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用于可穿戴式人体活动监测和个人保健的灵活且可伸展的物理传感器集成平台
摘要
灵活可伸缩的物理传感器可以测量和量化人体活动产生的电信号，因为它们具有独特的特性，如超薄，低模量，重量轻，高灵活性和可拉伸性，因此受到了很大的关注。这些灵活而可伸缩的物理传感器，适形地附着在器官或皮肤表面，可为人体活动监测和个人保健提供新的机会。因此，近年来，为了满足未来技术的需求，致力于开发灵活且可拉伸的物理传感器已经进行了大量的研究工作，并且取得了许多进展。在这里，介绍了柔性和可拉伸物理传感器的最新发展，包括温度，压力和应变传感器，以及灵活和可伸缩的传感器集成平台。首先回顾了用于检测温度，压力和应变的灵活和可拉伸物理传感器的最新成功实例，以及它们的新颖结构，技术创新和挑战。在下一节中，将详细介绍有关传感器集成式可穿戴平台的最新进展。对自供电传感器集成可穿戴平台技术的一些最新成果也进行了审查。此外，还提出了进一步的研究方向和挑战，以在不久的将来开发完整的传感器集成式可穿戴平台，用于监测人类活动和个人医疗保健。
2.3、灵活和可伸缩的应变传感器
应变传感器或应变计是一种用于测量物体变形的传感器。通常情况下，应变仪由柔性衬底上的图案化金属箔组成，该金属箔可以很容易地附着在物体上以监测其变形。
最近，人们对可以附着在衣服上或人体上的灵活和可伸展的应变传感器的研发兴趣增加，以用于医疗中的电子皮肤和人体运动监测（例如，开发诊断，康复辅助和活动监测）。监测人体运动可分为两类：ⅰ）检测大规模运动（例如，手，胳膊，腿和脊柱的弯曲运动）；ⅱ）检测小尺度运动（例如，微小的运动情绪表达，呼吸，吞咽和说话期间的面部，胸部和颈部）。这些运动的检测对于应变传感器在损伤的声带，呼吸系统疾病，心绞痛的诊断中的应用以及评估骨骼之间的内部空间间隙，确定脊柱姿势的变化程度，监测帕金森病，检测姿势和运动，分析面部表情变化，并监测皮肤硬化。另外，人体运动检测中的应变传感器需要满足以下要求：高拉伸性，灵活性，高灵敏度，高耐用性，快速响应/恢复速度和一致性。因此，P（VDF-TrFE），ZnO NWs，ZnSnO3 NWs，CNTs，CNT复合材料，石墨烯，R-GO，R-GO复合材料，AgNWs，聚合物纳米纤维等各种类型的柔性和可拉伸应变传感材料，炭黑（CB），有机半导体，金属NPs，Si NWs，GaInSn和导电聚合物已经被研究用于高级应变传感器。这些应变传感器的传感机制包括压电，电容和压阻。
2.3.1、压电应变传感器
压电应变传感器依赖于压电材料，这使得机械能被转换成电能。在其他类型的应变传感器中，压电应变传感器具有超快响应，高灵敏度和低功耗。近年来，已经使用P（VDF-TrFE）和ZnO NWs开发了几种压电应变传感器。Sun等报道了基于压电势能石墨烯晶体管的有源矩阵应变传感器。传感器装置包括压电电位纳米发生器（NG）（应变传感器元件）和共面栅极石墨烯晶体管（GT）。在施加的外部应变下，由P（VDF-TrFE）产生的压电势通过离子凝胶电介质有效地耦合到GT的通道。结果，GT的通道电导受到压电势的调制。基于压电势功率石墨烯晶体管的应变传感器具有高灵敏度，超灵敏度（最小可检测应变：0.008%）和高灵活性，这些应用在人体活动监测中应用前景看好。此外，具有压电和半导体特性的ZnO NW材料特别适用于应变传感器。在沿着ZnO NW施加拉伸应变的情况下，在两端产生压电电荷并在ZnO NW内部形成压电电位。