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疆亘观察

柔性传感器具有良好的柔韧性、延展性，可以自由弯曲甚至折叠等优势。从刚性到柔性的突破，极大拓展了传感器的应用场景。随着人工智能时代的到来，柔性传感器的低成本和切合性必将展现空前的发展机遇和投资机会。

摘要

纵观传感器发展历史，从传感器1.0时代到4.0时代，传感器作为时代变革的“眼睛”和“神经”受益于时代的变革。柔性传感器与人工智能紧密切合，但也充满着挑战，当下柔性传感器的挑战主要表现在稳定性、精度和可靠性、大规模生产、下游应用领域的突破。

风险

人型机器人行业发展不及预期；柔性传感器新技术发展不及预期。

正文

01

什么是柔性传感器

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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。所谓柔性，是与刚性相对而言的，柔性传感器采用了柔性基板，其本质上是一种薄膜，通常采用聚酰亚胺（PI）、聚酯(PET)、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等材料制成。从刚性到柔性的突破，极大拓展了传感器的应用场景，不仅是游戏领域中的智能穿戴设备，还有医疗大健康领域的电子皮肤、疾病诊断设备、健康监测设备、智能颈枕、智能按摩设备，消费领域的智能手环、元宇宙手套，智能家居领域的智能床垫，甚至是马斯克提出的脑机接口。简言之，人工智能的发展为柔性传感器的发展带来空前机遇。

传感器发展历史

人类历史上最早记录的传感器：公元前3世纪古希腊科学家费罗发明的温度计可用于检测温度变化；公元132年张衡发明的的地动仪，可用于检测地震并估计其方向。早期传感器（我们定义为传感器1.0）将物理量/事件转换为易于观察的机械输出。后来，随着电力的发现和发电机的发明，人们设计了将物理参数转换为电信号的传感器，从而实现了控制功能（传感器2.0）。例如，1883年沃伦·约翰逊发明的电热远程温度计不仅可以监测温度，还可以调节自动温度控制系统的功能。到了传感器3.0时代，电子行业的发展促进了传感器与其他电子部件的微型化和集成化，智能手机和智能手表等智能设备的诞生，促进了数十种传感器集成与应用。未来，随着物联网（IoT）、工业4.0、大数据、人工智能（AI）、机器人和数字健康等领域的进步将促使传感器变得更加智能化和柔性化，传感器将进入4.0时代。

柔性传感器的分类

柔性传感器种类丰富，新型材料应用带来多种可能。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。

按照用途分类，柔性传感器包括柔性压力传感器 、柔性气体传感器 、柔性湿度传感器 、柔性温度传感器 、柔性应变传感器 、柔性磁阻抗传感器和柔性热流量传感器等。其中，柔性压力传感器还包括电容式、压阻式、压电式等，其所用的基础材料包括纳米线、碳纳米管、聚合物纳米纤维、金属纳米颗粒、石墨烯等。

柔性智能传感与传统智能传感器的优势

传统智能传感器高度集成且微型化，可以作为智能电子产品/机器的组件，但它们小巧且刚硬的形态因素限制了它们在许多应用领域的使用，如健康可穿戴设备、交互式机器人、智能包装和建筑集成电子设备。在这些领域中，柔性传感器可以实现与应用场景的紧密贴合柔性传感器能够测量动态和/或形状变化的物体以及大面积的非平面表面，这得益于它们的机械柔韧性和伸缩性、形状适应性以及制造的可扩展性，这是刚性传感器通常难以实现的。柔性传感器重量轻，这得益于使用有机材料和/或薄膜形态因素，有利于集成、分发和应用。此外，一些柔性传感器可以使用低成本材料和大规模工艺（如印刷）制造，使得大规模部署在经济上可行。重要的是，使用有机材料，柔性传感器的制造可能提供更环保的生产和处置方式，解决日益严重的电子废弃物问题。

