柔性传感集成及电子皮肤新进展

电子皮肤（Electronic-skin）即新型可穿戴柔性仿生触觉传感器，是一种用于实现仿人类触觉感知功能的人造柔性电子器件。利用传感器技术、微机电技术和新材料技术制作的能够模仿人体皮肤保护、感知、调节等功能的柔性电子系统。电子皮肤通过在柔性衬底上制作敏感电子器件，模拟人类皮肤的传感功能，以期达到甚至超越皮肤的传感性能，从而在机器人、人工义肢、医疗检测和诊断等方面展现应用前景。随着信息技术的不断进步，人们希望传感器件可以舒适地穿戴在身上，或者直接贴附在皮肤表面，从而能够获得血压、血糖、脉搏等一系列健康信息，并将这些信息收集到智能设备中，分析提取，帮助医生进行诊断，这对发展高性能的柔性传感器带来更大机遇和挑战。

从上个世纪七十年代以来，应用于电子皮肤的触觉传感器器件就引起了研究者的广泛关注，具有触觉回馈系统的假肢以及电脑触屏相继问世。然而,目前电子皮肤却很少有走出实验室、真正佩戴在用户身上的产品。现有的电子皮肤系统使用时间不够长，单价较贵，使用成本过高，难以将其推广到普通群众中广泛使用。

为此，依托于中国科学院半导体研究所的柔性传感与系统集成技术课题组，在课题组长沈国震研究员的带领下，通过设计多种结构和功能的无机半导体低维纳米结构，结合传统的微电子加工工艺，针对柔性传感集成及电子皮肤领域中的热点难点问题进行了一系列的研究工作。

沈国震团队成功研制出一种基于石墨烯材料的新型柔性触觉传感器，实现了类似人体皮肤功能，可快速感知微小压力变化，从而构筑了具有高灵敏度和高稳定性的人造仿生电子皮肤。通过与解放军301医院合作，这种仿生电子皮肤已经被尝试应用在医学领域，通过对人体说话时喉部肌肉群运动产生的微弱压力变化及脉搏波形变化分析，初步实现了语音识别和人体不同生理状态的准确检测，有望在语音辅助输出系统、人体健康评价和疾病前期诊断方面获得广泛应用。同时，为了进一步模拟人体触觉感觉，更加准确的模仿自然皮肤的触觉感知特性，课题组还研制了基于聚合物中空球纳米材料的超薄高密度、大尺寸高像素超薄柔性压力传感器阵列，这种超薄可拉伸的器件能够与人体皮肤完美结合。这种柔性压力传感器阵列的成功研发，使得这种新型的可穿戴式电子皮肤能够更加准确的模拟人体对外部压力的触觉感知。

此外，沈国震课题组利用多功能导电纤维集成了具有十通道电路的电子数据手套，该智能数据手套能够通过监测手指关节的运动来识别各种手势变化，实现了柔性传感技术在可穿戴实时监测和人机交互等领域的应用功能。相信这种基于导电纤维的数据手套在类人机器人的运动监测、可穿戴健康监测设备、聋哑人交流的辅助设备等领域也具有巨大的应用前景，将为推进柔性电子设备、可穿戴传感技术和人体健康监测等智能系统的发展提供新的思路。

值得一提的是，要实现电子器件系统的全柔性化，其储能单元的柔性化是必不可少的一步。团队利用简单高效的模块化微加工工艺，将一种复合石墨烯纤维分别制成四种平面模块单元，分别起到压力传感器、光电探测器、气体传感器以及微型超级电容器的作用。它们被集成到类皮肤柔性材质上，形成自供电的多功能电子皮肤系统，可以检测人体生理体征和周围环境的变化。在具体的测试中，能量密度可达0.071 mWh/cm3的柔性超级电容器模块实现了为系统提供较为稳定的电流输出的功能；压力传感器可以感知外界触碰、手腕脉搏、喉咙发声和心跳；光电探测器可以感知环境的亮度变化；而气体传感器可以探测到毒性有机气体的浓度。

不仅如此，紫外成像技术在犯罪侦查、漏油探测、火灾监控以及高压线路检测等领域有着广泛的应用。团队采用在单晶Zn2SnO4纳米线表面修饰ZnO量子点的方法，成功地研制出一种同时具备高光电导增益、低暗电流和快响应速度等特点的柔性紫外图像传感器。该器件制作在柔性PET薄膜衬底上，具有优异的可弯曲性和机械稳定性。由于Zn2SnO4纳米线和ZnO量子点之间形成了II型异质结，使得其光电导增益高达1.1*107，比探测率为9.0*1017Jones，响应时间仅为47 ms。此外还进行了理论模拟，结果与实验数据相吻合。在弯曲条件下，所研制的柔性紫外图像传感器能够有效的对紫外图像进行感应并重现，证明了其在高性能柔性紫外成像方面的潜在应用。

沈国震团队有助理研究员两名，博士生9人，硕士生6人，团队的上述项目得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金以及中科院前沿科学重点研究项目的支持。

沈国震：中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。长期从事低维半导体材料与相关柔性器件的研究工作。

（编辑：小智）