近日，著名互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)Facebook改名為“Meta”（元），宣布全力進(jìn)軍元宇宙。

現(xiàn)在，元宇宙已經(jīng)成為一個(gè)炙手可熱的概念。要實(shí)現(xiàn)元宇宙這個(gè)想法，需要借助許多設(shè)備和內(nèi)容，像VR、AR等技術(shù)，視覺、聽覺等硬件我們大都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，然而要怎么在元宇宙里再現(xiàn)人的觸覺和味覺等感官呢？

柔性傳感器就是實(shí)現(xiàn)觸覺，制造“電子皮膚”的基石，F(xiàn)acebook一改名Meta就立馬宣布基于柔性傳感器研制“電子皮膚”，可見柔性傳感器的重要性。本文帶你看看什么是柔性傳感器，以及它的發(fā)展?jié)摿图夹g(shù)趨勢(shì)。

“柔性時(shí)代”已然來(lái)臨，成為業(yè)內(nèi)人士的共識(shí)。而作為柔性電子設(shè)備的重要組成部分，柔性傳感器正在從基礎(chǔ)研究向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。

利用柔性傳感器和導(dǎo)電體，科學(xué)家可以將外界的受力或受熱情況轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳遞給機(jī)器人的電腦進(jìn)行信號(hào)處理，這樣就可以制作成透明、柔韌、可延展、可自由彎曲折疊、可穿戴的電子皮膚，以便實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)出人體各項(xiàng)指標(biāo)。

柔性傳感器有什么特點(diǎn)?

柔性傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器，具有良好的柔韌性、延展性、甚至可自由彎曲甚至折疊，而且結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，可根據(jù)測(cè)量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對(duì)復(fù)雜被測(cè)量進(jìn)行檢測(cè)。

柔性傳感器的優(yōu)勢(shì)讓它有非常好的應(yīng)用前景，包括在醫(yī)療電子、環(huán)境監(jiān)測(cè)和可穿戴等領(lǐng)域。例如在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，科學(xué)家將制作成的柔性傳感器置于設(shè)備中，可監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)和暴雨的等級(jí)；在可穿戴方面，柔性的電子產(chǎn)品更易于測(cè)試皮膚的相關(guān)參數(shù)，因?yàn)槿说纳眢w不是平面的。

那么，對(duì)于柔性傳感器而言關(guān)鍵是什么?以現(xiàn)在被廣泛用于醫(yī)療、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域的柔性可穿戴電子傳感器為例，其信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制主要分為壓阻、電容和壓電三大部分。

壓 阻

壓阻傳感器可以將外力轉(zhuǎn)換成電阻的變化(與施加壓力的平方根成正比)，進(jìn)而可以方便地用電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)間接探測(cè)外力變化。而導(dǎo)電物質(zhì)間導(dǎo)電路徑的變化是獲得壓阻傳感信號(hào)的常見機(jī)理。由于其簡(jiǎn)單的設(shè)備和信號(hào)讀出機(jī)制，這類傳感器得到廣泛應(yīng)用。

程文龍等發(fā)展了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的高靈敏壓阻傳感器，其在彈性基底上構(gòu)筑了金納米線薄層和電極陣列。這種器件具有 13～50000 Pa寬的檢測(cè)范圍。為了增強(qiáng)靈敏性，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸力的掃描，鮑哲楠等利用具有錐狀微結(jié)構(gòu)的壓阻傳感器制備了一種可以向大腦傳遞觸覺信息的電子皮膚。

電 容

電容是衡量平行板間容納電荷能力的物理量。傳統(tǒng)的電容傳感器通過(guò)改變正對(duì)面積s和平行板間距d來(lái)探測(cè)不同的力,例如壓力，剪切力等。

電容式傳感器的主要優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)力的敏感性強(qiáng),可以實(shí)現(xiàn)低能耗檢測(cè)微小的靜態(tài)力。鮑哲楠等在彈性基底上制備了電容型透明可拉伸的碳納米管傳感器,對(duì)壓力和拉力同時(shí)有響應(yīng)。