这种压电势影响了NW与电极的肖特基接触。结果，NW中电荷载流子的势垒高度和传输行为可以通过施加外部应变来控制和转向。由此，Zhou等人提出了一种基于单个ZnO压电细丝（PFW）的灵活应变传感器。应变传感器具有高达1250的规格因子（GF），高稳定性和快速响应的高灵敏度。灵活的衬底上的ZnO PFW应变传感器有望用于测量细胞生物学的应变和应力以及生物医学科学中的应用。同样，吴等人。开发了一种基于单一ZnSnO3 NW的超高灵敏度应变传感器。 ZnSnO3 NW基应变传感器（GF=3740）的GF比Sibase应变传感器的GF高19倍，比CNT和ZnO NWs高3倍。这是ZnSnO3 NWs的性能及其在应变传感器中的应用的新发现。然而，基于纯晶体单一ZnO或ZnSnO3 NW的压电应变传感器通常结合在表面上或嵌入主体结构内。因此，它们在测量离散点和固定方向的应变方面有局限性。因此，已经开发了直接生长在用于应变传感器的柔性基底上的ZnO NWs。Zhang等人报道了一种具有垂直排列的ZnO NW阵列的灵活应变传感器。从该应变传感器获得了高达1813的GF，其高于基于单个ZnO NW的应变传感器装置。另外，廖等人基于在碳纤维表面生长的纹理化的ZnO NW薄膜开发了一种灵活的应变传感器。为了改善灵活的压电应变传感器的灵活性，Gullapalli等人展示了一种将ZnO纳米结构嵌入纸基质中的应变传感器。该器件具有良好的应变灵敏度（GF=21），功耗非常低。
一般来说，基于NW材料的压电应变传感器表现出超快响应，高灵敏度和低功耗。但是，它们在低应变范围内的灵活性，拉伸性和检测性受到限制。这些特性使得压电传感器在弯曲物体或人体上缠绕时不稳定，适用于可穿戴电子设备，人体活动监测和个人医疗保健。因此，需要开发可伸展的保形压电应变传感器用于生物医学应用。
2.3.2、压阻式应变传感器
压阻效应已广泛用于传感器设备，如压力传感器和应变传感器。传统上，基于金属或硅的压阻应变传感器具有高灵敏度并且可以具有成本效益。它们中的大多数都是固定方向传感器，应变只能在特定的方向上测量；它们具有低的灵活性/可拉伸性，不能嵌入结构材料中。为了应用于机器人技术，电子皮肤技术，体外诊断技术和人体运动检测技术，研究人员最近致力于开发具有高灵敏度，灵活性，拉伸性和适应性的新型压阻材料，以制造压阻式应变传感器。这些设备可以很容易地连接到人体，以直接获得人体健康的各种应变水平。
基于碳纳米管的压阻式应变传感器：碳纳米管具有优异的机械和电气性能，并且可以很容易地嵌入到柔韧和可拉伸的材料中。因此，碳纳米管是开发压阻式应变传感器的理想材料。与传统传感器相比，基于CNT的应变传感器显示出优异的特性，例如纳米级具有多向检测，多功能性和高应变分辨率。有关可伸展CNT应变传感器的一些报告已经提出，具有高灵敏度和可拉伸性。Slobodian等人推出了基于CNT/PU复合材料的可伸展应变传感器。应变传感器由嵌入弹性PU中的多壁碳纳米管（MWCNT）制成。复合应变传感器可以拉伸至400%，并且在该应变下发现GF值接近69。该研究还表明，具有原始MWCNTs（GF = 4.5）的复合材料的GF低于具有氧化MWCNTs（GF=178）的复合材料在15.5%的应变下的GF。Tadakaluru等人还开发了高度可拉伸的MWCNT应变传感器。将MWCNT薄膜夹在天然橡胶层之间以形成应变传感器。具有高拉伸性（620%），灵敏度（GF值从5到43）和耐用性良好（150-500%应变范围400次循环）的可拉伸MWCNT应变传感器可用作多功能传感器。