近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和智能終端的快速發(fā)展，可穿戴電子設備呈現(xiàn)出巨大的市場前景。作為核心部件之一的柔性可穿戴電子傳感器，以其裝置的寬量程靈敏度、響應時間、便攜性、使用舒適性和多功能集成等特點已經(jīng)成為人們關注的熱點，激發(fā)了國內(nèi)外研究人員對柔性可穿戴電子傳感器的研究和開發(fā)。

一、中科院蘭州化學物理研究所Adv. Funct. Mater.：基于平面型微型超級電容器的芯片式紙基集成器件

平面型微型超級電容器（MSC）作為一種新型的微型電化學儲能器件，與傳統(tǒng)的夾層式固態(tài)超級電容器相比，其突出優(yōu)點是能夠容易地與傳感器及其它電子器件進行有效的集成。而柔性傳感器由于能被穿戴或者植入人體并能夠檢測周圍環(huán)境信息而在醫(yī)療健康領域引起了廣泛的關注。然而，作為用電器件，傳感器自身并不能獨立工作，而需要電源為其進行供電。一般的方法是將傳感器與電源通過外接導線連接，但這在柔性可穿戴技術中會引起極大的不便。所以當前的一項挑戰(zhàn)是如何將柔性電源與傳感器集成到同一芯片？研究者們在該領域做了許多優(yōu)異的工作，但仍有很多難題等待人們?nèi)ヌ魬?zhàn)。

紙質材料的成本低且是一種即用即棄材料，更為重要的是由于紙具有多孔和粗糙的纖維結構從而可以增強其與電子器件的結合力。遺憾的是，由于纖維素孔隙引起的毛細作用使得通過印刷技術印刷的墨水材料會在紙基表面擴散，導致圖案質量差。研究者們在該領域做了許多優(yōu)異的工作，但仍有很多難題等待人們?nèi)ヌ魬?zhàn)。來自中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室的閻興斌研究員（通訊作者）等通過絲網(wǎng)印刷技術在濾紙表面形成了金屬Ni叉指化集流體，并結合后續(xù)的電鍍技術增強了集流體的導電性，同時抑制了金屬Ni在紙基表面的擴散，形成了分辨率較高的圖案化集流體。在Ni表面通過電化學沉積MnO2或者聚吡咯（PPy）活性材料，并滴凃凝膠電解質，構筑了基于MnO2的對稱性超級電容器以及基于MnO2和PPy的非對稱超級電容器。經(jīng)過測試其電化學性能和耐機械形變性能，顯示紙基超級電容器具有較好的電化學特性和很強的耐機械形變特性（彎折1萬次后容量幾乎沒有變化）。其能量密度和功率密度皆位于同類型超級電容器的前列?；谠诩埫嬗∷⒌慕饘偌呻娐?，研究者們將MSCs和紫外傳感器或者氣體傳感器集成到了同一單片紙上，集成器件顯示了良好的傳感特性和自供電特性。

圖1 紙基平面型對稱超級電容器（SMCS）的制備

a) 紙基對稱超級電容器的制備示意圖.

b) 紙表面通過絲網(wǎng)印刷技術制備的金屬Ni集流體數(shù)碼照片

c) Ni/Paper 隨著彎曲次數(shù)的電阻變化規(guī)律; 插圖展示了一次彎曲循環(huán)過程中的電阻變化規(guī)律

d) Ni集流體表面經(jīng)電化學沉積MnO2后的數(shù)碼照片

e) 沉積MnO2后展示叉指電極的光學照片

f) 沉積MnO2后叉指極的低倍和高倍SEM照片

圖2 紙基對稱超級電容器的電化學性能和耐機械形變性能

a) SMSC在不同掃速下的CV特性

b) SMSC在不同掃描速率下的面積比容量

c) SMSC在掃速為800 mV s?1 時的循環(huán)壽命; 插圖為循環(huán) 1圈、100圈、30000圈和 60000圈后的CV曲線

d) SMSC 在不同彎曲狀態(tài)下的數(shù)碼照片, 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在不同彎曲狀態(tài)下的CV特性

