柔性传感器的分类及制造方法综述

引言

由于物联网和可穿戴电子设备的兴起，制造细长、轻便、可拉伸和可折叠的柔性传感器成为近年来研究的热点。传统的传感器受到刚性的阻碍，导致其适应性和信号传导差，因而制约了其在新兴领域的发展。相比之下，柔性传感器与可移动部件或任意弯曲表面能够更好地兼容，其不仅非常适合可穿戴电子设备等领域，而且可以更有效地捕获目标分析物，产生更高质量的信号。基于对柔性传感器的兴趣，我们关注了《Advanced Materials》上的一篇关于柔性传感器的综述。该文章总结了目前最新采用的柔性传感器设备，如柔性光传感器、柔性pH传感器、柔性离子传感器和柔性生物传感器，并概括了柔性传感器的一些常见的制造方法。

柔性传感器的分类

1.柔性光传感器

光传感器或光电检测器可以将光信号转换成电脉冲，这对于大多数现代光学和光电子应用来说是不可或缺的。从结构角度来看，通常使用两种类型的光传感器，即光电二极管类型和光电晶体管类型。光传感器需要具有特定的光谱响应范围，短响应时间，高量子效率，高响应度，归一化和宽线性动态范围等性能特点。近年来由于二维石墨烯、碳纳米管等纳米新材料的应用，灵活、轻便和透明的柔性光传感器得到快速发展。随着这些新的柔性光传感器的性能提升，其将被更多地应用于医疗、工业、通信、夜视成像、军事和安全等许多领域。

图1.a.光电传感器的横截面图; ?b.人手指上的柔性传感器阵列

2.柔性pH传感器

pH检测可分为电化学传感和光谱测量。早期的电化学pH检测是通过固定受体对H+的选择性键合来实现，键合引起的电荷随后转换为可读的电信号。后来的柔性纳米结构氧化物膜不需要受体，也表现出近似的性能。在离子敏感场效应晶体管中，通过以碳纳米管和纳米结构的氧化膜作为信道感测层，柔性pH传感器显示出高的pH敏感度，能够实现良好的检测性能。

3.柔性离子传感器

离子传感器在功能上类似于pH传感器。离子传感器设计用于检测特定的目标离子，通常在水性介质中。推动柔性离子传感器和电极研究的主要动力是开发表皮“汗液传感器”，用于实时离子监测汗液。人们已经采用了几种方法来开发这些传感器，如使用非柔性ISE，内部填充溶液的柔性电极，化学电阻器，和纹身传感器等等。

图2.带有集成无线传感器的腕带汗水传感器

4.柔性生物传感器

基于OFET(有机场效应晶体管)的柔性生物传感器可以广泛用于检测各种化学分析物，环境监测，食品安全等方面。生物传感器的种类很多，如将有机电化学晶体管与柔性微流体系统相结合制造的DNA传感器，基于PET基板上的柔性离子敏感场效应晶体管（ISFET）的pH /葡萄糖传感器。这些生物传感器表现出良好的兼容性、高分辨率和实时测量，并且生物传感器还在不断的快速发展。

制造方法

1.热蒸发法

为了制备FET和基于FET的传感器，有源层通常通过热蒸发法制造。如采用热蒸发并五苯以作为传感器的活性材料。通过热蒸发制备的感光膜相对均匀，性能好；然而，也存在一些缺点，例如相对昂贵的设备，低产量和高的时间消耗，所有这些使得该设备方法不适合于工业生产。

图3.a.并五苯系光电探测器的示意图; ?b.在黑暗和照明下测量的输出曲线

2.化学气相沉积法

化学气相沉积（CVD）方法也是柔性传感器的制备方法之一。纳米线、纳米棒和纳米管等用于传感器的纳米结构可以通过CVD实现，由此得到的传感器具有显著的灵敏度。

3.旋涂工艺法

旋涂工艺已广泛用于制造有机电子和传感器。与CVD或热蒸发方法相比，这样的工艺可以大大降低制造成本。此外，旋涂方法与低成本塑料基材兼容。通过旋涂工艺制造的柔性传感器也显示出良好的灵敏度。

图4.用于柔性气体传感器阵列的旋涂工艺的示意图

4.印刷法

印刷技术是在适当的加工温度下实现基于柔性基板（PET，PEN，PI等）的高性能电子部件和相关传感器的一种方法。当代印刷方式可分为两类：非接触印刷和接触式印刷。在非接触式方法中，丝网印刷、喷墨打印在柔性传感器上应用最多。印刷路线具有加工技术简单，材料浪费减少，成本低等优点，但其在薄膜均匀性等方面仍存在着一些缺点。

结束语

柔性传感器对于诸如医学、医疗保健、环境和生物学等领域的各种创新应用充满希望。近十年来，随着材料、加工方法和平台的快速发展，各种功能的柔性可拉伸传感器的发展得到加速。然而，活性材料和柔性底物的生物相容性，提高灵活性和灵敏度，集成具有多种功能的高密度传感器阵列等问题，依旧是未来柔性传感器发展的关键研究内容。柔性传感器的发展是物联网、可穿戴电子设备的关键技术，这些梦幻感应的应用，将使我们更接近柔性传感器所承诺的新的电子时代。