柔性力敏传感器研究与应用分析

柔性力敏传感器研究与应用分析

作者：倪永康刘启发

来源：《中国新通信》 2020年第17期

倪永康刘启发南京邮电大学通信与信息工程学院

【摘要】柔性力敏传感器相比传统硬件式传感器，具有灵活小巧和方便贴敷的特点，在智能化设备制造、医疗保障等领域，柔性传感器起到了十分重要的作用。本文主要介绍了柔性传感器的原理、背景和发展。

【关键词】柔性压力传感器碳纳米材料微纳结构

一、绪论

1.1研究意义和背景

近年来，随着医学测量、电子皮肤、生物力学等领域的进一步发展，柔性力敏型传感器的研究需求逐渐提高。

电子皮肤是指保鲜膜一样柔软轻薄，并具有一定弹性的电子器件。皮肤是人体面积最大的感知器官，为个体提供环境中的信息。通过手接触可以感知物体的软硬程度，这是因为皮肤内的生理压力传感器，能够通过与物体的接触来反馈信息。电子皮肤的研究方向，是需要像人体皮肤带有柔韧性和感知能力，而且兼容人的生理情况。

目前医院内普遍使用的检测设备是通过检测人体各部位的生物电信号，进行病情诊断，比如通过绘制心电图、脑电图等。柔性传感器的出现和使用使得医疗诊断有了全新的解决方案，并且正逐步被应用到健康检测设备中。

生活中孩子和老人的生理状况是人们日常所关心的。2018年，有研究团队展示了基于石墨烯的可穿戴式皮肤传感器，调整传感器的基板刚度，可以检测不同年龄、锻炼前后的微小脉搏信号变化[1]。柔性传感器一定程度上可以帮助人们了解他们的生理数据，保证老人和孩子的健康。

1.2柔性力传感器的分类

根据传感器机理不同，柔性力传感器可以分为电容式、电阻式、电压式和场效应管四大类

（1）电容式压力传感器

典型的电容式传感器是由两个平行电极和介电层组合，形成传统的平行板电容。通过利用电介质的电容易受外界压力影响的特性，将变化的电容值转换为易被检测的电信号。

这类传感器的优点在于成本低廉、构造简单、动态响应和灵敏度高以及恶劣环境条件下有较强适应性。在医疗检测领域里，其高压敏特性和快速响应，使得能够高保真度测量人体桡动脉的波。