制造的设备可以测量多个参数，如压力，应变，速度，加速度，频率，并用于健康监测。对于人体运动检测，Yamada等人引入了一种新型的可伸展CNT应变传感器。传感器装置由垂直排列的非常稀疏的SWCNT薄膜组成，并排放置在PDMS基底上1mm重叠。在施加的拉伸应变下，垂直排列的SWCNT薄膜变形与去皮后的串状干酪的结构变形类似。使用这种结构，垂直排列的SWCNT薄膜可以用作应变传感器，具有高拉伸性（应变高达280%），耐久性（150%应变下10 000次循环）和快速响应（延迟时间14 ms）。这些功能使得应变传感器能够被层压到衣服中并穿在人体皮肤上，以准确检测人体的快速移动，打字，呼吸和发声（图9b）。可伸展的CNT应变传感器在监测人体运动，肌肉运动和个人保健方面有着广泛的应用。此外，用户广泛接受人体身体区域（如脸部和颈部）的保形应变传感器的一个重要特征是光学透明度，因此传感器在日常活动中不可见。因此，Roh等人报道了由SWCNT和PEDOT：PSS/PUD导电弹性体的新型堆叠纳米杂化结构制成的透明，可拉伸，超灵敏和可调谐应变传感器。具有63%的光学透明度，62.3的GF，100%以上的拉伸性和高耐久性（20%应变下1000次循环）的透明且可拉伸的应变传感器可以检测由微小运动引起的人脸皮肤上的小应变与情绪和眼球运动导致的面部表情有关的肌肉。这里描述的透明和可伸缩传感器具有很大的潜力，并将增加可穿戴或可修补的智能系统的价值。
另一种类型的碳也用于压阻式应变传感器是碳黑（CB）。导电纳米填料混合到弹性体如PDMS中以形成压阻材料。Kong等人提出了一种用于制造应变传感器的CB-PDMS复合材料的简单且快速的微图案化方法。CB-PDMS应变传感器能够测量高达80%的应变，具有高度线性和良好的循环电气性能，以及机械坚固性。CB-PDMS应变传感器在实际可穿戴应用中的潜力通过简单地通过运动检测手套实时监测人体手指的运动来演示。为了监测由人体关节运动，组织肿胀，伤口愈合或甚至情绪表达产生的人体皮肤表面应变，可直接施用到组织表面上的皮肤状应变传感器对于发育是必需的。因此，吕等人。制造了GF高达29并且杨氏模量在人类表皮范围内的全弹性体应变仪系统。这些系统使用应变片具有高压阻的薄CB-PDMS，以及用于PDMS基质衬底中互连的粗蛇纹形CNT-PDMS。当手腕弯曲时，可伸展的应变仪可以直接层压到人体手腕上而不会从皮肤滑脱或脱离。具有高顺应性和薄几何形状的可拉伸应变仪在生物整合系统，伤口监测和人体活动监测方面具有潜在应用。
基于石墨烯的压阻应变传感器：石墨烯（Gr）是开发压阻应变传感器的另一个候选对象，因为它具有良好的机械和电气性能。在施加拉伸应变的情况下，Gr边缘附近的六角形结构将被部分破坏。该结果导致Gr的电子能带结构和电阻的变化。对于应变传感器，Gr具有优于CNT的各种优点，例如容易形成图案和光学透明度。因此，很少有研究探索Gr在压电应变传感器中的应用。Lee等人使用大面积Gr制造GF为6.1的可拉伸应变传感器。Fu等人还展示了高灵敏度（GF=151）的化学气相沉积（CVD）Gr基应变传感器。应变传感器的电阻在2.47%以下的应变下稍微降低，并且对于应用的应变迅速增加超过2.47%。应变传感器可以在临界拉伸应变asymp;5.0%时发生弹塑性变形过渡。Bae等报道了一种基于CVD Gr的透明应变传感器。基于CVD-Gr的应变传感器可以拉伸至7.1%，GF为14。为了监测人体的复杂运动，将三个CVD-Gr基应变传感器集成为玫瑰花形式，然后附着放在一个可拉伸和耐磨的手套上，以便在手指运动期间同时检测应变的大小和方向。此外，Wang等人报道了一种基于GF的剥离Gr波纹的Gr应变传感器。
