在当今科技飞速发展的时代，传感器作为将外界环境中的化学、物理或生物等刺激信号转化为可收集电信号的重要器件，发挥着至关重要的作用。近十几年来，随着可穿戴设备在健康监测领域的蓬勃发展，传感器的研究也逐渐朝着轻质、高柔性、高灵敏度、快响应速度等方向不断深入。柔性传感器的出现，更是解决了刚性平面传感器与人体曲线不匹配的难题，能够舒适地附着在人体皮肤上。
柔性传感器包含了多种类型，如柔性压力传感器、柔性温度传感器、柔性应变传感器、柔性湿度传感器及柔性多功能集成传感器等。其中，压力传感器作为柔性和可穿戴电子设备中为关键的部件之一，能够将来自外界的机械刺激或变形转化为电信号。柔性压力传感器凭借其超薄、低模量、重量轻、高灵敏度和可伸缩性等独特特性，受到了广泛的关注，在电子皮肤、人工智能、软机器人学、健康监测等众多领域展现出了巨大的应用潜力。
柔性压力传感器根据工作机理的不同，一般可分为压阻式、电容式、压电式、摩擦电式等类型。下面为三种不同种类柔性压力传感器的工作原理图。本文将分别对它们的工作机制、材料选择以及在健康监测方面的应用进行详细描述。
图 1 不同形式的压力传感器 (a) 电容型；(b) 电阻型；(c) 压电型；(d) 摩擦电型
压阻式压力传感器的工作原理基于压阻效应。当传感器受到外界的压力或拉力时，其内部的敏感材料状态或者与电极的接触状态会发生改变，进而导致电阻和电流产生变化。根据电阻的定义：，其中，是电阻率，是长度，是横截面积。压阻式压力传感器由于工作机理较为简单，能量消耗小，因此受到了研究者们的广泛关注。
电阻型压力传感器通常由衬底和导电材料组成。为了获得良好的柔性和可拉伸性，衬底一般会选用弹性体，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等。导电材料除了要具备一定的导电能力外，还需要对压力变化高度敏感。电阻的变化主要可以概括为以下几个因素：
- 材料的形状结构变化：结构变形会导致长度和截面积的变化。
- 材料能带结构的变化：例如，当石墨烯的拉伸程度超过 20% 时，其电子能带结构会发生改变，从而引起导电性能的变化；在半导体硅基材料中也发现了类似的现象。
- 两种材料之间的接触电阻的变化 ()：例如，利用静电纺丝方法制成的 ZnO / 纳米纤维薄膜，在 1.25cm - 1 曲率下灵敏度（）达到 12.75。其传感机理是随着压力的增加，纤维的接触变得更加紧密，导致电阻变小。不过，这类传感器存在容易出现信号漂移和滞后的缺点。
- 复合材料内部导电相的间隔发生变化：将导电填料作为第二相加入到导电能力相对较差的高分子材料当中，当达到逾渗阈值时，导电相会形成导电网络，表现为电阻明显减小。导电网络的形成目前主要有逾渗理论和隧道电流效应两个理论。
青岛大学观珊珊副教授团队首次采用胶乳组装技术，研制了一种基于还原氧化石墨烯 / 聚二甲基硅氧烷 (RGO/PDMS) 导电弹性复合材料的三维导电网络柔性应变传感器。如图 2 所示，受益于乳胶颗粒的排除体积，RGO 选择性地位于它们之间的间隙空间中，从而形成具有超低量 RGO（0.44 vol%）的 3D 导电网络，使得 RGO/PDMS 复合材料具有机械坚固且灵活的特性。值得注意的是，每个 PDMS 乳胶颗粒都类似于一个 “弹性气球”，在外部刺激下能够辅助导电网络的破坏和重建，从而赋予传感器出色的灵敏度。特别是，该应变传感器表现出卓越的灵敏度（44.01）、广泛的应变范围 (300%) 和良好的稳定性 (2500 次循环)。由于这些优点，传感器可以有效地检测人的手指运动、面部肌肉、语音识别和生理信号。
图 2. RGO/PDMS 压力传感器 (a) RGO/PDMS 薄膜的制备工；(b) 工艺放大制备的 RGO/PDMS 薄膜的光学图 (20cm×13cm)；(c) 不同线性区域 RGO/PDMS 应变传感器相对电阻随应变和 GF 的变化；(d) 人体运动检测示意图
电阻型与电容型压力传感器在设计策略上有相似之处。例如，为了获得较高的灵敏度，通常会使用具有微结构的柔性衬底或导电层，如尖锥状阵列、球状阵列、柱状阵列、互锁结构等微结构的应用，显著提升了传感器的灵敏度。