f) SMSC持續(xù)地彎曲10圈的過程中CV曲線的變化

g) SMSC彎曲10000次的過程中電容的變化情況; 插圖展示了器件彎曲1次、1000次、和5000次后的CV曲線

圖3 紙基非對稱超級電容器（AMSC）的制備及其電化學性能

a) AMSC的制備示意圖

b) 在掃速為30 mV s?1時，MnO2/Ni/CP和PPy/Ni/CP電極的CV曲線

c) AMSC在不同掃速下的CV曲線

d) AMSC的面積容量隨著放電電流密度的變化情況

e) 與其他文獻中報道過的超級電容器的比較圖

f, g) 分別是AMSCs 并聯(lián)f)和串聯(lián)g)后的恒電流充放電曲線

圖4 AMSCs和UV傳感器在單一紙片上的集成

a) 電路集成示意圖

b) 用于UV傳感器的ZnO 納米線的SEM照片

c) 紙基集成器件展示柔性的數(shù)碼照片

d) 紙基集成器件貼于手背的數(shù)碼照片

e) 串聯(lián)AMSC的自放電曲線

f, g) UV傳感器分別被串聯(lián)的AMSC和外電源提供1.0 V電壓驅動時的光電流與時間響應曲線

圖5 可持續(xù)自供電的集成器件

a) AMSCs橋接太陽能電池和氣體傳感器的示意圖

b) 用于氣體傳感器的PANI 納米棒的SEM照片

c) 利用太陽能電池給串聯(lián)AMSC充電的充電曲線和串聯(lián)AMSC在電流密度為1 mA cm?2下的放電曲線

d) 當交替充入NH3和HCl時集成器件中氣體傳感器的響應和恢復曲線

二、美國哈佛大學維斯生物啟發(fā)工程研究所和約翰·保爾森工程和應用科學學院的研究團隊創(chuàng)造出一種高度靈敏的柔性電容傳感器

近日，美國哈佛大學Conor J. Walsh課題組制備出一種高度靈敏的柔性電容傳感器，發(fā)表在Advanced Materials Technologies的“Batch Fabrication of Customizable Silicone-Textile Composite Capacitive Strain Sensors for Human Motion Tracking”的文章。該研究團隊將導電針織物與硅膠結合在一起，以基于批量層的生產(chǎn)方法制造我們的傳感器。將硅氧烷膜作為電介質層澆鑄固化。然后通過施加較薄的硅樹脂鑄件將導電織物粘附到每個表面上，通過輥施加壓力將織物施加在表面上產(chǎn)生了完整的傳感器片，然后可以使用激光精確地切割任意形狀的傳感器。另一個優(yōu)點是從相同的片材切割出的相同的傳感器可以具有一致的基線電容值。激光切割工藝還在導電織物邊緣處引導纖維，防止電極短路。

圖1 導電編織織物和硅氧烷彈性體的電介質層構造電極可擴展的批量制造工藝

（a）復合紡織硅膠傳感器的制造工藝示意圖：（i）介電硅膠鑄造。（ii）通過有機硅彈性體鑄造粘合織物電極。（iii）放置磁帶屏蔽和激光切割傳感器。（iv）使用即時粘合劑和熱膜在同軸電纜和織物電極之間創(chuàng)建永久電連接。（v）傳感器和材料層的3D圖示。

（b）通過激光切割對傳感器進行任意整形的示意圖；

（c，d）傳感器的照片，說明在≈0和100％應變下應用拉伸；

圖2 電容式傳感器的力學，電學性能表征

（a）導電織物和硅樹脂的面積變化的代表性草圖；

（b）導電織物和硅樹脂應變的函數(shù)的面積變化；

（c）導電織物和硅樹脂的塑性變形百分比；

（d）電容式傳感器的機電測試設置和截面圖；

（e）三角循環(huán)應變時傳感器電容相對變化為0.11 Hz時的100％；

（f）作為施加的應變間隔的函數(shù)的傳感器的相對電容變化。

圖3 電容式傳感器的電化學性能測試

（a）作為施加應變的函數(shù)的20次循環(huán)的相對電容變化；

（b）相對電容變化作為25,50,75和100％應變水平的循環(huán)次數(shù)的函數(shù)；

（c）紡織硅酮復合傳感器在24 mm s-1的速度下施加外部階梯狀增加應變載荷時的時間響應；

（d）頻率掃描測試：傳感器拉伸到10％應變時，頻率從1 Hz增加到30 Hz。

圖4 感應手套的性能測試

（a）感應手套的照片；

（b）電纜布線和應力消除由疊加的熱敏膜提供；

（c）傳感器放置和集成示意圖：（i）使用硅膠粘合劑連接傳感器和（ii）帶有粘附熱膜的傳感器；

（d）手指運動時手指的電容輸出。

三、加拿大不列顛哥倫比亞大學開發(fā)出一種新型柔性傳感器

加拿大不列顛哥倫比亞大學開發(fā)出一種新型柔性傳感器，可滿足未來折疊裝置對傳感器的要求。這種傳感器是在硅膠層之間夾上一種高導電凝膠，硅膠層可檢測到不同類型的觸摸，包括滑動和敲擊，并且可以拉伸、折疊或彎曲。

據(jù)不列顛哥倫比亞大學研究人員介紹，目前傳感器類型很多，包括感知壓力的蘋果手機3D touch，察覺手指懸停的三星AirView，也有可折疊、透明和拉伸的傳感器，但他們的成果集多種傳感器功能于一身，以凝膠和硅樹脂為原材料，工藝簡單、造價低廉且容易獲得，易于規(guī)?；a(chǎn)，每平方米成本僅數(shù)美元。其延展性強，適用于房間內(nèi)壁的任何表面或可穿戴設備，亦可作為機器人的“皮膚”，使機器人檢測到人類存在并且足夠“柔軟”，使人-機交互環(huán)境更加安全。

假設將平板電腦折疊成手機大小放進衣服口袋，或者使人造皮膚感知身體活動和生命體征，都可能通過他們這種新型、廉價傳感器，理想就有望成為現(xiàn)實。這一研究由加拿大自然科學與工程研究理事會資助，論文發(fā)表在2017年3月的《科學進展》雜志上。

柔性可穿戴電子傳感器解決了傳感器的小型化 、集成化 、智能化發(fā)展問題，這些新型柔性傳感器在電子皮膚 、生物醫(yī)藥、可穿戴電子產(chǎn)品和航空航天中有重要作用。

未來，隨著傳感器技術的發(fā)展，以及柔性基質材料的發(fā)展，將會有更多種類的柔性傳感器被開發(fā)出來，應用于不同領域。

隨著可穿戴電子設備的逐步完善，傳感器產(chǎn)業(yè)將迎來一個新的成長時代，除了智能化、數(shù)字化等發(fā)展趨勢外，標準化或許將成為傳感器發(fā)展的標簽之一。產(chǎn)品/技術的突破性進展，應用場景的持續(xù)深入，行業(yè)標準的陸續(xù)出臺，上下游市場需求的不斷提升，都推動著傳感器產(chǎn)業(yè)日益走向成熟，這或許就是智能傳感器被稱為21世界極具影響力的高新技術的原因

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