柔性可穿戴电子传感器前景广阔
近年来，随着移动互联网和智能终端的快速发展，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。作为核心部件之一的柔性可穿戴电子传感器，以其装置的宽量程灵敏度、响应时间、便携性、使用舒适性和多功能集成等特点已经成为人们关注的热点，激发了国内外研究人员对柔性可穿戴电子传感器的研究和开发。
一、中科院兰州化学物理研究所Adv. Funct. Mater.：基于平面型微型超级电容器的芯片式纸基集成器件
平面型微型超级电容器（MSC）作为一种新型的微型电化学储能器件，与传统的夹层式固态超级电容器相比，其突出优点是能够容易地与传感器及其它电子器件进行有效的集成。而柔性传感器由于能被穿戴或者植入人体并能够检测周围环境信息而在医疗健康领域引起了广泛的关注。然而，作为用电器件，传感器自身并不能独立工作，而需要电源为其进行供电。一般的方法是将传感器与电源通过外接导线连接，但这在柔性可穿戴技术中会引起极大的不便。所以当前的一项挑战是如何将柔性电源与传感器集成到同一芯片？研究者们在该领域做了许多优异的工作，但仍有很多难题等待人们去挑战。
纸质材料的成本低且是一种即用即弃材料，更为重要的是由于纸具有多孔和粗糙的纤维结构从而可以增强其与电子器件的结合力。遗憾的是，由于纤维素孔隙引起的毛细作用使得通过印刷技术印刷的墨水材料会在纸基表面扩散，导致图案质量差。研究者们在该领域做了许多优异的工作，但仍有很多难题等待人们去挑战。来自中国科学院兰州化学物理研究所清洁能源化学与材料实验室的阎兴斌研究员（通讯作者）等通过丝网印刷技术在滤纸表面形成了金属Ni叉指化集流体，并结合后续的电镀技术增强了集流体的导电性，同时抑制了金属Ni在纸基表面的扩散，形成了分辨率较高的图案化集流体。在Ni表面通过电化学沉积MnO2或者聚吡咯（PPy）活性材料，并滴凃凝胶电解质，构筑了基于MnO2的对称性超级电容器以及基于MnO2和PPy的非对称超级电容器。经过测试其电化学性能和耐机械形变性能，显示纸基超级电容器具有较好的电化学特性和很强的耐机械形变特性（弯折1万次后容量几乎没有变化）。其能量密度和功率密度皆位于同类型超级电容器的前列。基于在纸面印刷的金属集成电路，研究者们将MSCs和紫外传感器或者气体传感器集成到了同一单片纸上，集成器件显示了良好的传感特性和自供电特性。
图1 纸基平面型对称超级电容器（SMCS）的制备
a) 纸基对称超级电容器的制备示意图.
b) 纸表面通过丝网印刷技术制备的金属Ni集流体数码照片
c) Ni/Paper 随着弯曲次数的电阻变化规律; 插图展示了一次弯曲循环过程中的电阻变化规律
d) Ni集流体表面经电化学沉积MnO2后的数码照片
e) 沉积MnO2后展示叉指电极的光学照片
f) 沉积MnO2后叉指极的低倍和高倍SEM照片
图2 纸基对称超级电容器的电化学性能和耐机械形变性能
a) SMSC在不同扫速下的CV特性
b) SMSC在不同扫描速率下的面积比容量
c) SMSC在扫速为800 mV s−1 时的循环寿命; 插图为循环 1圈、100圈、30000圈和 60000圈后的CV曲线
d) SMSC 在不同弯曲状态下的数码照片, r = ∞和θ = 0°、r = 8.2 mm和θ = 85°、r= 6.3 mm和θ = 103°、r = 4.4 mm和θ = 134°、r = 3.3 mm和θ = 160°、r = 2.7 mm和θ = 180°以及r = 0.2 mm和θ = 134°
e) SMSC在不同弯曲状态下的CV特性
f) SMSC持续地弯曲10圈的过程中CV曲线的变化
g) SMSC弯曲10000次的过程中电容的变化情况; 插图展示了器件弯曲1次、1000次、和5000次后的CV曲线
图3 纸基非对称超级电容器（AMSC）的制备及其电化学性能
a) AMSC的制备示意图
b) 在扫速为30 mV s−1时，MnO2/Ni/CP和PPy/Ni/CP电极的CV曲线
c) AMSC在不同扫速下的CV曲线
d) AMSC的面积容量随着放电电流密度的变化情况
e) 与其他文献中报道过的超级电容器的比较图
f, g) 分别是AMSCs 并联f)和串联g)后的恒电流充放电曲线
图4 AMSCs和UV传感器在单一纸片上的集成
a) 电路集成示意图
b) 用于UV传感器的ZnO 纳米线的SEM照片
c) 纸基集成器件展示柔性的数码照片
d) 纸基集成器件贴于手背的数码照片
e) 串联AMSC的自放电曲线
f, g) UV传感器分别被串联的AMSC和外电源提供1.0 V电压驱动时的光电流与时间响应曲线
图5 可持续自供电的集成器件
a) AMSCs桥接太阳能电池和气体传感器的示意图
