柔性可穿戴傳感器作為穿戴式電子系統(tǒng)的重要組成部分，在個(gè)人健康監(jiān)護(hù)、人機(jī)交互體系以及人造電子皮膚等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是當(dāng)下最前沿的研究領(lǐng)域之一。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，上海大學(xué)張建華團(tuán)隊(duì)于中國(guó)《自然雜志》發(fā)表綜述文章，概要介紹了不同類型的柔性可穿戴傳感器的研究現(xiàn)狀，同時(shí)對(duì)柔性傳感器大面積陣列制造所面臨的挑戰(zhàn)及新方法進(jìn)行了闡述和分析，最后展望了柔性傳感器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

柔性壓力/應(yīng)變傳感器

近年來(lái)，科學(xué)家們基于新型功能納米材料和微納結(jié)構(gòu)，已經(jīng)研制出多種高靈敏度、快響應(yīng)的壓力/應(yīng)變傳感器。上海大學(xué)張建華團(tuán)隊(duì)利用新型二維材料MXenes（Ti3C2）的優(yōu)良導(dǎo)電性和天然織物表面波浪形的微結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制備出一種柔性織物壓阻式壓力傳感器，如圖1（a）所示。該柔性傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快速的優(yōu)勢(shì)，可滿足人機(jī)交互界面、脈搏監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別等柔性場(chǎng)合應(yīng)用需求。

圖1 柔性織物壓阻式壓力傳感器：（a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）工作機(jī)理示意圖；（c）語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用圖

柔性溫度傳感器

溫度傳感器在監(jiān)測(cè)人體體溫和感知環(huán)境溫度方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。目前大多數(shù)柔性溫度傳感器的工作原理是基于溫度敏感材料在不同溫度下其導(dǎo)電特性的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)體溫檢測(cè)的。有研究人員提出一種以Ti3C2Tx納米顆粒-薄片復(fù)合網(wǎng)絡(luò)材料作為溫敏導(dǎo)電材料，熱膨脹系數(shù)較大的聚二甲基硅氧烷（PDMS）作為基板的Ti3C2Tx-PDMS柔性溫度傳感器。隨著溫度升高，PDMS基板發(fā)生各向同性熱膨脹，使附著在上面的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)材料產(chǎn)生更大尺寸裂紋，進(jìn)而引起器件電阻值的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)。將其擴(kuò)展為4 × 4的陣列傳感器可成功繪制出手指、水杯和紫外燈等具有溫度的物體的位置分布，表明其在近場(chǎng)物體溫度分布檢測(cè)方面的巨大潛力。

圖2 基于Ti3C2Tx/PDMS的溫度傳感器器件：（a）不同溫度下器件表面導(dǎo)電材料裂紋的尺寸變化圖；（b）溫度分布識(shí)別應(yīng)用圖

柔性濕度傳感器

與柔性溫度傳感器類似，柔性濕度傳感器的典型策略是檢測(cè)不同濕度水平下各種傳感材料的電導(dǎo)率變化。二維過(guò)渡金屬碳化物MXenes具有獨(dú)特的富羥基納米結(jié)構(gòu)，親水性佳，因而受到濕度傳感器研究人員的青睞。吉林大學(xué)研究人員提出了一種經(jīng)氫氧化鈉（NaOH）溶液處理的堿化MXenes（AMX）材料，由于堿金屬離子的插層和表面末端氧-氟的增加，AMX器件具有優(yōu)異的濕度靈敏度，如圖3所示。

圖3 基于AMX的濕度傳感器：（a）AMX表面H2O分子吸附的工作機(jī)理示意圖；（b）基于MXenes和AMX的器件對(duì)濕度的響應(yīng)對(duì)比

柔性光學(xué)傳感器

常見(jiàn)的光學(xué)傳感器是基于光電原理，因此光學(xué)傳感器也常被稱作光電探測(cè)器，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、圖像傳感、監(jiān)控、智能手機(jī)等領(lǐng)域都有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。上海大學(xué)張建華團(tuán)隊(duì)提出一種基于超小氧化鎳（NiOx）納米晶體材料的有機(jī)光電二極管（OPD），利用NiOx高的最低未占軌道能級(jí)阻斷了來(lái)自外部偏置的暗電流，使所制造的OPD暗電流降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，如圖4（b）所示。

圖4 基于NiOx的OPD：（a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）有無(wú)NiOx的兩種器件在黑暗/有光條件下的電流密度對(duì)比圖

延伸閱讀：
《可穿戴傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2022版》
《印刷和柔性傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2021版》

基于薄膜晶體管（TFT）的柔性陣列傳感器

薄膜晶體管（TFT）由于具有高密度制造、高分辨率、節(jié)能化、輕便化等特性，已成功地作為有源元件應(yīng)用于顯示領(lǐng)域。借助于TFT的信號(hào)放大功能和柔性陣列制造優(yōu)勢(shì)，將其與傳統(tǒng)柔性傳感功能單元集成起來(lái)，可提高傳感的靈敏度和維度。這種基于TFT的傳感技術(shù)為解決傳感器在柔性襯底上陣列化提供了極大的潛力和發(fā)展空間。有研究人員設(shè)計(jì)并制備了一種基于有機(jī)TFT的低功耗、高靈敏度的柔性有源壓力傳感陣列，該5 × 5有源陣列的空間分辨率為12.83 ppi，可映射出字母“E”的平面位置，可與人類的觸覺(jué)感知相媲美。

圖5 柔性有源壓力傳感陣列：（a）器件結(jié)構(gòu)示意圖；（b）字母“E”和器件對(duì)其位置映射圖

綜上所述，柔性可穿戴傳感器在康復(fù)醫(yī)療、人機(jī)交互、電子皮膚等多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，但未來(lái)仍面臨著一些困難需要克服和深入研究，包括如何實(shí)現(xiàn)柔性傳感器的多參數(shù)化并增強(qiáng)傳感器的可穿戴性。此外，現(xiàn)階段的柔性可穿戴傳感器僅能檢測(cè)外部刺激，然而人體皮膚的感知系統(tǒng)不僅能夠感知外部刺激還能儲(chǔ)存刺激、分析刺激并對(duì)刺激做出響應(yīng)。因此，如何使柔性可穿戴傳感器具有類似皮膚的感知與記憶功能從而實(shí)現(xiàn)智能感知是下階段柔性可穿戴傳感器研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

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