万甦伟等：电子皮肤新型材料与性能研究进展 ,707· 13传感方式 涂有单壁碳纳米管的PDMS,其中SWNT的高度 人类皮肤是通过几种不同类型的高度专门化 可通过调整微结构金字塔进行调节.实验结果表 的感觉受体将身体接触的信息转化为生物电信号 明该压力传感器的电阻值随压力的增大而减小， 然后发送到中枢神经进行更复杂的处理，最后由 在不同拉伸状态下的电阻值同样随压力的增大而 躯体的感觉皮层来进行感受.而电子皮肤为实现 减小.完全可伸缩的有机电致变色装置实现了电 对触觉刺激的检测，需要由传感器将触觉刺激信 子皮肤颜色随应用压力的改变而改变，集成后设 号转化为易于检测输出的电信号，目前应用于电 备使电子皮肤的颜色变化用以区分施加的压力成 子皮肤的传感技术主要有电容效应、压电效应、 为可能 压阻效应、光学效应和无线天线传感等0，如 1.3.2电容效应 图1. 电容传感器可以将被测量（如尺寸、压力等） 1.3.1压阻效应 的变化转换为电容量变化的一种传感器，其就是 压阻传感器的传感原理是将由外部刺激引起 一个可变电容器.根据公式，平行板电容器C=eoe4/d, 的器件电阻变化转换为电信号，具有结构简单、对 其中0是真空的介电常数，ε是极板间介质的相对 压力的高敏感性、稳定的信号读取输出能力以及 介电常数，A是极板重合面积，d是两个极板间的 较快的响应速度等优点，得到了广泛研究.传感元 距离.当在平行板电容的表面施加外力时，会引起 件的几何形状、半导体能带结构变化、两种材料 感应电机与驱动电机支架的重合面积(A)与距离 之间的接触电阻以及复合材料的电阻率的变化都 (d)的变化，从而改变电容，通过电容的变化达到 会影响压阻传感器的电阻变化，其中外加力(F)引 检测外力的目的.电容传感器具有结构简单、动 起的两种材料之间的接触电阻(R)的变化是电信 态特性好、动态响应快、柔性好、灵敏度高等特 号变化的主要来源.当一个压力施加在一个设备 点.Cai等研究了一种基于碳纳米管的电容式 上时，压阻传感器的电阻随之改变，根据规律 应变传感器，其结构为两层碳纳米管薄膜之间夹 R。~F2,确保了压阻传感器在低压力下同样具有 着有机硅弹性体的薄层，类似于平行板电容器.实 高灵敏度，以及相对较大的工作范围.而碳纳米 验结果表明该电容式应变传感器的电容变化量随 管、石墨烯和硅材料的电阻变化主要是由其能带 应力的增加而增加，且能够定量地检测出应力为 带隙变化所导致的2，.Chou等31研究了一种新型 300%条件下的电容变化量从而实现对300%应变 的可拉伸透明和高度可调的电阻式压力传感器并 的检测，该设备具有良好的耐久性，数千次的循环 与完全可伸缩的有机电致变色装置进行了集成. 后也能具有良好的性能.Jeong等研究了电容传 该压力传感器的底层是在PDMS上喷涂单壁碳纳 感能力与表皮电子系统(EE$)相结合从而增强电 米管(SWNT)层的弹性金字塔形微结构，顶层是喷 生理信号检测鲁棒性的可能.作者采用丝网印刷 (a) (b) (c) 900 0000000000 889888 C↑ 898888 0000g990000 Piezoresistivity Capacitance Piezoelectricity 图1传感方式原理图.(a)压阻效应：(b)电容效应：(c)压电效应四 Fig.I Schematic images of transduction methods:(a)piezoresistivity.(b)capacitance;(c)piezoelectricity1.3    传感方式 人类皮肤是通过几种不同类型的高度专门化 的感觉受体将身体接触的信息转化为生物电信号 然后发送到中枢神经进行更复杂的处理，最后由 躯体的感觉皮层来进行感受. 而电子皮肤为实现 对触觉刺激的检测，需要由传感器将触觉刺激信 号转化为易于检测输出的电信号，目前应用于电 子皮肤的传感技术主要有电容效应、压电效应、 压阻效应、光学效应和无线天线传感等[40– 41] ，如 图 1. 1.3.1 压阻效应 压阻传感器的传感原理是将由外部刺激引起 的器件电阻变化转换为电信号，具有结构简单、对 压力的高敏感性、稳定的信号读取输出能力以及 较快的响应速度等优点，得到了广泛研究. 传感元 件的几何形状、半导体能带结构变化、两种材料 之间的接触电阻以及复合材料的电阻率的变化都 会影响压阻传感器的电阻变化，其中外加力（F）引 起的两种材料之间的接触电阻（Rc）的变化是电信 号变化的主要来源. 当一个压力施加在一个设备 上时 ，压阻传感器的电阻随之改变 ，根据规 律 Rc～F –1/2，确保了压阻传感器在低压力下同样具有 高灵敏度，以及相对较大的工作范围. 而碳纳米 管、石墨烯和硅材料的电阻变化主要是由其能带 带隙变化所导致的[42] . Chou 等[43] 研究了一种新型 的可拉伸透明和高度可调的电阻式压力传感器并 与完全可伸缩的有机电致变色装置进行了集成. 该压力传感器的底层是在 PDMS 上喷涂单壁碳纳 米管 (SWNT) 层的弹性金字塔形微结构，顶层是喷 涂有单壁碳纳米管的 PDMS，其中 SWNT 的高度 可通过调整微结构金字塔进行调节. 实验结果表 明该压力传感器的电阻值随压力的增大而减小， 在不同拉伸状态下的电阻值同样随压力的增大而 减小. 完全可伸缩的有机电致变色装置实现了电 子皮肤颜色随应用压力的改变而改变，集成后设 备使电子皮肤的颜色变化用以区分施加的压力成 为可能. 1.3.2 电容效应 电容传感器可以将被测量（如尺寸、压力等） 的变化转换为电容量变化的一种传感器，其就是 一个可变电容器. 根据公式，平行板电容器 C=ε0 εA/d， 其中 ε0 是真空的介电常数，ε 是极板间介质的相对 介电常数，A 是极板重合面积，d 是两个极板间的 距离. 当在平行板电容的表面施加外力时，会引起 感应电机与驱动电机支架的重合面积（A）与距离 （d）的变化，从而改变电容，通过电容的变化达到 检测外力的目的. 电容传感器具有结构简单、动 态特性好、动态响应快、柔性好、灵敏度高等特 点. Cai 等[44] 研究了一种基于碳纳米管的电容式 应变传感器，其结构为两层碳纳米管薄膜之间夹 着有机硅弹性体的薄层，类似于平行板电容器. 实 验结果表明该电容式应变传感器的电容变化量随 应力的增加而增加，且能够定量地检测出应力为 300% 条件下的电容变化量从而实现对 300% 应变 的检测，该设备具有良好的耐久性，数千次的循环 后也能具有良好的性能. Jeong 等[45] 研究了电容传 感能力与表皮电子系统（EES）相结合从而增强电 生理信号检测鲁棒性的可能. 作者采用丝网印刷 (a) (b) (c) Piezoresistivity Capacitance d C C∝ F F F V V 1 d Piezoelectricity 图 1 传感方式原理图. （a）压阻效应；（b）电容效应；（c）压电效应[41] Fig.1 Schematic images of transduction methods: (a) piezoresistivity; (b) capacitance; (c) piezoelectricity[41] 万甦伟等： 电子皮肤新型材料与性能研究进展 · 707 ·