706 工程科学学报，第42卷.第6期 1.2电子皮肤常用材料 性问题，对电极性能的测试结果表明，该电极具有 人类皮肤是具有机械柔韧性的，即具备流动 良好的生物相容性，在连续7d的测试周期中信号 性与可拉伸性等.在电子皮肤发展的过程中，材料 质量并未随时间推移而下降.此外作者还对不同 的选择起着重要的作用，电子皮肤的技术进步很 浓度、直径、厚度的碳纳米管制作的电极进行对 大程度上依赖于新材料和加工方法的开发，来实 比，发现碳纳米管的直径和浓度是获得高质量心 现可拉伸、优异电气性能、低成本等方面的特性. 电信号的关键参数，该电极除可应用于心电信号 聚二甲基硅氧烷(PDMS)因其在化学惰性、广 的检测外，还可用于肌电图、脑电图等生物电信号 泛温度范围内的稳定性、透明度、可变的机械性 检测.Ryu等B制备了一种由碳纳米管纤维制成 能、低杨氏模量、优异的生物相容性等方面有优 具有高拉伸性能的可穿戴应变传感器其形变可达 势2-训，目前已经被广泛应用于电子皮肤和其他 到900%，同时还具有高灵敏度，响应快以及耐久性 可拉伸电子产品的制造.Jung等B训采用微电子机 好等优点，可以对人体活动信号进行检测.该传感 械(MEMS)工艺在PDMS柔性基底上制造了用于 器可以在重复上万次拉伸情况下形变保持稳定， 肌电假肢手的干式柔性表面肌电信号电极，该电 其阵列形式具有独立的交叉灵敏度，可以实现多 极由两个输入电极以及一个参比电极组成，电极 轴应变的检测.Yamada等B同样对碳纳米管在应 间距为18mm.作者通过对肱桡肌、肱二头肌、三 变传感器方面的应用进行了研究，作者报道了一 角肌和胸大肌的肌电信号进行测量，并与商用的 种用于检测人体运动具有可拉伸性能的碳纳米管 肌电电极进行比较，实验结果表明由于该电极具 应变传感器，由排列整齐的单壁碳纳米管薄膜制 有更好的灵敏度以及柔性结构，易于提取肌电信 成，具有高耐久性、快速响应以及低蠕变的优点 号，从而可以更好的实现对假肢手的控制，相比于 当拉伸时，纳米管薄膜断裂成间隙和岛状物，并在 商用肌电电极更适于应用于假肢手中 间隙间形成束状连接，从而实现了280%应变的 无机半导体和金属是脆性高模量材料，可以 检测 与可拉伸设备相结合，通过适当的几何结构与器 另一种碳同素异形体石墨烯，和碳纳米管一 件设计，可以具有较大的拉伸性能，是在电子器件 样可以通过多种高产量的技术制备，适用于电子 发展历史上一直被使用的材料.如Graudejus等B 皮肤器件的制造，石墨烯具有理想的原子厚度、 研究了在PDMS基底上的金薄膜，实验发现微裂 高透明度和高介电常数等特性，其在电子皮肤器 纹、弯曲和光滑三种形态的金膜形貌是可以通过 件中用作活性材料目前使用较多的是使用还 金层厚度、沉积温度、PDMS弹性模量、附着力层 原氧化石墨烯的方法制备石墨烯，因为这种方面 厚度、PDMS表面性能和PDMS的力学预应变进 易于石墨烯转移到电子皮肤的基底上，同碳纳米 行控制，从而影响金膜的拉伸性能.Adrega和 管一样，可以使用真空过滤、旋转、喷涂和喷墨打 Lacoura]利用标准光刻技术成功地制备了嵌在 印等方法沉积在大面积、柔性的电子皮肤基底上 PDMS薄膜中的可拉伸金导体.实验发现在PDMS Boland等B刃研究了将石墨烯注入天然橡胶中形成 上，导体的广泛拉伸性能依赖于金膜上的微裂纹 导电复合材料，以该复合材料制备了具有高敏感、 网络，一维拉伸过程中微裂纹可以在拉伸方向或 高应变性能的人体运动应变传感器.该传感器能 拉伸法线方向伸长到几微米 在超过800%的应变条件下工作，灵敏度测量因数 碳纳米管(CNTs)因其具有优异的电性能、机 到达了35，此外该传感器在160Hz的振动频率下 械性能以及化学稳定性而受到研究者们的关注 性能稳定，在60Hz时应变的检测灵敏度达到了应 出于对电子皮肤应用的需求，可靠的简易合成技 变速率超过6000%s时能检测6%的应变 术对高性能、大面积、低成本的设备生产至关重 此外还有如硅和氧化锌B]等纳米线也可用作 要，而将批量生产的碳纳米管经溶液处理纯化后， 电子皮肤器件中的活性材料，但是由于纳米线的 沉积在柔性基底上是目前最常使用的制备方法 生产成本太高，限制了它们在大规模电子皮肤设 Jung等29制作了一种基于CNTs/PDMS复合材料 备中的适用性.而有机和聚合物基活性材料虽然 的干式心电电极，该电极可以与现有心电设备进 电子性能还比不上无机半导体材料，但是因为这 行连接并具有长期可穿戴的检测能力，同时对运 类材料在碳纳米管、石墨烯和纳米线上的可加工 动和出汗具有较强的鲁棒性(Robustness).作者通 性强，可以提供低成本、大面积的器件阵列.所以 过优化制备工艺解决了CNTs在PDMS上的分散 也在电子皮肤中有相应的研究与应用1.2    电子皮肤常用材料 人类皮肤是具有机械柔韧性的，即具备流动 性与可拉伸性等. 