柔性力學(xué)傳感器技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

于海超，咸婉婷，徐 冬，王洋洋

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，哈爾濱 150001)

0 引言

自20世紀(jì)60年代MIT(麻省理工)的媒體實(shí)驗(yàn)室首次提出“柔性”的概念后，電子技術(shù)開始逐步進(jìn)入“柔性時(shí)代”。近幾年來，人工智能領(lǐng)域的快速發(fā)展推進(jìn)智能設(shè)備普及化，需求牽引助力了全球柔性電子技術(shù)的迅猛發(fā)展。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2028年，全球的柔性電子產(chǎn)業(yè)規(guī)模將會達(dá)到3 101億美元[1]。柔性傳感器作為柔性電子技術(shù)中的重要組成部分也將趁勢而起，會成為當(dāng)今世界最具發(fā)展前景的電子領(lǐng)域核心基礎(chǔ)技術(shù)之一。

柔性力學(xué)傳感器具有隨形性、柔韌性和延展性等特點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的剛性傳感器具有更廣闊的應(yīng)用空間與更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，尤其在生物、醫(yī)療、機(jī)器人、智能制造、環(huán)境監(jiān)測等方面的應(yīng)用潛力巨大，因此吸引世界各大先進(jìn)研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)不斷在該領(lǐng)域投入大量的資金和人力[2]。我國目前對柔性力學(xué)傳感器的研究還處在初期階段，對關(guān)鍵敏感材料與感知機(jī)理還需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)研究與工藝摸索。本研究根據(jù)信號轉(zhuǎn)換方式的不同對柔性力學(xué)傳感器進(jìn)行了分類概述，詳細(xì)介紹了每類傳感器的最新研究進(jìn)展，最后展望了柔性傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 柔性力學(xué)傳感器概述

柔性力學(xué)傳感器技術(shù)研究和解決的主要問題是如何將外界形變的刺激信號有效轉(zhuǎn)換為電信號。目前，發(fā)達(dá)國家研究出了多種形態(tài)和原理的柔性傳感器，部分先進(jìn)的研究成果如圖1所示。

圖1 柔性力學(xué)傳感器研究成果Fig.1 Research results of flexible mechanical sensors

常規(guī)的柔性力學(xué)傳感器根據(jù)其信號轉(zhuǎn)換方式的不同主要分為壓阻式、壓電式、電容式三種類型[3]。圖2即為三種傳感器的信號轉(zhuǎn)換機(jī)制示意圖。

圖2 柔性力學(xué)傳感器常見測量原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of common measurement principles of flexible mechanical sensors

除此之外，部分新成果，包括光學(xué)效應(yīng)、電磁效應(yīng)等信號轉(zhuǎn)換機(jī)制的柔性力學(xué)傳感器，近年來也受到了高度關(guān)注。

2 常規(guī)柔性力學(xué)傳感器

2.1 壓阻式

壓阻式力學(xué)傳感器的基本原理是功能層的壓阻效應(yīng)，能將外界刺激信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚档淖兓ㄟ^阻值測量，實(shí)現(xiàn)力學(xué)信號采集。柔性壓阻式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低以及檢測范圍廣等優(yōu)勢，吸引了大批科研工作者進(jìn)行深入研究。

2019年，南京工業(yè)大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)合作，以簡便、綠色環(huán)保的方法開發(fā)了一種全紙基柔性壓阻式壓力傳感器。該傳感器將銀納米線涂在薄紙上，在納米纖維紙上印制電極。封裝后的傳感器在0.03～30.2 KPa范圍內(nèi)顯示出1.5 KPa-1的靈敏度，彎曲后仍能保持優(yōu)異的性能[4]。目前，此傳感器已經(jīng)成功安裝在人體皮膚上，監(jiān)測身體健康狀況。

MXenes是一種類石墨烯的新型層狀二維晶體材料，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和機(jī)械柔性，也是柔性電阻式傳感器的熱門材料之一[5]。Yang等[6]構(gòu)建了一個(gè)獨(dú)特的Ti3C2Tx納米片---納米顆粒雜交網(wǎng)絡(luò)，其中納米顆粒的遷移使電阻發(fā)生了較大變化，而納米片與納米顆粒之間形成的橋梁即使在較大的應(yīng)變區(qū)內(nèi)仍能維持導(dǎo)電通路的連通性。該傳感器在全量程范圍內(nèi)的GF>178.4，循環(huán)5 000次以上仍能保持良好的穩(wěn)定性。Ma等借助選擇性蝕刻技術(shù)制備出MXenes材料(Ti3C2)，其研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加壓力時(shí)，MXenes層間距變小，相應(yīng)的導(dǎo)通電路和電流增加，使電阻減小，當(dāng)完全撤去外力后，MXenes可恢復(fù)至最原始狀態(tài)。將此MXenes材料與聚酰亞胺叉指電極結(jié)合后，制備了一種層間距可調(diào)的MXenes基高靈敏柔性壓阻傳感器，其靈敏度高(GF：180.1)，響應(yīng)時(shí)間<30 ms，循環(huán)穩(wěn)定性極好[7]。

