(完整word)浅谈柔性可穿戴传感器

浅谈柔性可穿戴传感器

随着人们进一步深入信息时代,5G通讯、大数据、云计算、万物互联的物联网、工业4.0等许多高新技术、新概念纷纷被提出。随着信息时代的应用需求越来越高,随之而来的是对于各种信息的广泛需求，这就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,普通传感器已经远远不能满足需求。新材料、新工艺和开发新型传感器与其它学科的交叉整合的传感器层出不穷。随着柔性基质材料的发展，具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点的柔性传感器由于在医疗保健、健身运动、安全生产等领域的巨大潜力受到越来越大的关注。

可穿戴技术的新领域近年来发展迅速，已成为消费电子市场的重要竞争者.目前，全球可穿戴市场价值约300亿美元，估计到2023年和2026年分别增长100亿美元和150亿美元。大多数可用的可穿戴产品采用智能手表如Apple Watch和健身带的形式.可以为消费者提供有关活动、身体动作和一些消费者使用生命体征的信息。尽管取得了这些成功，但可穿戴设备在实际临床应用中的使用受到限制，主要是由于它们的准确性，有效性和可靠性有限。此外,现有设备的体积刚性和不灵活性质限制了使用的舒适性和持续时间.此外，传感器和数据处理以及分析硬件的高功耗限制了长期可操作性，并迫使开发人员牺牲精度以延长电池寿命。其他重要的限制包括用于传感器放置的有限位置，运动伪像以及处理/解释大量生成的数据.

一、柔性可穿戴传感器的材料

传统的传感器多是在刚性不可弯曲的衬底上制成的，其中具有硅衬底的传感器是最常见的传感器.尽管这些传感器具有广泛的应用领域,但有一些难以避免缺点，如刚度、不敏感、不可弯折等。而柔性可穿戴传感器则需要采用一些可弯折的柔性材料,得益于新材料、新工艺的发展,诸如可弯折的石墨烯、导电纱线或纤维纺织、有机高分子聚合物被纷纷采用。

传感器的材料取决于传感器的应用，可用性，制造总成本等因素。有机电子材料是材料方面的一个主要部门，已经大量被用于制造柔性可穿戴设备设备。用于柔性可穿戴设备的有机器件具有灵活性、体积可变、良好的稳定性、生物适应性良好等优点。这些类型的传感器已用于制造薄膜晶体管，离子泵,聚合物电极等。有机和大面积电子设备（OLAE）是使用功能性油墨开发以薄层印刷的电子器件的方法。用于这些操作的基材是主要的PET和PEN，因为它们与其它有机聚合物相比具有透明性和较低的成本。OLAE流程目前用于开发可穿戴的健康和医疗设备。PDMS、PEN、PI，P（VDF—TrFE），Parylene和Polypyrrole 的使用已经普遍用于开发柔性传感器针对不同的应用。传感器的电极部分也采用新型的导电材料，如碳基纳米材料和金属纳米颗粒。碳基纳米材料包括石墨烯，碳纳米管（CNTs)碳纤维等。在金属纳米粒子中银、金和镍是柔性可穿戴传感器中最常用的一些金属纳米材料.聚二甲基硅氧烷（PDMS），聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET)，聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN)，聚酰亚胺（PI）是通常用于开发柔性传感器的一些绝缘基板。这些聚合物材料的差异在于它们的杨氏模量，折射率等.有一些导电聚合物如聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）、聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）、聚乙炔、聚苯胺与绝缘聚合物相比，由于其较低的带隙而导电。这些聚合物主要用于开发太阳能电池、电池.在碳纳米管CNT中，使用单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管(MWCNT)在不同的传感器件也得到部分应用。制造柔性传感器的工艺有很多，其中光刻，丝网印刷，喷墨印刷，激光切割是一些常见的方法。根据柔性传感器的的尺寸来确定制造传感器原型的工艺。

二、感测指标类型

可穿戴柔性传感器主要应用于人体生理指标的检测，因此被广泛用于日常生活。它通过检测人的一些生理活动指标如血压、胆固醇含量、PH值等来为人的身体状况提供相应的参考建议。主要的感应类型有电化学传感、压力和应变传感、磁场传感等。

电化学传感是多年来最常见的柔性传感类型之一。灵活的传感器具有独特的化学和电子特性，是进行不同类型生化传感的最佳选择。一些常见类型的电化学传感包括监测葡萄糖，pH,胆固醇等。葡萄糖和pH传感器是由CNT开发的，因为它们的曲率侧壁和疏水性质通过π—键合提供了强烈的相互作用。一些传感器使用了逐层结构，使其具有更坚固的结构.使用两种聚合物PDDA和PET来显影基材。用作电极的SWCNT用-COOH 基团官能化以增加电极的氧化性质。与葡萄糖感测一起,这些传感器对pH值在5到9之间的pH监测提供了高灵敏度.其他类型的电化学传感代表胆固醇的监测，胆固醇是在动物的细胞膜中形成的脂质.这些类型的传感器采用SWCNT和与溶胶凝胶结合的MWCNT制造。LBL方法也被用于这些传感器的结构化，以便以紧凑的方

式集成组装不同的材料。因此，这些类型的传感器已经开发出了诸如丝网印刷，旋涂等技术，其中单独的酶如胆固醇酯酶，胆固醇氧化酶被固定在感应器上表面。

压力和应变传感器是柔性传感器最标准化的应用之一。迄今为止，已经开发了不同种类的压阻和压电传感器，以通过将它们用作绷带、手套等方式来监测各种生理参数。这些类型的传感器在应变系数（GF）和它们可以承受的拉伸和压缩应变的百分比之间变化而不会达到断裂点。一些压力传感器已被制造为电子绷带。这些压力传感器还用于触觉传感和人工智能。在实验室开发和测试的一些应变传感器提供了导电率的变化，直到300％的应变，GF为50.这些传感器基于聚氨酯纳米复合材料（TPU）和纳米复合材料纳米复合材料。原纤化纤维素(NFC）作为填料.