b) 用于气体传感器的PANI 纳米棒的SEM照片
c) 利用太阳能电池给串联AMSC充电的充电曲线和串联AMSC在电流密度为1 mA cm−2下的放电曲线
d) 当交替充入NH3和HCl时集成器件中气体传感器的响应和恢复曲线
二、美国哈佛大学维斯生物启发工程研究所和约翰·保尔森工程和应用科学学院的研究团队创造出一种高度灵敏的柔性电容传感器
近日，美国哈佛大学Conor J. Walsh课题组制备出一种高度灵敏的柔性电容传感器，发表在Advanced Materials Technologies的“Batch Fabrication of Customizable Silicone-Textile Composite Capacitive Strain Sensors for Human Motion Tracking”的文章。该研究团队将导电针织物与硅胶结合在一起，以基于批量层的生产方法制造我们的传感器。将硅氧烷膜作为电介质层浇铸固化。然后通过施加较薄的硅树脂铸件将导电织物粘附到每个表面上，通过辊施加压力将织物施加在表面上产生了完整的传感器片，然后可以使用激光精确地切割任意形状的传感器。另一个优点是从相同的片材切割出的相同的传感器可以具有一致的基线电容值。激光切割工艺还在导电织物边缘处引导纤维，防止电极短路。
图1 导电编织织物和硅氧烷弹性体的电介质层构造电极可扩展的批量制造工艺
（a）复合纺织硅胶传感器的制造工艺示意图：（i）介电硅胶铸造。（ii）通过有机硅弹性体铸造粘合织物电极。（iii）放置磁带屏蔽和激光切割传感器。（iv）使用即时粘合剂和热膜在同轴电缆和织物电极之间创建永久电连接。（v）传感器和材料层的3D图示。
（b）通过激光切割对传感器进行任意整形的示意图；
（c，d）传感器的照片，说明在≈0和100％应变下应用拉伸；
图2 电容式传感器的力学，电学性能表征
（a）导电织物和硅树脂的面积变化的代表性草图；
（b）导电织物和硅树脂应变的函数的面积变化；
（c）导电织物和硅树脂的塑性变形百分比；
（d）电容式传感器的机电测试设置和截面图；
（e）三角循环应变时传感器电容相对变化为0.11 Hz时的100％；
（f）作为施加的应变间隔的函数的传感器的相对电容变化。
图3 电容式传感器的电化学性能测试
（a）作为施加应变的函数的20次循环的相对电容变化；
（b）相对电容变化作为25,50,75和100％应变水平的循环次数的函数；
（c）纺织硅酮复合传感器在24 mm s-1的速度下施加外部阶梯状增加应变载荷时的时间响应；
（d）频率扫描测试：传感器拉伸到10％应变时，频率从1 Hz增加到30 Hz。
图4 感应手套的性能测试
（a）感应手套的照片；
（b）电缆布线和应力消除由叠加的热敏膜提供；
（c）传感器放置和集成示意图：（i）使用硅胶粘合剂连接传感器和（ii）带有粘附热膜的传感器；
（d）手指运动时手指的电容输出。
三、加拿大不列颠哥伦比亚大学开发出一种新型柔性传感器
加拿大不列颠哥伦比亚大学开发出一种新型柔性传感器，可满足未来折叠装置对传感器的要求。这种传感器是在硅胶层之间夹上一种高导电凝胶，硅胶层可检测到不同类型的触摸，包括滑动和敲击，并且可以拉伸、折叠或弯曲。
据不列颠哥伦比亚大学研究人员介绍，目前传感器类型很多，包括感知压力的苹果手机3D touch，察觉手指悬停的三星AirView，也有可折叠、透明和拉伸的传感器，但他们的成果集多种传感器功能于一身，以凝胶和硅树脂为原材料，工艺简单、造价低廉且容易获得，易于规模化生产，每平方米成本仅数美元。其延展性强，适用于房间内壁的任何表面或可穿戴设备，亦可作为机器人的“皮肤”，使机器人检测到人类存在并且足够“柔软”，使人-机交互环境更加安全。
假设将平板电脑折叠成手机大小放进衣服口袋，或者使人造皮肤感知身体活动和生命体征，都可能通过他们这种新型、廉价传感器，理想就有望成为现实。这一研究由加拿大自然科学与工程研究理事会资助，论文发表在2017年3月的《科学进展》杂志上。
柔性可穿戴电子传感器解决了传感器的小型化 、集成化 、智能化发展问题，这些新型柔性传感器在电子皮肤 、生物医药、可穿戴电子产品和航空航天中有重要作用。
未来，随着传感器技术的发展，以及柔性基质材料的发展，将会有更多种类的柔性传感器被开发出来，应用于不同领域。
随着可穿戴电子设备的逐步完善，传感器产业将迎来一个新的成长时代，除了智能化、数字化等发展趋势外，标准化或许将成为传感器发展的标签之一。产品/技术的突破性进展，应用场景的持续深入，行业标准的陆续出台，上下游市场需求的不断提升，都推动着传感器产业日益走向成熟，这或许就是智能传感器被称为21世界极具影响力的高新技术的原因