电容型压力传感器一般由电极和介电层组成，属于一种平行板电容器，其电容值为：，其中，为真空介电常数，为相对介电常数，为电极有效面积，为极板间距。对于由软材料构成的器件，这三个变化量都容易受到压力的影响，因此可以根据电容信号的改变来测得压力的大小。比如，拉伸后，电容式传感器的电容面积发生变化，介质层厚度减小，导致柔性传感器的电容值增大。
厦门大学刘向阳教师及吴荣辉博士等人成功地制作了一种具有无线无电池监测系统的全织物压力传感器。如图 3 所示，该传感器将三维穿透织物夹在两个高导电织物电极之间作为介电层。由于间隔织物具有良好的弹性和恢复性，电容压力传感器具有高灵敏度 0.283 kPa - 1，响应时间快，循环稳定性好 (≥20000)。此外，还成功地设计和制作了共面织物传感器阵列，用于空间映射解析的压力信息。更重要的是，透气织物可以贴在皮肤上，通过谐振移频灵敏度为 6.8 MHz/kPa 的光纤电感线圈进行无线实时压力检测。
图 3. (a) LC 监测压力传感器原理图；(b) 电容传感器在压力下变化时作为介电层的 3D 穿透织物示意图；(c) 电容传感器无线监测系统示意图。
电容型压力传感器能够检测静态力，普通的柔性电容型压力传感器具有能量消耗小、信号漂移小、响应重复性高等优点。介电层是电容型压力传感器提升灵敏度和压力响应范围等性能的重要优化对象。由于软材料具有不可压缩性，如果不引入特殊结构，器件的灵敏度会非常低。因此，通过形成特殊的微结构，如球状、柱状、锥状，引入第二相，使用高弹性材料，引入气隙，将介电材料制成多孔的泡沫状等方式，都可以显著地改善电容型压力传感器的灵敏度。
压电型压力传感器是将压力信号转换为电压信号，其感应机理来源于压电材料的压电效应。压电传感器的传感机制是，当施加在压电介电材料上的力通过变形产生机械应力时，介电材料中偶极矩的变化会产生电势。压电材料在外界刺激的影响下产生电荷，从而产生电响应的透过率和对外界变化的检测。由于施加的机械应力，在压电材料的内部偶极子的体积中发生电极化，在压电材料的两个相对表面之间出现电位差。由于所施加的外部机械应力是变化的，电信号的差异也是变化的。压电开路电压表达式为：
式中，
为面积，
为压电系数，
为介电常数，
为厚度，
为机械应力。由于压电材料的特殊特性，压电传感器可以有效地响应高频信号，是一种非常适合于自供电的器件。
描述压电材料压电性能重要的参数是，称为压电常数，它体现了压电材料将机械能转化为电能或者将电能转化为机械能的能力。一般来说，越大，压电体的压电性能越好。这类传感器可以在压力下产生内部电压，电压的大小与应变有关，在无源压力传感器领域具有巨大的潜力。压电型压力传感器在测量动态力上有出色的表现，并且响应时间可达到微秒量级，但是在静态力的测量上还存在一些困难。
摩擦电型压力传感器出现的时间比电阻型、电容型以及压电型传感器都要晚。与电阻型和电容型传感器相比，它不需要提供电源；与压电型传感器相比，它可选择的材料范围更广。
摩擦电型压力传感器利用了摩擦起电的原理，具有成本低、制备流程简单和输出电压高的优点。它一般由上下两个电极和中间负责摩擦生电的不同材料构成，两层材料之间有一层薄薄的空气。当外加压力时，两种不同带电序列的材料相互接触，摩擦起电现象发生，在接触界面两侧产生相反的电荷；当压力释放后，带等量相反电荷的两个表面被自动分离，由于静电感应现象分别在电极表面产生补偿电荷；材料之间的空气层使两个表面上的电荷不能完全中和，形成电位差。这种机制使摩擦电型压力传感器可以在压力作用并释放后产生电信号。
摩擦电型压力传感器早在 2012 年被 Fan 等报道，他们用两种不同的材料：PET 和 Kapton (主要成分聚酰亚胺) 制成聚合物薄片叠加在一起，在结构的顶部和底部分别沉积金属薄膜，接通外电路后，输出电压高达 3.3 V，功率密度约为 10.4mW/cm3。
影响摩擦电型压力传感器性能的关键在于材料的表面结构。Yang 等设计了一种可以检测风力的摩擦电型压力传感器。当有风力作用时，会引起尼龙薄膜的震动，根据摩擦起电现象和静电感应原理，顶部的聚酰亚胺 (polyimide, PI) 和氧化石墨烯泡沫层会根据尼龙薄膜的距离远近而带上数量不同的正电荷或者负电荷。传感器输出的电压和电流与施加压力大小存在线性关系，随着压力增大，电压和电流都明显增加 (，，表示压力)，在小于 30 N 的压力范围内性能良好。
