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内容概览
此篇综述总共有85页，综合了142位权威专家的观点，阐述了柔性传感器的发展历程，对未来面临的挑战进行了展望。文章特别详细地讨论了传感器性能、传感器生物界面、传感器供电、传感器连接以及从实验室走向市场化的各种挑战。最后，提出了一个全面的柔性传感器技术路线图，意在为研究工作提供明确指导，引领其迈向共同的目标。
文章名称：Technology roadmap for flexible sensors
期刊：ACS NANO
文章DOI：
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c12606
通讯作者：南洋理工大学陈晓东（Xiaodong Chen）教授
02
图文简介
技术发展历程
传感器1.0仅具有检测功能。传感器2.0具有电子反馈的特点。传感器3.0的特点是小型化和集成化。新兴的传感器4.0技术涉及传感器网络和先进算法，以实现增强的感知能力和人机密切合作。
图1 传感器技术的发展
表1 传统刚性传感器与新兴柔性传感器的比较
柔性传感器面临的问题
图2 对本综述涵盖的问题进行概述，包括近期柔性传感器面临的挑战（左侧）和长期需要解决的问题（右侧）。这五个挑战方面相互关联。
传感性能指标
柔性传感器的性能包括适用于刚性和柔性传感器的基本度量指标，包括经典的3S(stability-稳定性、selectivity-选择性和sensitivity-灵敏度)，以及柔性传感器特有的指标，包括对机械变形的耐受度和集成到大面积传感阵列中的单片集成。确定了这三个方面的关键度量指标:基本指标、机械性能和阵列性能。
图3 柔性传感器传感性能关键问题概述
稳定性（stability）
稳定性对于可部署传感器至关重要，因为它可以确保在不断变化的环境中可重复可靠地使用，特别是对于长期监测。本综述考虑了两个方面:时间和压力(如温度、湿度)。
图4。柔性传感器中常用材料对(a)水和(b)氧的阻隔性能与弹性模量的关系。较软的材料更灵活，通常更可拉伸，但阻隔性能较差。具有与弹性体和水凝胶相当的模量以及与无机物相当的渗透性的软屏障材料对于有效的封装是非常理想的(红色箭头)。
选择性（selectivity）
选择性是指传感器区分感兴趣的分析物和可能的干扰物的能力它最初是为化学和生物传感器定义的，但可以扩展到包括机械传感器(例如，压力传感器，应变传感器，扭矩传感器等)。 提高选择性方法有两种：特定传感器和选择性传感器阵列。
图5 气体传感器的选择性方案。(a)实现选择性气体感知的策略概览，包括特定的感知材料和选择性感知阵列。柔性气体传感器的应用领域主要包括健康监测和护理诊断。(b)对气体分子具有高感知特异性的金属-有机框架基纳米材料的示例。
灵敏度(sensitivity)
高灵敏度使传感器能够检测刺激中微小的变化，降低误报负信号，提高信噪比和准确性。
机械性能
在传感器与环境之间经常不可预测的机械相互作用下，这种灵活性也给保持传感器的完整性和性能带来了巨大的挑战。综述主要讨论了软硬接口、互联、材料界面的抗疲劳性能、应变效应解耦、运动伪影去除和抗损伤性等问题。
图6. 柔性传感器和阵列的互连方法。(a) 可扩展的柔性传感器系统布局包括柔性电缆和适用于平面柔性电缆 (FFC) 连接器的引脚。(b) 外部 FFC 通过各向异性导电膜 (ACF) 与柔性传感器系统粘合。(c) 印刷导体直接连接柔性传感器系统与外部电子设备。
阵列性能
在阵列集成过程中，涉及到像素密度和质量、读出效率、功耗管理和可制造性等方面的挑战；许多这些问题是相互关联的，需要全面的设计和制造策略。在这里，作者讨论了信号读出和多模式感知中最突出的挑战。
图7 传统时分多路控制(蓝色面板）和新兴事件驱动尖峰生成（红色面板）作为阵列数据收集策略。
生物界面
本综述主要讨论了生物界面材料，主要考虑生物相容性。
图8 实现兼容的传感器-生物界面的挑战。
图9 无缝传感器-生物界面：在材料和形态方面的重大创新
传感器供电
图10 柔性节能传感系统，包含多种电源管理策略
传感器连接
传感器连接指的是传感器之间以及传感器与控制设备（例如智能手机、计算机）之间的信息交换。通过有线或无线通信可以建立连接的传感器网络。有几种信息传递媒介可以建立无线通信，例如声波、光信号和射频电磁波。射频通信方法最常用，因为它们通过不同的数据传输机制（磁感应耦合、磁共振、远场辐射等）和广泛的频率范围具有多功能性，导致了适用于不同应用的具有独特特性的通信协议。
表3 无线传感器网络中常用的射频无线通信协议
图11 柔性传感器网络的展望。黑色箭头表示连接性。一组传感器节点可以在其内部进行通信，并可能被多个云服务器访问。由于连接密集，这两个网络合并成一个。最终，众多传感器节点可以连接成一个涉及更多网关和服务器的 '超级网络'。
实验室走向市场化
图12 柔性传感器从实验室走向市场化时需要解决的关键问题
智能感知系统的愿景
未来的智能传感器应具备以下特征（图13）：（1）完全自主（闭环）操作。从刺激检测和信号处理，到数据分析和反馈，同时与操作员/用户保持通信，（2）具备分析复杂传感器信号的能力（多模态和多路信号、阵列信号和传感器网络），以提供特定情境的准确和定制分析，并产生可行的反馈，（3）在非理想条件下表现出稳健性，包括对错误和噪声的容忍度，以及对变化环境的适应性；（4）学习能力，通过持续使用不断改进和提高性能；（5）高能效的快速响应（实时反馈）能力；以及（6）紧凑、轻便（对于生物整合而言，具有柔性）的外形因素。这些特征将使智能传感器能够高效可靠地解决复杂而非结构化的现实问题，同时需要更少的维护和管理。
图13 智能感知系统的愿景（优势列在图左侧）
技术路线图
作者从—尺寸、功能性能（以电气性能为代表）、机械性能、形态因素、次要功能和碳足迹六个方面勾勒出柔性传感器的发展方向，提出了一个全面的柔性传感器的技术路线图。为柔性传感器的发展提供发展方向，为多学科和跨价值链的发展战略提供指导。
图14 柔性传感器技术路线图
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文献来源
Luo Y, Abidian M R, Ahn J H, et al. Technology roadmap for flexible sensors[J]. ACS nano, 2023, 17(6): 5211-5295.
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