磁场传感器是使用具有聚合物箔的无机功能纳米膜开发的一类。形成8个传感器的线性阵列，以霍尔效应原理工作,以实现高体积灵敏度。还开发了一种可穿戴电子鼻［80]，其具有由CNT和PEN的纳米复合材料制备的传感器阵列.在聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）层的顶部用旋涂和热固化的PI层制备水凝胶系统以及电生理传感器。用电子束蒸发的Cr和Au双层形成电极。这些制造的器件与其他生物医学设备一起应用于ECG，应力 - 应变测量。有趣的是，甚至合金也被用于WFS开发生物传感器。使用诸如Sb2Te3和Bi2Te3的薄膜热电偶以及Kapton衬底来制造低功率、柔性的微热电发电机。

三、具体的实现举例

1.可穿戴的口服钠传感器

对于患有高血压和某些其他疾病的人来说，摄入过多的盐会增加血压并增加心脏并发症的可能性。为了帮助监测盐摄入量，研究人员开发了一种灵活且可伸缩的无线传感系统，旨在舒适地佩戴在口腔中,以测量人体消耗的钠量。该传感器基于超薄透气弹性膜，集成了小型化的柔性电子系统，该系统使用蓝牙技术将钠消耗量无线报告给智能手机或平板电脑。研究人员计划进一步将系统小型化，使之类似于牙科保持器,达到牙齿大小.

开发口内传感器的关键是使用网状电路连接的生物相容性和超薄部件替换传统的塑料和金属电子设备。钠传感器可以在市场上买到，但研究人员开发了一种灵活的微膜版本，可与微型混合电路集成。整个传感和电子组件均匀地整合到用户可以容忍的柔软材料上，传感器佩戴舒适，可将数据传输到智能手机或平板电脑。最终,这些信息可能会由医生或其他医疗专业人员进行远程监控.灵活的设计始于计算机建模,以优化设备的机械性能，用于弯曲和柔软的口腔。然后研究人员使用他们的模型设计实际的纳米膜电路并选择组件.

该设备可以实时监测钠摄入量,并记录每日量。使用智能手机或平板电脑应用程序，系统可以建议用户计划用餐他们已经消耗的每日盐分配量。该设备可与距离最远十米的智能手机通信。同时的设备可以应用于许多不同的目标，涉及饮食管理或治疗的饮食行为。钠传感器的后续步骤是进一步使设备小型化，并与具有医疗条件的用户一起测试：高血压，肥胖或糖尿病。研究人员希望取消小电池，现在必须每天充电以保持传感器正常运行。一种可能的选择是采用感应充电的方式给设备供电，可以采用从嘴外发射器获得电力的线圈代替电池和复杂电路

2。可穿戴设备测心率

商业上可用的可穿戴设备,例如Fitbit和Apple Watch，使用称为体积描记术的光学模式来获得心率.在这种方法中,发光二极管（LED）与皮肤紧密接触，从而照亮动脉上的光。在从组织吸收和散射光之后，通过光电二极管检测反射光。因为含氧血红蛋白具有最高的光吸收，所以在心脏收缩期间观察到最小的反射光强度。考虑到测量的反射可以通过环境光,运动和接触质量来调制，复杂的算法用于提取心率.虽然建立了用于测量重症监护病房和急诊病房心率和血氧饱和度（SpO2）的光学方法,但对于使用可穿戴设备进行长期心率监测，它会受到运动引起的准确性，接触质量和高度的挑战.能量消耗。降低LED /探测器系统长期使用功耗的最常用方法包括通过使用快速LED和在短时间内捕获数据的光电探测器来减少系统的占空比［29］，从而在两者之间进行权衡。功耗，精度和运动灵敏度.虽然目前的LED和光电探测器HR传感器刚性地封装在一起，但是有兴趣开发灵活的光学HR传感器，其可以提供更好的皮肤接触和改进的设计形式.最近报道了一种由有机发光二极管（OLED）和有机光电二极管（OPD)制成的柔性脉冲血氧计贴片。他们已经证明了这种柔性贴片的心率估计与市售脉搏血氧仪具有相似的灵敏度。

许多小组已经尝试过另一种用于心率可穿戴监测的方法是心电图（ECG）。虽然心脏病学的黄金标准是使用12导联心电图，但是一个心电图导联可以提供心率，并且可以用于检测一些心脏病状况,例如心律失常.实施ECG监测的方法是在胸前设置两个电极，以获得导联I ECG。虽然常规电极通常是刚性Ag / AgCl，并且为了改善接触，应用凝胶，但是开发柔性和干燥电极是有意义的。一种方式是将小电容电极与必要的信号