- 电容型压力传感器：结构简单，能够检测静态力和动态力，信号漂移小，但是容易被外场干扰，灵敏度受到介电层可压缩程度的限制。
- 电阻型压力传感器：同样能够检测静态力和动态力，并且结构简单，缺点是信号漂移较大，但是不容易受到外场的干扰。
- 压电型压力传感器：大部分只能检测动态力，响应时间快，相比于前两种具有可自供电的优势。
- 摩擦电型压力传感器：一般也只能测动态力，具有制作成本低、结构简单、输出电压高、自驱动的优点。
在测量对象上，一般电容型和电阻型压力传感器的应用范围更广，但也有例外。在一些恶劣的环境中，它们需要及时更换电源，比较耗费人力和物力。而压电型和摩擦电型的压力传感器由于可以自供电，能够长时间在野外检测信号，极大地节省了成本。
为了制备出性能优异的柔性压力传感器，材料选择和结构设计至关重要。
柔性衬底是压力传感器的主要部件，具有柔韧性和延展性，可以轻松地与人体的任何部位结合在一起。因此，柔性衬底要求材料既具有机械性能又要具有柔性。常用的柔性衬底材料包括聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、聚酯 (聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN) 、聚氨酯 (PU)、聚醚砜 (PES)、聚醚醚酮 (PEEK) 和聚酰亚胺 (PI) 等。
PDMS 以其优异的拉伸性能、高的热稳定性和化学稳定性、低的成本等优势，成为一种极具应用前景的硅橡胶材料。由于其轻薄、透气和优良的生物相容性，可以直接附在人体皮肤上而不会引起过敏反应，也可以作为柔性组织工程材料植入体内。此外，由于 PDMS 在固化之前是液态的，因此可以简单加工成各种形状，例如半球形、金字塔形、微柱形等微结构。
由于内部存在丰富的氢键，聚乙烯醇 (PVA) 具有自我修复特性，这使得具有 PVA 基材的柔性压力传感器具有抗损伤性。纤维和纺织品具有上述基材所缺乏的优良透气性，被认为是接近人体皮肤的天然材料。由于蚕丝具有生物相容性、透光性、机械坚固性等诸多优点，已被广泛报道为柔性和可穿戴电子产品的衬底。
敏感元件主要是通过敏感材料键合或者混合在柔性衬底上制得，因此敏感材料是设备感知外界压力刺激的关键部分，敏感材料的性能对于压力传感器的性能，尤其是灵敏度，起着至关重要的作用。常用的敏感材料是金属基材料（金属纳米颗粒和金属纳米线）、碳基材料（如炭黑、碳纳米管和石墨烯）、导电聚合物（如聚吡咯、聚苯胺 (PANI) 和聚（苯乙烯磺酸酯) [PEDOT:PSS]）、其他材料（如 MOF 和 MXene）。
用作柔性传感器件电极材料的主要标准是高的导电性、与基底的良好粘附强度和对机械变形的很强的鲁棒性。柔性传感器件电极材料的选择还必须考虑其机械柔性和稳定性。超薄电极适合于这种应用，因为它们可以承受弯曲力而不容易破坏导电路径。为了消除断裂的可能性，有必要将电极结构设计成波浪结构、蛇形图案和螺旋弹簧等方式，使其不会受到弯曲或扭曲作用力的影响。电极材料可分为金属、纳米材料、导电聚合物和导电织物四个类型。银 (Ag)、金 (Au)、镍 (Ni) 和铜 (Cu) 等金属是常见的电极材料，而对于柔性应用而言，石墨烯、碳纳米管 (CNTs) 或金属纳米线 (NWs) 等纳米材料由于其高导电性和柔性而被广泛。
柔性压力传感器在使用过程中会面临各种不同的受力环境。例如在人体表皮电子的应用中，关节的运动会导致贴附在其表面的电子器件承受较大的拉伸应变，这对材料的柔韧性提出了较高的要求。而在弯曲、拉伸、挤压等不同类型的应变当中，可拉伸性是考验器件性能的指标。要制备可拉伸的传感器，就需要电极和功能材料同时具有可拉伸性，这对材料的要求进一步提高。虽然有的材料可以拉伸，但是拉伸之后性能并不稳定，比如金属薄膜和柔性衬底组成的电极，在被拉伸到一定程度之后电导率会急剧下降。用金属纳米网络来替换金属薄膜可以增加拉伸时导电性能的稳定性，并拓宽可拉伸范围。此外，也要关注器件的共形能力。传感器可能用在平面、曲面或者处于变化中的表面，例如人体关节附近的皮肤表面。如果不能和皮肤良好地贴合（即共形），即使有很好的拉伸性能也不能准确地搜集到想要的数据。为此，传感器应尽可能地薄，并且弹性模量和皮肤接近，这样才不会和皮肤脱离。
