柔性湿度传感器 高生物兼容性，可降解，非接触控制的柔性湿度传感器

高生物兼容性、可降解、非接触控制的柔性湿度传感器

2020年4月9日，吉林大学王丽丽副教授课题组与中国科学院半导体研究所沈国震研究员课题组报道了一种基于生物材料的可降解柔性湿度传感器，该智能传感器具有超高的灵敏度、快速的响应时间和良好的循环稳定性，能够满足监测人体呼吸状态的所有要求，同时还具有非接触特性和辨别湿度刺激等能力，以题为 “Biocompatible and Biodegradable Functional Polysaccharides for Flexible Humidity Sensors”发表在Research上 (Research, 2020, 8716847, DOI: 10.34133/2020/8716847)。

柔性可穿戴传感器，可以用来表征反映人类健康活动、生命状态信号的一些特征，如呼吸频率、关节运动、血压、血糖、脉搏等，已广泛应用于生物医学领域。

作为最重要生命体征之一，人体呼吸活动的监测是现代医学对于心肺和呼吸系统功能判断的重要依据，其在疾病诊断、健康状况监测及个人医疗保健方面都具有广泛的应用。较于传统的多导式呼吸监测系统，具有快速响应柔性湿度传感器在呼吸监测中由于其易用性受到了广泛关注。然而，在呼吸监测应用中，可穿戴湿度传感器需要与人类皮肤保持安全接触，使长期接触造成的伤害最小化，并为佩戴者提供最大的舒适感。

因此，设计一种具有高灵敏度、超快响应速度且具有良好生物兼容及生物可降解性，同时具有优异稳定性的湿度传感器非常重要。天然生物材料具有内在的生物相容性和生物降解性，已被用于各种应用领域，如神经植入物、锂电池、印刷电子产品和药物递送。这一柔性医学器件不仅可以穿戴在人体复杂的皮肤表面，而且在完成功能后完全溶解在人体内，是湿度传感器的潜在理想材料。

吉林大学王丽丽副教授课题组与中国科学院半导体研究所沈国震研究员课题组联合报道了一种基于天然壳聚糖/木质素复合生物材料的可降解柔性湿度传感器。通过细胞毒性实验进一步证实了天然可降解生物复合膜直接与人皮肤或活组织界面的生物相容性（图1）。

图 1 基于质子导电的壳聚糖基柔性湿度传感器

与对照组相比，可降解的生物复合膜对人皮肤成纤维细胞HSAS1和HUVECs的细胞活力没有明显影响。这些结果表明，天然可降解生物复合膜具有生物相容性，在皮肤上使用是安全的。

在潮湿条件下生物复合膜电流的增加是由于多糖类膜中水和多糖之间形成了氢键网络。较高的吸水性会形成更具有质子导电性的氢键，形成一个三维网络，质子可以通过Grotthas型机制沿着这些链移动。我们还采用有限元分析模拟了可降解生物复合膜中质子电荷密度的变化。模拟结果表明，由于可降解生物复合膜的均匀性，在相同湿度下，电位分布没有明显变化；也就是说，电场分布不受湿度的影响（图2），同时随着湿度的增加，敏感膜中的质子数量逐渐增加，增强了质子导电性能。

图2 生物兼容复合薄膜基柔性器件中的质子密度模拟

根据上述计算结果，图3所示为柔性器件的湿度感知性能，器件敏感性的增加是由于在相同的相对湿度下，生物材料吸附在通道中的水分子数量增加，导致输送的质子密度增加，实质上影响了通道的导电性。为了评估这些传感器检测人体湿度相关生理行为的能力，我们测量了人体运动前后的呼吸速率变化。柔性传感器的超快性能允许在人体运动过程中捕捉到与呼吸速率中的水分调节相关的细微特征。人们可以使用这个湿度传感器来监测日常环境中相对湿度以及人体表层相对湿度的变化和人体的呼吸状态，来跟踪和记录人体的健康状态的变化。

图3 生物兼容的湿度传感器对人体健康的监测

通过模拟计算得出在手指周围具有梯度式相对湿度值，这启发我们可以通过手指控制器件的启动，我们通过传感器对不同距离指尖的湿度的灵敏度的控制，来探测环境湿度。因此除了在医学上的应用还可以将该柔性湿度传感器作为非接触式控制器的开关（图4）。有意思的是，我们组装了一个智能非接触控制开关系统，利用传感器对不同距离的指尖湿度的敏感响应。当指尖接近并离开设备时，LED灯的亮度将会发生变化。通过距离的不同，来控制LED亮度的变化。

图4 柔性器件应用于非接触控制

功能化壳聚糖是一种由酯类组成的生物可降解多糖，可通过酸水解分解为低聚物。将独立的生物质子柔性器件置于pH为5.5的透明玻璃培养皿中，在室温条件下，通过在不同时间点拍摄的一系列光学图像，研究了该器件的降解特性。如图5所示，柔性器件在35分钟内完全降解。

图5 柔性器件的生物降解性研究

未来展望

生物材料经过数百万年的自然演变及优化，具有独特、天然、复杂的结构特性及化学组成，还具有优良的机械性能，除此之外，生物材料还具有含量丰富、可再生、可降解的特点。这些天然材料的特殊结构和性能促使研究者们去探究某些材料的结构或表面为何会显示出优异的性能，并从大自然中寻找新材料的设计灵感，用来制作可以穿在身上的柔性电子设备。

作者简介

王丽丽，现任吉林大学电子科学与工程学院副教授。2017年和2018年分别入选中国科协“青年人才托举工程”和“未来女科学家”计划，目前研究方向主要围绕新型生物及仿生材料开展系统的柔性传感器件在医学、环境和能源领域的研究，以第一、通讯作者在Chem. Soc. Rev, Adv. Mater. ACS Nano等期刊发表SCI论文60篇，其中入选ESI热点及高被引论文7篇，全部论文总他引3000余次，H-index 35。

