)【引言】
近年来，柔性传感器逐渐引起人们广泛关注，其在电子皮肤设备、人体运动检测、人体健康监测、植入式医疗器件等领域具有广阔应用前景。传统的电子传感器一般基于金属或半导体等材料，其柔性和拉伸性受到限制。柔性传感器得益于敏感材料和基体材料的柔性、拉伸性、稳定性等特性，克服了传统电子传感器易脆的缺点。一般而言，柔性可穿戴传感器的性能主要取决于敏感材料和器件结构设计。敏感材料多采用纳米颗粒、纳米线、碳材料、导电聚合物等材料。其中，碳材料，特别是碳纳米管、石墨烯等低维碳材料，因其兼具导电性和机械柔性，并具备轻质、稳定、无常见的贵金属引起的毒性等优势，在柔性器件的制备方面极具潜力。近年来，针对其在柔性可穿戴器件中的应用，人们在碳材料的制备和其可穿戴传感器的组装、应用等方面取得诸多振奋人心的结果，但同时仍有一些关键挑战尚待解决。
近日，清华大学化学系张莹莹课题组在Science China Materials发表了题为“Advanced Carbon Materials for Flexible and Wearable Sensors”的综述文章（第一作者为清华大学化学系博士研究生蹇木强，doi: 10.1007/s40843-017-9077-x）。该文以碳材料基柔性可穿戴传感器为中心，详细综述了一维、二维和三维碳材料的制备方法及其四类典型柔性传感器（应变传感器、压力传感器、温度传感器和湿度传感器）的组装、性能方面的最新研究进展，并展示了这些传感器在人体运动检测、生理信息监测、人机交互等方面的应用，讨论了碳材料基柔性可穿戴传感器面临的一些关键挑战。
【简介】
柔性传感器兼具柔性和传感功能，可以将人体或环境刺激转化为可检测的信号。伴随人们对可穿戴电子设备、智能系统等方面的需求，柔性传感器得到迅速发展。柔性传感器可以直接贴合在人体皮肤或与织物结合，实现对人体运动、生理活动等方面的实时监测，如关节弯曲、表情变化、呼吸、脉搏、皮肤温度等。为实现上述功能，柔性传感器需具有高灵敏度、良好的柔性及弹性、优异的稳定性、生物相容性等特点，而选择合适的敏感材料和结构设计可以赋予柔性传感器以上特点。目前，金属纳米颗粒、纳米线、导电聚合物、碳材料等是应用最广泛的敏感材料。然而，金属纳米颗粒、纳米线的化学稳定性一般，器件拉伸性受限；导电聚合物的导电性一般，同样受限于化学稳定性。碳材料，尤其是碳纳米管、石墨烯，可以组装成多种宏观结构，包括一维的纤维、二维的薄膜和三维的块体结构，具有优异的电学、力学、热学等性质和良好的柔性、稳定性，赋予柔性传感器高灵敏性和优异稳定性。碳黑、石墨和生物转化碳材料合成方法简便，成本低廉，为柔性传感器的商业化应用提供了材料基础。
图1 碳材料的结构分类及其在柔性传感器中的应用
柔性传感器的基本原理
一般来说，柔性传感器由柔性基底、敏感材料和电极组成。根据柔性传感器所能感受的刺激信号的不同，可以将其分为应变传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器等。
应变传感器
柔性应变传感器可以将感受到的应变信号转化为电学等信号。根据工作原理的不同，应变传感器主要可分为电阻式、电容式和压电式应变传感器。其中，由于组装过程简单、信号易于识别等优点，电阻式应变传感器是研究最多的一类应变传感器。电容式传感器通过检测电容的变化而实现应变的检测。该类应变传感器对应变具有良好的线性响应，但检测范围有限。压电式应变传感器通过材料的压电特性而检测应变信号。该类传感器的灵敏度较高，但柔性和拉伸性有限。
压力传感器
与应变传感器类似，柔性压力传感器一般分为电阻式、电容式和压电式压力传感器。电阻式压力传感器的结构简单，组装简便，应用广泛。为提高压力传感器的灵敏性，一般采用具有微结构的基底。电容式压力传感器通过检测两电极间距离、电极重叠面积或介电常数的变化引起的电容变化，实现对压力的感应。压电式压力传感器依靠压电材料的压电性实现对压力的识别，但其器件的制备过程和柔性受到一定的限制。