圖3 (a)MXene基壓阻傳感器機(jī)理示意圖 (b)等效電路圖[8]Fig.3 (a)Schematic diagram of MXene-based piezoresistive sensor (b)Equivalent circuit diagram[8]

2.2 壓電式

壓電式柔性力學(xué)傳感器的力學(xué)感知原理是利用具有正逆壓電效應(yīng)的材料受力產(chǎn)生電荷來進(jìn)行力學(xué)感知，受到外力作用發(fā)生形變導(dǎo)致其內(nèi)部電荷定向分布，產(chǎn)生極化，在材料的兩個(gè)相對界面出現(xiàn)電壓[8]。柔性壓電傳感器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于電子皮膚、智能服裝、醫(yī)學(xué)探測等領(lǐng)域。

Wang等[9]利用柔性的ZnO納米棒陣列和錫化銦(InSe)場效應(yīng)晶體管組成壓電式傳感器。ZnO納米棒陣列將應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴弘婋妷海a化銦(InSe)場效應(yīng)晶體管則有較高的場效應(yīng)遷移率，可有效放大壓電電壓，從而保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，這種傳感器可以感應(yīng)到0.1 g的最低負(fù)載，對應(yīng)的壓電電壓為0.2 mV。2019年，加州大學(xué)伯克利分校的林立偉教授團(tuán)隊(duì)成功研制出一種可用于人機(jī)交互界面的柔性薄膜壓電駐極體驅(qū)動(dòng)器/傳感器。該柔性敏感膜厚度不足200 μm，壓電系數(shù)約4 000 pC/N，在傳感器模式下壓力檢測極限為1.84 Pa，6 000次循環(huán)周期后輸出信號變化值<1%，在驅(qū)動(dòng)器模式下可產(chǎn)生超過20 mN的驅(qū)動(dòng)力，類似于手機(jī)振動(dòng)模式，很容易被人體皮膚感知[10]。此研究的優(yōu)勢在于用較小的器件厚度實(shí)現(xiàn)較大的電荷儲能。

2020年初，法國國家環(huán)保局柔性電子部Bastien Marchiori等人在聚二甲基硅氧烷基片上實(shí)現(xiàn)了一種可拉伸溫度紅外傳感器。該傳感器以聚偏氟乙烯三氟乙烯(PVDF-TrFE)為熱電材料，這種材料夾在兩個(gè)電極之間，第一種是由金覆蓋的鋁蛇紋石，以獲得電接觸和最大延展性。第二種是基于聚(3，4-乙二氧噻吩)—聚(苯乙烯-磺酸鹽)(PEDOT：PSS)，其與PVDF-TrFe具有良好的電相容性，并提供頂部電極的拉伸性，在不極化PVDF-TrFE的情況下，可達(dá)到35%的應(yīng)變，并且其性能沒有任何變化[11]。

圖4 (a)PVDF-TrFE傳感器三維示意圖 (b)橫斷面圖Fig.4 (a)Three-dimensional schematic diagram of PVDF-TrFE sensor (b) Cross-sectional view

2.3 電容式

電容原理的傳感器具有高靈敏度、低延遲、快速響應(yīng)和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于電子皮膚、智能機(jī)器人、可穿戴設(shè)備與其他電子產(chǎn)品領(lǐng)域[12]。電容式柔性力學(xué)傳感器的基本原理是利用外界刺激信號使電容器的極板間距[13]、正對面積或介電層的復(fù)合介電值[14]發(fā)生改變，使測量信號轉(zhuǎn)換為與之有一定關(guān)系的電信號。

南洋理工大學(xué)的Edwin Hang Tong Teo教授利用多層六邊形氮化硼泡沫(h-BNFs)的三維互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為支撐框架，制備出密度低至15 mg cm-3且介電常數(shù)接近空氣的輕質(zhì)多孔BNF/PDMS復(fù)合泡沫，這是目前為止最輕的PDMS泡沫，它具有出色的機(jī)械回彈性和高達(dá)95%的壓縮性，進(jìn)行折疊、扭曲后釋放能夠恢復(fù)至原始狀態(tài)，并且沒有任何損壞。將其應(yīng)用到非接觸式觸覺傳感器時(shí)，其電容隨著物體靠近而顯著變化，而且變化幅度與物體尺寸有關(guān)。研究人員以花瓣為例將其放在電容傳感器上，可顯示0.58 Pa的負(fù)壓，其△C/C0能達(dá)到0.21%[15]。這種輕質(zhì)復(fù)合泡沫將會推動(dòng)電容式傳感器向多功能、高靈敏的方向發(fā)展。