沈国震，中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。以第一完成人获北京市科学技术二等奖、中国材料研究学会科学技术一等奖、茅以升北京青年科技奖等奖励和荣誉。现任中国材料研究学会理事，英国皇家化学会会士；以及学术期刊 Nanoscale Research Letters、《半导体学报》等十余种国际期刊编委、编辑等职。长期从事低维半导体材料与相关柔性器件的研究工作，迄今发表SCI论文200余篇，被引用近20000次，主编《柔性电子学》、《纳米线电子学》英文专著两部。

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《Research》是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的定位为国际化、高影响力、世界一流水平、综合性、大型OA科技期刊，是美国《Science》自1880年创刊以来第一本合作期刊。主要发表生命科学、新材料研、新能源、人工智能、微纳米科学、环境科学、机械科学、机器人与先进制造8个具有巨大发展潜力的热点交叉领域突破性研究成果。目前已建立了93人的国内外各占50%、具有国际影响力的编委会，主编(中国)为西北工业大学常务副校长、中科院院士黄维，主编(国际)为美国明尼苏达大学麦克凯特杰出教授崔天宏。已被CAS、CSCD、DOAJ、ESCI、INSPEC、PMC、Scopus数据库收录。

欢迎相关领域的科学家们踊跃投稿，关注和使用期刊的出版内容。

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中国柔性传感器行业分类、市场运行态势及产业链全景图谱分析

摘要： 柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性，可以自由弯曲甚至折叠，由于材料和结构灵活，柔性传感器可以根据应用场景任意布置，能够方便地对被测量单位进行检测。近年来，中国柔性传感器行业市场规模不断扩大，增长速度较快，主要是柔性传感器技术的不断进步和应用领域的拓展，为市场规模的扩大提供了有力支持。数据显示，2022年我国柔性传感器市场规模同比增长20.4%至21.12亿元。2023年中国柔性传感器行业市场规模约为25亿元。

一、定义及分类

柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性，可以自由弯曲甚至折叠，由于材料和结构灵活，柔性传感器可以根据应用场景任意布置，能够方便地对被测量单位进行检测。按用途分类，柔性传感器可分为柔性压力传感器、柔性气体传感器、柔性湿度传感器、柔性温度传感器、柔性光传感器、柔性PH/离子传感器、柔性生物传感器等。按照感知机理分类，柔性传感器包括柔性电阻式传感器、柔性电容式传感器、柔性压磁式传感器和柔性电感式传感器等。

二、行业政策

近年来，国家日益重视柔性传感器等智能传感器行业的发展，并出台了一系列政策推动柔性传感器行业发展。2023年3月，安徽省人民政府办公厅印发《以数字化转型推动制造业高端化智能化绿色化发展实施方案（2023—2025年）》，提出要突破纳米位移传感器、柔性触觉传感器、高分辨率视觉传感器、先进控制器、高精度伺服驱动系统、高性能高可靠减速器、可穿戴人机交互设备、工业现场定位设备、智能数控系统等基础零部件和装置关键技术。2024年2月，交通运输部印发《关于做好平安百年品质工程创建示范推动交通运输基础设施建设高质量发展的指导意见》，提出要探索推动智能感知传感器等监测设备与工程同步装配使用，提高交通运输基础设施安全防护监测数据可靠性、准确性。

三、发展历程

柔性传感器行业的发展主要经历了三个时期，分别是1990-2010年的早期研究与探索阶段、2010-2015年的技术突破与产业起步阶段以及2015年-至今的快速发展与市场规模扩大阶段。柔性传感器的研究始于20世纪90年代，随着新材料和微纳技术的发展，柔性传感器开始进入人们的视野。柔性传感器在医疗健康、机器人控制、环境监测等领域开始有初步的应用尝试。2010-2015年，柔性传感器在材料、工艺、集成技术等方面取得了一系列突破，如压电技术、热电技术、光学技术等的应用，提高了柔性传感器的性能。随着技术的突破，柔性传感器开始在消费电子、智能家居等领域得到应用，市场规模开始逐渐扩大。2015年-至今，中国柔性传感器产业逐渐形成集聚效应，多个传感器专业性公司和科研院所组成产业集群或基地，形成具有国际影响力的产业链构架。

四、行业壁垒

1、品牌壁垒

柔性传感器的设计、生产具有较高的技术含量，其产品主要应用于可燃气体、有毒气体检测或其他涉及人身安全的生产和生活等领域，因此，产品质量的优异性、稳定性和可靠性是购买者优先考虑的问题，因而产品品牌和声誉是影响购买者选择的重要因素。

2、研发壁垒

柔性传感器行业研发、设计过程中需要大量的经验参数积累，此外，柔性传感器相关设备也是在长期研发、生产过程中根据实践经验自主研制的，并非投入大量资金就可马上获得此类研发经验、研发设备，这也成为新进入柔性传感器行业的企业所面临的壁垒之一。

3、技术壁垒

目前国内外相关企业对柔性传感器研究生产历史仅数十年，技术资料缺乏，技术水平及成熟度相比其他传感器较低，且由于柔性传感器技术涉及领域较广，各项柔性传感器的工作原理相通性不大，所以研发难度较高，不容易被掌握。

五、产业链

1、行业产业链分析

柔性传感器产业链的上游主要包括柔性基底材料、导电材料、敏感材料、封装材料等；产业链中游为柔性传感器的生产制造；产业链下游为柔性传感器的应用领域，包括智能穿戴设备、电子皮肤、疾病诊断设备、智能手环、元宇宙手套、智能床垫等。

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