，C1-

C4 四个电容值按相同比例增大，增大值正比于z 方向压力；当Fx施力下，上金属层随电介质

层沿x 方向移动，C1，C3 电容减小，C2，C4 基本保持不变；当Fy 施力下，上金属层随电介

质层沿y 方向移动，C1，C3 电容减小，C2，C4 基本保持不变。该文章中，在小于10 kPa的

力学范围内，z 方向灵敏度为0.024kPa-1，在高压强区间（20kPa-140kPa）内，z 方向灵敏

度为6.6×10-4 kPa-1。两切向方向的灵敏度为2.8×10-4 kPa-1。

实验中发现，电容传感器的上层电极板在弯曲过程中容易破裂，影响传感器寿命。为此，

悬浮上层电极板概念被提出。一个传感单元由三个电极板组成，包括下层两电极板与上层悬浮

电极板。在电容获取中，直接测量从下层两极板引出的电容值。由于下层金属在施力过程中处

于静止状态，因此该类型传感器较传统上下板电极比较寿命大大提高；即使上层悬浮电极板产

生微小破裂，输出电容值将不会受到影响。