温度传感器
对环境和人体来说，温度是一个重要的参数。目前，一般依靠材料的热电和热阻性质来实现对温度的实时检测。
湿度传感器
湿度检测对于工业生产和人体生理活动（如呼吸及一些相关疾病等）具有重要意义。通常，湿度的变化会引起材料的形状、电阻、电容、反射比、共振频率等参数的变化，通过检测上述变化实现对湿度的传感。
碳材料基柔性传感器
纤维状碳材料基柔性传感器
纤维状柔性传感器具有轻质、柔性和可编织性，通过传统编织技术可以将其编织成智能衣物，具有良好的柔性、透气性和舒适性。目前，碳纳米管纤维和石墨烯纤维均可通过湿法纺丝或干法纺丝等技术制备得到，它们具有良好的柔性和导电性，经过结构设计可以组装成柔性传感器。另外，碳黑、石墨等碳材料与柔性纤维结合可以组装成复合导电纤维，用作柔性传感器，实现对关节运动、呼吸等人体运动和生理活动的检测。
图2 碳纳米管纤维基柔性传感器
薄膜状碳材料基柔性传感器
薄膜状柔性传感器可以实现与人体更好地接触，从而产生更可靠的检测信号。碳纳米管和石墨烯薄膜均可由湿法或化学气相沉积法得到，也可以与其他材料复合得到复合薄膜。一般而言，碳纳米管或石墨烯薄膜与柔性基底结合可以用作高性能薄膜状柔性传感器，实现对应变、压力、温度或湿度的检测。碳纳米管、石墨烯或碳黑与柔性材料复合实现对刺激的检测。另外，天然材料（如蚕丝纤维、织物及棉织物等）通过高温碳化可转变为导电碳织物，从而用作柔性传感器的敏感材料，已经有研究表明这类碳化织物所制备的应变传感器兼具高灵敏性和宽应变检测范围，并且原料丰富，制备方法简单，易于规模化生产。
图3 石墨烯及其复合薄膜用于柔性传感器
图4 生物质基（桑蚕丝、棉织物）碳织物或者薄膜用于柔性传感器
薄膜状柔性传感器可以实现对人体运动、脉搏、呼吸、温度、湿度的检测。随着柔性传感器的进一步发展，多种传感器的集成成为研究的重点。
图5柔性传感器用于人体生理信号和环境刺激的检测
宏观块体碳材料基柔性传感器
宏观块体碳材料包括气凝胶、多孔状材料等，可以通过化学气相沉积法、模板法、共混法等过程制备得到。块体状碳材料具有多级孔结构，良好的结构稳定性，且组装过程简单易行。宏观块体碳材料基柔性传感器具有显著的信号变化，并且新型功能也逐渐引入到体系中，如自愈性能、自供能性质等。
图6宏观块体碳材料（气凝胶、海绵）用于柔性传感器
【总结和展望】
因其良好的导电、柔性、轻质、稳定等特点，碳材料被广泛用作柔性传感器的敏感材料，根据碳材料结构的不同，可分别组装为纤维状、薄膜状和三维块体状柔性传感器。碳材料基柔性传感器具有良好的灵敏性、机械柔性、可拉伸性和很高的稳定性，可以实现对人体运动、生理活动和外界刺激等信号的检测。目前，碳材料基柔性传感器领域已经取得诸多成就，但同时仍面临一些挑战，例如尽管碳纳米管和氧化石墨烯粉末的批量制备已经成功，但是在过程中通常引入了大量缺陷。另一方面，结构完美的碳纳米管和单层与少层石墨烯的制备仍然费用高昂，这限制了其在柔性可穿戴器件中的实用化进程。同时，其宏观组装结构的性能与组装结构密切相关，如何实现可控的可重复的器件组装对获取性能一致的器件极其重要，而器件的一致性是能否走向实用化的重要考量标准之一。诸多高性能的但功能单一的器件已经被成功制备，然而尚有很多需求未被满足，例如，多方向形变的检测和跟踪仍是挑战；如何实现多种器件的集成而使其互不干扰；如何提高温度传感器的灵敏度；如何实现对湿度的准确的快速的响应等。此外，柔性传感器与能源转化和存储器件之间的集成技术也有待更多关注；针对可穿戴器件的长期舒适性和人体友好性，器件的呼吸性（透水、透气性）这一问题也急需解决。这些问题的解决需要不同学科背景的科学家通力合作，共同推动。如上所述，尽管还面临诸多挑战，碳材料基柔性可穿戴器已经展现了一系列重要的应用潜力，我们有理由相信碳材料将在未来巨大的柔性可穿戴市场中发挥重要的作用和价值，其未来的美好前景需要科学界和企业界的沟通交流和携手推动。
本文由SCMs实习编辑吴禹翰整理发布
我来说两句排行榜