壓 電

壓電材料是指在機(jī)械壓力下可以產(chǎn)生電荷的特殊材料。這種壓電特性是由存在的電偶極矩導(dǎo)致的。電偶極矩的獲得是靠取向的非中心對(duì)稱晶體結(jié)構(gòu)變形，或者孔中持續(xù)存在電荷的多孔駐極體。壓電系數(shù)是衡量壓電材料能量轉(zhuǎn)換效率的物理量，壓電系數(shù)越高，能量轉(zhuǎn)換的效率就越高。高靈敏，快速響應(yīng)和高壓電系數(shù)的壓電材料被廣泛應(yīng)用于將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。

柔性材料迅速發(fā)展成為催化劑

柔性傳感器為何成為趨勢(shì)，自然是隨著柔性材料的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。柔性材料是與剛性材料相對(duì)應(yīng)的概念，一般，柔性材料具有柔軟 、低模量 、易變形等屬性 目前制作柔性傳感器的材料有很多，主要是金屬材料、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料、有機(jī)材料和柔性基底。

1、柔性基底

為了滿足柔性電子器件的要求，輕薄、透明、柔性和拉伸性好、絕緣耐腐蝕等性質(zhì)成為了柔性基底的關(guān)鍵指標(biāo)。

在眾多柔性基底的選擇中，聚二甲基硅氧烷(PDMS)成為了人們的首選。它的優(yōu)勢(shì)包括方便易得、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、透明和熱穩(wěn)定性好等。尤其在紫外光下粘附區(qū)和非粘附區(qū)分明的特性使其表面可以很容易地粘附電子材料。很多柔性電子設(shè)備通過(guò)降低基底的厚度來(lái)獲得顯著的彎曲性；然而，這種方法局限于近乎平整的基底表面。相比之下,可拉伸的電子設(shè)備可以完全粘附在復(fù)雜和凹凸不平的表面上。

目前,通常有兩種策略來(lái)實(shí)現(xiàn)可穿戴傳感器的拉伸性。第一種方法是在柔性基底上直接鍵合低楊氏模量的薄導(dǎo)電材料。第二種方法是使用本身可拉伸的導(dǎo)體組裝器件。通常是由導(dǎo)電物質(zhì)混合到彈性基體中制備。

2、金屬材料

金屬材料一般為金銀銅等導(dǎo)體材料，主要用于電極和導(dǎo)線。對(duì)于現(xiàn)代印刷工藝而言，導(dǎo)電材料多選用導(dǎo)電納米油墨，包括納米顆粒和納米線等。金屬的納米粒子除了具有良好的導(dǎo)電性外，還可以燒結(jié)成薄膜或?qū)Ь€。

3、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料

以ZnO和ZnS為代表的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料由于其出色的壓電特性，在可穿戴柔性電子傳感器領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。

一種基于直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)的柔性壓力傳感器被開發(fā)出來(lái)。這種矩陣?yán)昧薢n S:Mn 顆粒的力致發(fā)光性質(zhì)。力致發(fā)光的核心是壓電效應(yīng)引發(fā)的光子發(fā)射。壓電 Zn S 的電子能帶在壓力作用下產(chǎn)生壓伏效應(yīng)而產(chǎn)生傾斜，這樣可以促進(jìn)Mn2+的激發(fā)，接下來(lái)的去激發(fā)過(guò)程發(fā)射出黃光(580nm左右)。

一種快速響應(yīng)(響應(yīng)時(shí)間小于10ms)的傳感器就是由這種力致發(fā)光轉(zhuǎn)換過(guò)程所得到，通過(guò)自上而下的光刻工藝，其空間分辨率可達(dá) 100μm。這種傳感器可以記錄單點(diǎn)滑移的動(dòng)態(tài)壓力，其可以用于辨別簽名者筆跡和通過(guò)實(shí)時(shí)獲得發(fā)射強(qiáng)度曲線來(lái)掃描二維平面壓力分布。所有的這些特點(diǎn)使得無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料成為未來(lái)快速響應(yīng)和高分辨壓力傳感器材料領(lǐng)域最有潛力的候選者之一。