（2）电阻式压力传感器

电阻式压力传感器主要通过电阻率来检测压力。电阻率由柔性衬底和导电传感材料控制，

进而实现压阻效应。低工耗、制作方法和结构简单等优点，使得电阻型传感器成为便携式电子

系统的理想选择。但大多数的压阻式传感器采用平面结构的复合弹性体，在低压区传感效果差。

2015年清华大学田禾利用石墨烯单原子层结构的高灵敏度特性，制作了基于激光直写的石

墨烯压力传感器[2]，压力小于50时灵敏度高达0.96，实现了电阻式压力传感器压力范围和灵

敏度的平衡，传感器上下两层石墨烯微米条带以二维方向组合。

（3）场效应管

基于场效应管的传感器主要通过栅、源和漏三极的压敏电阻，或压敏电容进行传感。有机

场效应晶体管具有良好的灵活性，且制作成本极低，可以制作大面积传感矩阵，以此扩大压力

检测范围。但有机半导体的毒性和高栅极工作电压限制了其在人体皮肤接触领域中的推广。

（4）压电式压力传感器

压电型传感器是利用压电材料的特性，外部压力使传感器发生形变，电偶极子发生重定向

产生极化，产生的电荷与外部压力成比例，因此借助电信号输出体现压力的变化。由于压电效

应的瞬时性，一旦传感材料受到外部压力，会迅速产生反应，因此压电式传感器具有极低的响

应时间和高灵敏度。

1.3应用领域

（1）电子仿生皮肤

电子皮肤随着近几年人工智能领域的快速发展而不断被提到。这是一种新型仿真皮肤的柔

性传感器，用电子装置仿生人类皮肤对体感信号的感知，让它具有人类皮肤的特点和功能。通

过电子皮肤收集外界传来的刺激，例如压力、温度、张力等环境参数，然后将这些外界刺激转

换成电信号。电子皮肤另一个设计概念，是为了能实现让电子皮肤在恶劣环境中正常工作，受

到损伤也能够及时修复。电子皮肤目前已经应用在材料医学领域，对残疾人士和皮肤方面受损

的患者是一种福音。

（2）智能服装

由特殊材料与纺织方式制成的智能服饰，为了在保障穿着舒适度的前提下，通过内含微型

的柔性传感器，向穿着用户提供数字化分析与反馈。OMbra生产的智能bra能够采集、分析使

用者的运动数据，包括步数、心率等，并通过无线传输到手机APP上供用户查看。与传统服饰

不同，智能服饰在于安装了电子设备，由于服饰的固有的穿着性质，要求电子设备的微型化与

舒适化，柔性传感器的设计特点大大满足了智能服饰的特性需求。

（3）可穿戴设备

目前可穿戴设备，例如小米手环等贴近人体的智能设备正在逐渐兴起。可穿戴的智能化设

备相比于医院等专业检测机构，在普通生活情况下，能够更加便捷的为人提供生理参数、环境

参数等的检测。在地毯内设计相应的压力传感器可以检测到老人、孩子跌倒的信息，及时通知

家人与医护人员，及时解决安全问题；利用附着柔性传感器的儿童体温贴代替传统体温计，24

小时持续检测，高低温变化报警，可以实时监测婴幼儿体温。

二、柔性压力传感器研究现状与展望

柔性压力传感器的研发目的是为了在传统硬件式传感器高灵敏度检测的基础上，使其微型化、柔性化，以适应目前智能化发展的需要。为了实现理想化的柔性传感器，目前研究大体可分为两个方向，一种是导电材料和柔性材料相结合，通过制备微结构，实现不同性能和特点的传感；另一种是采用本身具有良好压阻或压电效应的材料作为基底响应材料，例如（聚偏氟乙烯）、（钛酸铅）。

2.1纳米材料微结构化

2010年，鲍哲南团队开发的一种微结构压力传感器[3]，通过蚀刻工艺在硅晶片上形成金字塔形的图形模具，从而使传感器在低压小于0.2kPa的区域内具有0.55kPa-1左右的卓越灵敏度，相比同样区域内的非结构化胶片的灵敏度高出30倍。因为微型金字塔在受到挤压形变时，介质层的空气被排除，介电常数增加，总体灵敏度得到提高，但从形变恢复原始形态的需要较长的响应时间，存在一定回滞。

与利用高精尖设备不同的是，有些研究人员从纸笔印刷技术中得到启发，将由石墨为芯组成的铅笔在平面上涂拉的过程中，使石墨沉淀在表面[4]，这种传感器的制作简单方便，主体是基于石墨和印刷纸张，可拆卸、坚固、环保和经济。原型设备可以监测微应变结构变化，适合于多功能智能房间系统的机器关节和门的状态变化。

2.2基底响应材料特性优化

基底材料的特性主要是由其结构特性所决定的，通过一定技术手段，改变响应材料的构造可以提高传感器的灵敏度。2018年，太原理工大学杜青利用PDMS薄膜溶解Nacl颗粒产生微型孔洞，其作为绝缘介电层而制备的电容式柔性压力传感器一定程度上提高了灵敏度[5]。使在小范围内灵敏度高达0.76 kPa-1，响应速度也能够基本满足信息感知传输的时间要求。

随着生活的质量不断提高，基于传感器的智能产品，能够快速、高效的感知周围环境参数变化，逐渐将智能的概念付诸实现。研究人员研发出了许多灵敏度极高、重复性好的柔性传感器，在多个领域拥有广阔的发展前景。但是因为柔性压力传感器目前仅存在于各大高端实验室内，其制作成本高昂、工艺技术苛刻等原因，距离商业化还有很长一段距离。

三、总结

本文总体阐述了柔性传感器的大致发展情况和应用，柔性压力传感器是一个快速发展的新兴行业，在智能化发展的社会拥有良好前景，由于其研究方向与自身特性，需要不断的创新和实验来支撑研究的进步，完善对各种参数的提升。

参考文献

[1]Yuanming Wang,Yang Wang,Ya Yang. Graphene–Polymer Nanocomposite-Based Redox-Induced Electricity for Flexible Self-Powered Strain Sensors[J]. Advanced Energy Materials,2018,8(22).

[2]田禾. 基于石墨烯的新型微纳电子器件研究[D].清华大学,2015.

[3]Stefan C. B. Mannsfeld,Benjamin C-K. Tee,Randall M. Stoltenberg,Christopher V. H-H. Chen,Soumendra Barman,Beinn V. O. Muir,Anatoliy N. Sokolov,Colin

Reese,Zhenan Bao. Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers[J]. Nature Materials,2010,9(10).