圖5 BNF/PDMS的多種形變圖Fig.5 BNF / PDMS various deformation diagrams

Kou等[16]采用圖案化的石墨烯/聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料作為介電層，以空腔連續(xù)起皺的連續(xù)Au圖案作為電極和天線，組裝成了柔性電容式傳感器。傳感器在循環(huán)壓力下測試的穩(wěn)定性和耐久性突出，響應(yīng)時(shí)間快，可檢測微小的壓力。除此之外，該傳感器對手部彎曲和面部肌肉運(yùn)動(dòng)非常敏感，在未來的仿生電子皮膚、智能機(jī)器人等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。Xiong等[17]基于凸微陣列和超薄介電層柔性電極制備了高靈敏的柔性電容式壓力傳感器。此傳感器由一個(gè)微陣列Au電極、中間超薄的PVDF介電層和底部微陣列Au電極組成，其靈敏度可達(dá)到30.2 KPa-1(0～130 Pa)，響應(yīng)時(shí)間為25 ms，檢出限低至0.7 Pa，循環(huán)100 000個(gè)周期后仍能保持極高穩(wěn)定性。經(jīng)有限元分析表明，該電容式傳感器的綜合優(yōu)異性能在監(jiān)測生理信號的機(jī)器人抓取動(dòng)作方面潛力巨大。

3 其他新型柔性力學(xué)傳感器

近幾年，也有一些新型柔性傳感器如雨后春筍一般涌現(xiàn)出來。目前，大多數(shù)高性能的柔性觸覺傳感器都是依賴于電子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)信號傳遞，而清華大學(xué)的劉鍇副教授提出了一種基于非對稱離子電荷注入式超敏水凝膠柔性觸覺傳感器，只需要幾十毫伏的工作電壓就能實(shí)現(xiàn)0.075 Pa的極限檢出能力，具有超高的靈敏度，可達(dá)57～171 KPa-1，而且進(jìn)行多次沖壓循環(huán)后仍能保持良好的穩(wěn)定性[18]。該傳感器可以應(yīng)用在生物識別、水聲檢測等方面。而離子型檢測技術(shù)和離子電荷注入技術(shù)的優(yōu)勢，也為開發(fā)新式高靈敏柔性觸覺傳感器提供了新的方向。硅質(zhì)光纖傳感器具有體積小、不受電磁場影響的特性，也是最近幾年比較新穎的柔性傳感器之一。Li等[19]設(shè)計(jì)了一種由嵌入在聚二甲基硅氧烷膜中的混合等離子體微光纖結(jié)形諧振的可穿戴傳感器，能夠抵抗強(qiáng)磁場干擾，在未來的軍事戰(zhàn)場、航空航天等特殊領(lǐng)域中具有顯著優(yōu)勢。

4 結(jié)論與展望

本研究介紹了柔性力學(xué)傳感技術(shù)常用的幾種材料體系以及其在柔性傳感器領(lǐng)域所取得的最新研究進(jìn)展。隨著制備技術(shù)和加工手段的創(chuàng)新以及新機(jī)理的提出，未來的柔性材料在種類和質(zhì)量上都將會取得質(zhì)的飛躍。現(xiàn)階段的柔性傳感器技術(shù)也取得了長足進(jìn)步，本研究中介紹的壓阻式、壓電式、電容式等柔性傳感器不僅具有高靈敏度、快速響應(yīng)等優(yōu)勢，還能保持循環(huán)穩(wěn)定性，將逐步在電子皮膚、智能機(jī)器人、人機(jī)交互、醫(yī)療健康監(jiān)測等應(yīng)用領(lǐng)域推出更為成熟的產(chǎn)品。未來的柔性傳感器對技術(shù)指標(biāo)、功能以及能耗的要求將會更高，研制出智能化、多功能集成化和零功耗的柔性傳感器將會是今后的研究目標(biāo)與趨勢。

高靈敏度、陣列化的柔性力學(xué)傳感器對先進(jìn)算法的依賴性較強(qiáng)。人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)與海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)步將帶動(dòng)傳感器向敏感單元集成化、組合方

式陣列化、數(shù)據(jù)采集規(guī)模化的方向發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)單一敏感單元無法實(shí)現(xiàn)的功能與性能。以目前發(fā)展趨勢預(yù)測，新型柔性傳感技術(shù)將逐步顛覆傳統(tǒng)傳感技術(shù)，頂層需求牽引不斷推進(jìn)電子領(lǐng)域物化出新的產(chǎn)品形態(tài)，會引領(lǐng)世界電子技術(shù)全面進(jìn)入“柔性時(shí)代”，未來可期。