4、有機(jī)材料

大規(guī)模壓力傳感器陣列對(duì)未來(lái)可穿戴傳感器的發(fā)展非常重要?；趬鹤韬碗娙菪盘?hào)機(jī)制的壓力傳感器存在信號(hào)串?dāng)_，導(dǎo)致了測(cè)量的不準(zhǔn)確，這個(gè)問題成為發(fā)展可穿戴傳感器最大的挑戰(zhàn)之一。

由于晶體管完美的信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大性能，晶體管的使用為減少信號(hào)串?dāng)_提供了可能。因此，在可穿戴傳感器和人工智能領(lǐng)域的很多研究都是圍繞如何獲得大規(guī)模柔性壓敏晶體管展開的。

典型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管是由源極、漏極、柵極、介電層和半導(dǎo)體層五部分構(gòu)成。根據(jù)多數(shù)載流子的類型可以分為p型(空穴)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和n型(電子)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

傳統(tǒng)上用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管研究的p型聚合物材料主要是噻吩類聚合物，其中最為成功的例子便是聚(3-己基噻吩)(P3HT)體系。萘四酰亞二胺(NDI)和苝四酰亞二胺(PDI)顯示了良好的n型場(chǎng)效應(yīng)性能，是研究最為廣泛的n型半導(dǎo)體材料，被廣泛應(yīng)用于小分子n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管當(dāng)中。

通常晶體管參數(shù)有載流子遷移率、運(yùn)行電壓和開/關(guān)電流比等。與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相比，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFET)具有柔性高和制備成本低的優(yōu)點(diǎn),但也有載流子遷移率低和操作電壓大的缺點(diǎn)。

5、碳材料

柔性可穿戴電子傳感器常用的碳材料有碳納米管和石墨烯等。碳納米管具有結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比表面積大、微孔大小可通過(guò)合成工藝加以控制，比表面利用率可達(dá)100%的特點(diǎn)。

石墨烯具有輕薄透明，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)。在傳感技術(shù)、移動(dòng)通訊、信息技術(shù)和電動(dòng)汽車等方面具有極其重要和廣闊的應(yīng)用前景。

在碳納米管的應(yīng)用上，利用多臂碳納米管和銀復(fù)合并通過(guò)印刷方式得到的導(dǎo)電聚合物傳感器，在140%的拉伸下，導(dǎo)電性仍然高達(dá)20S/cm。

在碳納米管和石墨烯的綜合應(yīng)用上，制備了可以高度拉伸的透明場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其結(jié)合了石墨烯/單壁碳納米管電極和具有褶皺的無(wú)機(jī)介電層單壁碳納米管網(wǎng)格通道。由于存在褶皺的氧化鋁介電層,在超過(guò)一千次20%幅度的拉伸-舒張循環(huán)下，沒有漏極電流變化，顯示出了很好的可持續(xù)性。

柔性傳感器種類繁多

柔性傳感器種類較多，分類方式也多樣化 。按照用途分類，柔性傳感器包括柔性壓力傳感器 、柔性氣體傳感器 、柔性濕度傳感器 、柔性溫度傳感器 、柔性 應(yīng)變傳感器 、柔性磁阻抗傳感器和柔性熱流量傳感器等。

按照感知機(jī)理分類，柔性傳感器包括柔性電阻式傳感器 、柔性電容式傳感器 、柔性壓磁式傳感器和柔性電感式傳感器等 。

接下來(lái)，列舉一些目前應(yīng)用較多的柔性傳感器。

柔性圖像感應(yīng)陣列

柔性電子設(shè)備的光敏性是柔性成像傳感系統(tǒng)，生物健康監(jiān)測(cè)和遙控的技術(shù)核心。設(shè)計(jì)具有新材料和結(jié)構(gòu)的柔性平臺(tái)來(lái)開發(fā)高感測(cè)性能光電探測(cè)器是十分必要的，為了實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和寬帶寬，低維度材料得到認(rèn)可，包括納米線、納米帶、2D材料和納米復(fù)合材料。這些基于納米材料的可穿戴式光電探測(cè)器在感測(cè)平臺(tái)上是可拉伸，可彎曲，重量輕和透明的，并且由于它們?cè)趯?lái)的人性化應(yīng)用中的潛在價(jià)值受到極大關(guān)注。