02

柔性压力（触觉）传感器进展

G A G E

柔性传感器种类繁多，各类传感器的特点各异，。下文以柔性压力（或触觉）传感器为核心介绍。

经典柔性压力传感器

根据传感原理，经典柔性压力传感器主要分为电容式、电阻式、压电式以及摩擦电式。电容式压力传感器的工作原理是：电介质受力变形后其厚度或介电常数等结构参数的改变引发器件电容值的变化，从而赋予电容器传感功能。电阻式压力传感器则是依据导体材料的压阻效应，载荷下器件的几何形貌、能带结构或接触状态的改变导致电阻变化，实现对力的响应。材料的压电效应也被作为一种常用的传感方式，在外部载荷下非中心对称晶体的定向变形导致电偶极矩分离，进而产生压电势，达到反馈力刺激的目的。摩擦电式压力传感器：这类器件利用的是材料受力摩擦生电的机制，它是一类可自供能的传感器件。在这四类传感器中，电容式压力传感器的结构简单、信号稳定，且能与静态力测量兼容以及低功耗优点，得到了科学和产业界的广泛关注。

电离式柔性压力传感器

2011年提出了一种被称为界面超级电容式传感的全新压力传感模式。该类传感器是利用在弹性电解质-电子界面上形成双电层(electric doublelayer, EDL) 的超级电容器特性来进行传感测试。这种传感机理的实现主要依赖于界面上采用离子-电子学传感机制和优化结构，而不只是单纯的依靠选用低模量的电介质或构筑微结构，可以更好地满足上述要求。这种独特的液-固相融合的电容式压力传感器将离子导体物质与电极材料结合在一起，通过在离-电界面处形成 EDL 电容，使得器件的电容密度可达到 µF/cm2级，比传统平行板电容器的 pF/cm2 高出 3-5 个数量级，从而可显著提高电容传感器对压力的分辨率以及灵敏度。该类传感器可灵敏度可超1000 KP-1，是目前报道的传感器中性能最为优越的传感器。然而该类器件包含离子，器件的性能极易受外界环境的影响，其应用依然面临极大的挑战。

悬浮栅柔性传感器

传统的智能传感器集成了MENS和ASIC两种系统，其中MENS将各种信号转化为电信号，而ASIC可将电信号放大，从而提高传感器的灵敏度，这种智能传感器的特点是由于集成了两类器件，且器件以无机半导体为核心，难于制备柔性器件且成本高昂。悬浮栅柔性传感器将MENS和ASIC系统集成在单一器件上，以高分子半导电体为核心层，外界信号可将绝缘层（厚度或形状）发生改变，导致绝缘层电容发生变化，从而实现电信号放大的功能，实现了超灵敏的信号检测。该类传感器是基于传统智能传感器原理的创新与发展，其产业化具有优势。

03

柔性传感器的挑战

G A G E

柔性传感器的挑战，主要包括以下几个方面：

· 稳定性

柔性传感器的稳定性挑战主要来自制造过程中使用的有机高分子材料，这些材料往往会随着时间的推移而退化，且其特性容易受到环境因素的影响。

· 精度和可靠性

大多数柔性传感器在长期使用过程中，由于机械变形、环境因素等影响，会导致传感器性能漂移，从而降低传感器的精度和可靠性。

· 大规模生产

柔性传感器的制造需要精细的工艺和设备，目前柔性传感器仍主要基于实验室研究，从实验室到大规模生产，传感器的性能和质量是一个重大挑战。四、应用领域：尽管柔性传感器具有广泛的应用前景，但其大部分产品仍未受到市场的检验，下游对基于有机材料的柔性传感器仍充满疑虑。

04

柔性传感器的展望

G A G E

柔性传感器下游应用领域广泛，医疗+机器人+消费电子/IOT 打开成长空间。柔性传感器下游应用包括机器人、医疗健康、航空航天、军事、智能制造、汽车安全和手机与电脑的触摸式显示屏等多领域，不同领域所呈现出的柔性传感器具备不同的特点。长期看，柔性传感器的发展将助力医疗健康、机器人、消费电子领域这三个行业迎来质变。此外，人形机器人对电子皮肤提出更高要求。

特斯拉人形机器人的推出将聚光灯再次汇聚在人形机器人这一赛道上，特斯拉对于机器人的未来构想要求机器人要尽可能模拟人体的触觉，以及实现人体皮肤对温度、湿度等外界物理量的感知，这对于电子皮肤提出更高要求，要求其具备更加稳定且完善的功能。

长久以来，学界对电子皮肤进行大量研究，目前主流的观点是采用新材料和新制作技术去实现柔性化、交互式以及采用新材料和新结构实现弹性化、透明化。简言之，人工智能，尤其是人型机器人的产业化将带动柔性传感器的产业化。