在电子皮肤发展的过程中，材料 的选择起着重要的作用，电子皮肤的技术进步很 大程度上依赖于新材料和加工方法的开发，来实 现可拉伸、优异电气性能、低成本等方面的特性. 聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其在化学惰性、广 泛温度范围内的稳定性、透明度、可变的机械性 能、低杨氏模量、优异的生物相容性等方面有优 势[27– 31] ，目前已经被广泛应用于电子皮肤和其他 可拉伸电子产品的制造. Jung 等[31] 采用微电子机 械（MEMS）工艺在 PDMS 柔性基底上制造了用于 肌电假肢手的干式柔性表面肌电信号电极，该电 极由两个输入电极以及一个参比电极组成，电极 间距为 18 mm. 作者通过对肱桡肌、肱二头肌、三 角肌和胸大肌的肌电信号进行测量，并与商用的 肌电电极进行比较，实验结果表明由于该电极具 有更好的灵敏度以及柔性结构，易于提取肌电信 号，从而可以更好的实现对假肢手的控制，相比于 商用肌电电极更适于应用于假肢手中. 无机半导体和金属是脆性高模量材料，可以 与可拉伸设备相结合，通过适当的几何结构与器 件设计，可以具有较大的拉伸性能，是在电子器件 发展历史上一直被使用的材料. 如 Graudejus 等[32] 研究了在 PDMS 基底上的金薄膜，实验发现微裂 纹、弯曲和光滑三种形态的金膜形貌是可以通过 金层厚度、沉积温度、PDMS 弹性模量、附着力层 厚度、PDMS 表面性能和 PDMS 的力学预应变进 行控制 ，从而影响金膜的拉伸性能 . Adrega 和 Lacour[33] 利用标准光刻技术成功地制备了嵌在 PDMS 薄膜中的可拉伸金导体. 实验发现在 PDMS 上，导体的广泛拉伸性能依赖于金膜上的微裂纹 网络，一维拉伸过程中微裂纹可以在拉伸方向或 拉伸法线方向伸长到几微米. 碳纳米管（CNTs）因其具有优异的电性能、机 械性能以及化学稳定性而受到研究者们的关注. 出于对电子皮肤应用的需求，可靠的简易合成技 术对高性能、大面积、低成本的设备生产至关重 要，而将批量生产的碳纳米管经溶液处理纯化后， 沉积在柔性基底上是目前最常使用的制备方法. Jung 等[29] 制作了一种基于 CNTs/PDMS 复合材料 的干式心电电极，该电极可以与现有心电设备进 行连接并具有长期可穿戴的检测能力，同时对运 动和出汗具有较强的鲁棒性（Robustness）. 作者通 过优化制备工艺解决了 CNTs 在 PDMS 上的分散 性问题，对电极性能的测试结果表明，该电极具有 良好的生物相容性，在连续 7 d 的测试周期中信号 质量并未随时间推移而下降. 此外作者还对不同 浓度、直径、厚度的碳纳米管制作的电极进行对 比，发现碳纳米管的直径和浓度是获得高质量心 电信号的关键参数，该电极除可应用于心电信号 的检测外，还可用于肌电图、脑电图等生物电信号 检测. Ryu 等[34] 制备了一种由碳纳米管纤维制成 具有高拉伸性能的可穿戴应变传感器,其形变可达 到 900%,同时还具有高灵敏度，响应快以及耐久性 好等优点，可以对人体活动信号进行检测. 该传感 器可以在重复上万次拉伸情况下形变保持稳定， 其阵列形式具有独立的交叉灵敏度，可以实现多 轴应变的检测. Yamada 等[35] 同样对碳纳米管在应 变传感器方面的应用进行了研究，作者报道了一 种用于检测人体运动具有可拉伸性能的碳纳米管 应变传感器，由排列整齐的单壁碳纳米管薄膜制 成，具有高耐久性、快速响应以及低蠕变的优点. 当拉伸时，纳米管薄膜断裂成间隙和岛状物，并在 间隙间形成束状连接，从而实现了 280% 应变的 检测. 另一种碳同素异形体石墨烯，和碳纳米管一 样可以通过多种高产量的技术制备，适用于电子 皮肤器件的制造. 石墨烯具有理想的原子厚度、 高透明度和高介电常数等特性，其在电子皮肤器 件中用作活性材料[36] . 目前使用较多的是使用还 原氧化石墨烯的方法制备石墨烯，因为这种方面 易于石墨烯转移到电子皮肤的基底上，同碳纳米 管一样，可以使用真空过滤、旋转、喷涂和喷墨打 印等方法沉积在大面积、柔性的电子皮肤基底上. Boland 等[37] 研究了将石墨烯注入天然橡胶中形成 导电复合材料，以该复合材料制备了具有高敏感、 高应变性能的人体运动应变传感器. 该传感器能 在超过 800% 的应变条件下工作，灵敏度测量因数 到达了 35，此外该传感器在 160 Hz 的振动频率下 性能稳定，在 60 Hz 时应变的检测灵敏度达到了应 变速率超过 6000%·s−1 时能检测 6% 的应变. 此外还有如硅和氧化锌[38] 等纳米线也可用作 电子皮肤器件中的活性材料，但是由于纳米线的 生产成本太高，限制了它们在大规模电子皮肤设 备中的适用性. 而有机和聚合物基活性材料虽然 电子性能还比不上无机半导体材料，但是因为这 类材料在碳纳米管、石墨烯和纳米线上的可加工 性强，可以提供低成本、大面积的器件阵列，所以 也在电子皮肤中有相应的研究与应用[39] . · 706 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期