2017年合肥工業(yè)大學(xué)與韓國(guó)成均館大學(xué)近期組成聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)，提出了一種新的界面限域外延生長(zhǎng)方法，成功制備出高質(zhì)量大晶粒非層狀結(jié)構(gòu)硒化鎳薄膜。他們通過(guò)硒化鎳微米帶陣列的圖形化生長(zhǎng)，構(gòu)筑高性能且均勻性好的光探測(cè)器陣列，為柔性圖像傳感器的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

柔性氣體傳感器

柔性氣體傳感器在電極表面布置對(duì)氣體敏感的薄膜材料，其基底是柔性的，具備輕便、柔韌易彎曲，可大面積制作等特點(diǎn)，薄膜材料也具備更高的敏感性和相對(duì)簡(jiǎn)便的制作工藝而備受關(guān)注。這很好地滿足了特殊環(huán)境下氣體傳感器的便攜、低功耗等需求，打破了以往氣體傳感器不易攜帶、測(cè)量范圍不全面、量程小、成本高等不利因素，可對(duì)乙醇?xì)怏w進(jìn)行簡(jiǎn)單精確的檢測(cè)。

河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院苑文靜副研究員、殷福星教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種基于三維Mxene框架(3D-M)的高性能柔性VOCs（揮發(fā)性有機(jī)化合物）化學(xué)電阻型傳感器，可在室溫下檢測(cè)極寬濃度范圍的VOCs。

柔性濕度傳感器

濕度傳感器主要有電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻器特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸汽吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。濕敏電容器一般是用高分子薄膜制成，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酞亞胺、酪酸醋酸纖維等。濕度傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化。

多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的干濕球濕度計(jì)或毛發(fā)濕度計(jì)已無(wú)法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。

柔性濕度傳感器以低成本、低能耗、易于制造和易集成到智能系統(tǒng)制造等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛研究。制作該類柔性濕度傳感器的基底材料與其他柔性傳感器類似，制造濕度敏感膜的方法也有很多，包括浸涂 、旋轉(zhuǎn)涂料 、絲網(wǎng)印刷和噴墨印刷等。

柔性壓力傳感器

柔性壓力傳感器在智能服裝、智能運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人“皮膚”等方面有廣泛運(yùn)用。聚偏氟乙烯、硅橡膠、聚酞亞胺等作為其基底材料已廣泛用于柔性壓力傳感器的制作，它們有別于采用金屬應(yīng)變的測(cè)力傳感器和采用n型半導(dǎo)體芯片的擴(kuò)散型普通壓力傳感器，具有較好的柔韌性、導(dǎo)電性及壓阻特性。

2020年，復(fù)旦大學(xué)武利民教授課題組展示了一種基于Fowler-Nordheim隧穿效應(yīng)的設(shè)計(jì)思想，解決了壓力傳感器固有的靈敏度和密度等無(wú)法共存的限制性問題。該技術(shù)通過(guò)旋涂分散在聚二甲基硅氧烷中的極低含量的海膽狀空心碳球（小于1.5 wt％）來(lái)制造具有超高靈敏度和感測(cè)密度的壓力傳感器，它可以通過(guò)工業(yè)上可行且可擴(kuò)展的旋涂方法來(lái)制造，從而為實(shí)現(xiàn)超高靈敏度柔性壓力傳感器在各種表面和體內(nèi)環(huán)境中的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用提供了有效途徑。

結(jié)語(yǔ)

柔性智能傳感器的應(yīng)用前景一路向好，但是其產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程中一定將面臨很多挑戰(zhàn)。

目前，柔性傳感器許多技術(shù)仍停留在研究階段，柔性傳感器產(chǎn)業(yè)鏈整體亟待提高。就技術(shù)本身而言，傳感器本身的穩(wěn)定性、耐磨損性等還需要進(jìn)一步提高。而從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的配套來(lái)說(shuō)，柔性電路、柔性存儲(chǔ)，以及軟硬連接等環(huán)節(jié)也需要跟進(jìn)步伐。

柔性傳感器搞出來(lái)了，元宇宙的大門離我們也就不遠(yuǎn)了。