由于其传感机制依赖于张应变下开放的零带隙，因此他完美的应变传感Gr具有较低的灵敏度。带隙可以在高单轴应变（gt;23%）下以Gr打开。然而，在这种高应变下也可能诱发不可逆的结构损伤。为了提高Gr应变传感器的灵敏度，需要使用某些结构工程策略，例如使用Gr基机织织物（GWF）或纳米石墨烯。
由于GWF的结构和特征比多晶Grf的机械性能好得多，所以GWF由相交的微米尺寸的Gr带组装而成。此外，在外部负载下，GWF显示出有利于高灵敏度应变感测的有趣的指数电阻响应。基于独特的结构特征和特性，Li和同事首次证明了GWF应变传感器的应用。GWF应变传感器的传感机制是基于应变下GWF内弱点的开裂。因此，在施加的拉伸应变下，由于裂缝的长度和密度的增加，GWF的电阻逐渐增加。GWF应变传感器呈现高拉伸性（高达10%应变），高灵敏度（GFasymp;103在2-6%应变下，而106在应变下gt;7%），这是目前报道的最高值。该应变传感器具有良好的重复性和高灵敏度，可为人体活动监测和个人保健应用提供经济的传感方式。此外，为了监测弱的人体运动，Wang等人报道了一种具有超轻重量，高灵敏度，高可逆性，简单制造工艺以及对人体皮肤的高适形性的可穿戴GWF应变传感器。GWF应变传感器的GF在0.2%的小应变下为35。此外，GWF应变传感器可以检测由人体微弱运动产生的信号，例如呼吸，发声，表情变化，眨眼和脉搏（图10b-d）。GWF压阻式应变传感器在体动监测，体外诊断和高级治疗领域具有广泛的应用前景。
纳米石墨烯（NG）是压阻应变传感器的另一种候选材料。NG膜通过远程等离子体增强CVD系统中的无催化剂生长方法生长。NG膜中的压阻效应可归因于相邻NG片之间的带电载流子的隧道效应。当NG片材之间的平均距离由于外部施加的应变而延长时，薄膜的薄层电阻呈指数增长。基于NG的这些特性，Zhao和他的同事们通过控制NG薄膜的初始薄层电阻，开发了依靠具有可调谐GF的压阻NG薄膜的超灵敏传感器。具有较小晶粒尺寸和较高密度的NG膜提供了更多的隧道路径和更大的平均隧道距离。因此，同一作者制作了具有可调谐GF（asymp;10-103）和表面电阻（asymp;10-102Omega;每平方）的NG应变传感器。这些具有高灵敏度和低电阻率的薄膜也被转移到柔性基底上进行设备集成以进行力映射。每个器件都具有500以上的高标准系数，超过10 000个周期的长寿命以及小于4ms的快速响应时间，这表明个人医疗监护应用具有相当大的潜力。
应变传感层的另一种有趣形式是R-GO纳米片的网状薄膜。R-GO网状薄膜中电子传导的研究表明，传导归因于两个主要组分：i）由单个R-GO纳米片的结构缺陷控制的纳米内电阻（），以及ii）纳米片间电阻（）受纳米片结的影响。在应变模式下，由于纳米片结处的变化，预计网络化R-GO膜的电阻会被强烈调节。基于这些方面，网络化的R-GO薄膜可用于制造压阻式应变传感器。Trung等人报道基于R-GO FET的灵敏超灵敏应变传感器。R-GO-FET应变传感器的电特性可以在施加的拉伸和压缩应变下进行修改（图11a-c）。基于R-GO FET的应变传感器表现出高灵敏度，稳定性，重现性以及超低灵敏度，极
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