清华蹇木强Science China Materials综述：碳材料基柔性可穿戴传感器

【引言】

柔性传感器被定义为将物理或环境刺激转换成可探测信号的柔性设备。近年来，柔性传感器由于其在可穿戴电子和智能系统中的巨大潜在应用而受到越来越多的关注。柔性传感器可以安装在人体或衣服上，用于连续监测微小和大型人体运动和生理信息，例如发声、脉冲、心电图、呼吸、皮肤温度等等。这些应用要求可穿戴传感器具有灵敏度高、柔韧性好、拉伸性能好、生物相容性好、稳定性好等基本特性。

选择合适的活性材料在控制传感器的性能方面起着重要的作用。到目前为止，各种材料，包括碳纳米管（CNTs），石墨烯，碳黑，导电聚合物，金属，纳米粒子(NPs)和纳米线、半导体已被用作柔性传感器的活性成分。在这些材料中，金属NP可以用来制造具有高灵敏度的柔性传感器，但是这些传感器的传感范围和伸缩性是有限的。此外，由于金属纳米线的化学稳定性和重现性有限，利用金属纳米线制备稳定的传感器具有挑战性。同样，稳定性和导电性差的导电聚合物也难以用于制造高性能传感器。相比之下，碳材料是最常被研究的材料之一，特别是具有显著的力学、电学和热性能的碳纳米管和石墨烯（包括氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO））。

为了实现宏观应用，在微观层面上具有优异性能的碳纳米管和石墨烯应转化为宏观功能组件，如一维（1D）纤维或纱线、二维（2D）薄膜或片材、三维（3D）构架。多尺度的宏观碳纳米材料赋予柔性传感器高灵敏度、优异的灵活性和良好的稳定性以及期望的结构。此外，低成本的碳材料，包括炭黑和纳米碳纤维，可以用作与弹性材料或织物集成的导电填料，这是制造柔性传感器的一种简单、低成本和大规模的方法。除了碳纳米材料之外，其他碳材料也通过生物材料衍生出来。基于碳材料的柔性传感器可以附着在人体上或与衣服集成以实现在人体运动检测、人体健康监测和人机接口中的应用。

【成果简介】

清华大学化学系教育部有机光电子与分子工程重点实验室的蹇木强等在Science China Materials上发表了题为《碳材料基柔性可穿戴传感器》的综述论文。该文提供了基于各种碳材料的柔性和可穿戴传感器的全面呈现。在简要介绍柔性传感器和碳材料之后，介绍了典型的柔性传感器的基本原理，如应变传感器、压力传感器、温度传感器和湿度传感器。综述了碳基柔性传感器的最新研究进展，包括碳基柔性传感器的制备工艺、性能和应用。最后，讨论了碳基柔性电子学面临的主要挑战，并提出了今后的研究方向。

【图文导读】

图1：柔性传感器碳材料的宏观组装及其应用。

如一维（1D）纤维或纱线、二维（2D）薄膜或片材、三维（3D）构架。另有基于碳材料的柔性传感器，包括应变传感器，压力传感器，温度传感器，湿度传感器。

图2：石墨烯纤维的制备和形态。

(a)为示意图，显示了通过湿法纺丝方法制备GO纤维的过程，以及显示缠绕在陶瓷卷轴上的连续GO纤维的图像。（b）为用棉线编织的石墨烯纤维和纤维的SEM图像。（c）为通过封闭热液技术获得的石墨烯微管拓片的照片和SEM图像。(d)独立拍摄的胶片照片和纤维缠绕拍摄的胶片图像。（E）为CVD法制备的石墨烯纤维的照片和SEM图像。

图3：基于CNT薄膜的柔性传感器。

(a-d)为基于swnt胶片的应变传感器(a)的制作过程和100%应变(b)的断裂形态的SEM图像。(e)为由含有聚(3，4-乙二氧基噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)和SWNT的混合膜制成的柔性应变传感器的示意图。(f)为基于多孔PDMS和SWNT膜的多功能传感器以及用于区分压力和弯曲的传感器的示意图。（g）为安装在人体上的用于监测情绪表达的柔性传感器。

图4：用在柔性传感器上的与聚合物或织物复合的碳材料。

（a）为用于柔性传感器的石墨烯涂层非织造织物。（b）为由炭黑PDMS制成的应变传感器，用于检测人体皮肤的形变。（c）为用于测量血压的炭黑装饰织物。

【小结】

质量和成本效益高的碳材料生产是其应用的先决条件。目前，CNT粉和GO片已投入批量生产，然而，这些过程通常会引入许多缺陷，显著影响整体性能。高性能器件的制备需要单层和多层质量良好的薄膜，目前高成本的制备方法限制了它们的进一步发展。此外，宏观组装体的性能明显低于单独的CNTs或石墨烯。因此，在装配过程中，结构的合理优化和缺陷的精确控制应引起重视。此外，由于协同效应，复合为获得高性能材料提供了实用的策略。由生物材料的碳化制备的碳材料是制造高性能柔性传感器的有力补充。

全印刷技术是一种很有前途的柔性传感器制造方法，可用于制造大规模的传感器阵列。此外，经过简单的碳化处理，具有宏尺度结构的生物材料，如机织结构，已被用作高性能柔性传感器的活性材料。制造具有高检测范围的高伸缩性和敏感的应变或压力传感器仍然是具有挑战性的。为了实现这些目标，功能材料的适时化和传感器的结构设计仍然是至关重要的。虽然基于碳材料的温度传感器已经被报道，但是它们的灵敏度仍然太低，不能监测体温。为实现体温的准确测量，需要进一步探索新的传感机理和传感器的合理设计。高度集成多个柔性传感器以同时监测多个信息是非常需要的。为了精确地获得相应的刺激，分离不同的信号是至关重要的。通过将不同传感器的柔性传感器集成在不同的信号中去耦合可能是一种可行的策略。

此外，柔性传感器与能量转换和存储装置的集成对于可穿戴电子设备的实际应用是必需的。基于压电或摩擦电效应的自供电柔性传感器已被报道为一种十分可行的方法。

【展望】

碳材料的显著性能赋予柔性传感器高灵敏度、优异的柔韧性和伸缩性，以及优异的稳定性，在人体活动检测、个人保健和人机界面等领域显示出广阔的应用前景。在监测人体生命信号的实际应用中，应重视开发具有高度伸缩性、灵敏性、稳定性和可靠性、宽传感范围的传感器。活性材料的选择和器件结构的优化是制备具有多向激励监控能力的高性能传感器的有效途径。多传感器的集成迫切需要同时检测各种信号。柔性传感器应该与柔性能量装置(包括能量发生器和能量存储装置)和数据组件(例如数据采集和存储系统、数据传输模块等)组合用于持续监测、记录和传输生理学。对设备的人体信息进行分析。考虑到实际应用，该装置的安全性、舒适性和对人体或衣服的适形附着性也应予以重视。尽管存在一些挑战，我们预见到基于碳材料的柔性传感器在可穿戴电子和智能机器人中将发现许多潜在的应用。

蹇木强,王春雅,王琪,王惠民,夏凯伦,訚哲,张明超,梁晓平,张莹莹.碳材料基柔性可穿戴传感器（英文）[J].Science China Materials,2017,60(11):1026-1062.

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

投稿及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu。