可穿戴传感器的最新进展

可穿戴生物传感器能够附在皮肤表面，实时监测佩戴者的健康状况和周围环境。传感器芯片配有数据读出和信号调理电路，以及无线通信模块，用于向计算机设备传输数据。

相关研究报告，该报告重点介绍了可穿戴传感器的最新进展，包括先进的纳米材料、制造工艺、基板、传感器类型、传感机理、读出电路和无线数据传输等，以及可穿戴技术的未来应用和可能会面临的挑战。

在本文中，传感器分为生物流体传感器（可直接与人体接触）和生理传感器（需要集成在可穿戴设备或基板上），用于监测身体各项指标以及外部刺激。可穿戴传感器主要用于识别人体表皮组织液中的各种生物标志物，如葡萄糖、乳酸、酸碱度、胆固醇等，还可用于监测脉率、呼吸、丙酮、乙醇、水分、温度、运动/活动、压力/应变、气体等。

可穿戴电子产品的升级：3D打印、纳米材料、柔性基板

通过设计经济高效的制造流程，以及选择合适的非平面基板，来开发传感器和电子设备，会让其应用领域更加多元化。与体相材料相比，各种纳米材料的灵敏度和加工性能都有了提高，这在很大程度上促进了传感器的开发和使用。

近年来，可穿戴传感器和电子设备开始用于实时监测人的健康状况。图1显示了近年来有关可穿戴电子产品应用的论文数量。

图1：每年发表的论文数量，论文标题包括可穿戴电子产品

各种各样的化学、物理和光学传感器可以分别嵌入或者组合集成到具有数据读出和信号调理电路的柔性基板上。

此外，数据可以被无线传输到附近的计算机设备中或上传至云端，并由医学专家进行分析，他们会根据数据反映出的健康状况给出相应指令。聚合物基板重量轻、成本低、柔韧性好，具有可弯曲性、可折叠性、可拉伸性，能够适应不平整的表面，同时其造成的数据损失可忽略不计，由于这些特性，它非常适合用于传感装置和电路的制造。

根据目前的发展情况，可穿戴电子设备的应用趋势在于：利用生物传感器，监测人体体液、生理活动和直接影响人类健康的周围环境中气态分析物。图2是一些具有代表性的例子。

在医疗保健领域，可穿戴传感器的开发面临着许多挑战，包括需要选择合适的基板、制造技术和具有生物相容性的材料，以及如何确保同时监测不同分析物、材料的耐洗性、读出电路的不间断信号等。最近，基于可穿戴基板的全有机生物相容性或混合传感器的发展，使用于体内监测的可穿戴传感系统成为可能。

图2：具有代表性的可穿戴医疗传感设备

如果在聚合物基板上开发可穿戴传感器，就需要相应的制造工艺。该技术应该考虑到基板的化学特性和热性能，并且能够实现成本效益高的大规模制造。

打印技术是最具潜力的制造方法，它可以用最少的工序，就将液相合成的功能材料沉积在所需位置。由于在开发过程中，材料得到了有效利用，以及其按需打印的特性，都使这项技术更具竞争力。与传统的硅基板相比，各种材料沉积在不同的基板上，能覆盖更大的区域。

打印技术的主要优势在于：较低的材料成本、更少的工业废物以及低成本的制造技术等。用于打印的墨水材料通常是溶解在合适溶剂里的纳米分散剂，根据不同印刷技术的处理要求，技术人员会调整其流变特性。

由于纳米材料具有更高的比表面积，因此非常适合用于制作传感器。在柔性基板上打印电子元件扩大了传感系统的应用领域，特别是可穿戴生物传感器，它可用于实时监测生物液体和生理活动。

在这一基础上，打印可穿戴电子产品成了主要的发展趋势。采用新技术将传感器直接植入人体，或者以可穿戴设备的形式，来监测各种与人类健康相关的生物标志物。

可穿戴传感器：持续监测健康状况，改善医疗保健系统

可穿戴传感器和电子产品发展迅速，特别是在健康监测、娱乐、时尚等领域，引起了人们的极大关注。其中，研究的重点在于开发生物传感器，它可以很容易地集成到可穿戴设备或基板上，用于持续监测健康状况。

研究人员预计，可穿戴传感器可改善医疗保健系统。特别是对于老年人和慢性病患者来说，因为他们需要持续的监测。图3介绍了传感机制，通过无线传输设备将可穿戴系统连接起来，然后将连接到人体的传感器生成的原始数据进行处理并远程传输给医学专家。

这些传感器大多用于监测生物体液，特别是汗液，也可以选择性地监测葡萄糖、乳酸、胆固醇和酸碱度等。汗液传感器还可用于检测各种生物分子和盐浓度。对于人类生理活动的监测，如脉搏、水合/脱水、温度、运动、压力等，也值得关注。

通过分析呼吸状况，也可以监测生物标志物，因为它与呼吸速率、深部体温、酒精含量以及呼出的挥发性有机化合物有关。大多数可穿戴生物传感器有一个单独的检测部件，它能够同时监测这些不同的生物标志物，而无需医生进行诊断。

利用具有生物相容性的材料和基板，可直接将传感器=植入到人的表层皮肤，或者将传感器整合到织入纺织纤维或作为可穿戴设备一部分的基板中。传感和互连设备主要由液相合成的功能材料制成，这些材料在打印过程中很容易成型，这是一种非常经济有效的制造方法。传感器与数据读出和信号调理电路相连接，使数据最终能够通过无线通信工具传输给计算中心或数据分析专家。

在大多数情况下，研究人员会选择手持移动设备，作为监控单个对象的计算工具。当需要分析多位用户的数据时，数据会被上传到云端，生成专家意见后再传回给用户。

目前，在聚合物基板上打印传感器的异构集成技术，引起了研究人员的关注，而现有的电子设备可以让数据处理和通信过程更快，纳米材料的最新发展使打印有相似基板的多功能传感器成为可能。

图3：通过可穿戴传感器和数据传输监测人体健康状况的信号流程图。

打印技术：制造过程更简单、经济、高效

打印技术可用于在非平面基板上制造传感器和电子设备。其中涉及使胶体或化学溶液中的功能材料沉积到特定位置。整个过程所需工序远少于标准的微细加工技术。

打印是一种“自底向上”的制造方法，即在生产过程中逐层添加材料。与传统的微细加工技术相比，这一特点使打印成为一种简单且经济高效的方法。根据打印介质与目标基板是否接触，打印技术可大致分为两类（图4）。

在接触式打印中，操作人员将已经设计好表面结构的打印介质进行上墨，并与目标基板进行物理接触。这种技术可用于丝网印刷、凹版印刷、柔版印刷、移印、转印等。

在非接触式打印中，打印头会将材料以微滴或连续喷射的形式喷出。这是数字化制造的一种技术，因为液滴会根据各自的驱动机制按需喷射出来。这种技术主要用于压电喷墨印刷、电流体喷墨印刷、气溶胶喷印等。非接触式打印更具优势，因为它利用了计算机软件，能快速更改设计结构，因此用途更加广泛。

此外，这一技术有望改善卷对卷(R2R)印刷工艺。通过安装不同的印刷和固化/烧结系统，作为通用平台的R2R，可用于快速、大批量生产电子元件。但是，对于全打印或半打印传感设备和系统来说，以上提到的每一项技术或工艺都至关重要。

图4：具有代表性的接触式和非接触式印刷技术

可穿戴传感器的基板：选用具有生物相容性的惰性材料

基板会影响传感器的物理、机械和电气特性。可弯曲性、可折叠性和可拉伸性的程度决定了基板是否能与非平面表面相结合，这是可穿戴电子系统的核心要求。厚度最小的聚合物薄板可作为理想选择。

聚酰亚胺、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯萘、聚二甲基硅氧烷等，都是常见的聚合物基板材料。它们的化学惰性、热绝缘性和电气绝缘性，使这些聚合物基板成为制造传感器和电子设备的理想材料。

用于制造皮肤传感器和基板的材料必须具有生物相容性，最近，相关人员正在利用聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚乳酸和纤维素来研制聚合物基板。此外，一些纺织材料做的非传统型基板也开始应用于可穿戴电子设备。

传感器用于生物标志物识别：葡萄糖、乳酸、酸碱度……

可穿戴传感器分为两大类：第一种是直接贴在皮肤上的传感器，用于检测体液（如汗液）中的生物标志物。第二种是监测生理活动的可穿戴传感器。图5显示了报告中所涵盖的具有代表性的可穿戴传感器类型。每一小节都对不同传感器的几何结构、材料、制造技术和传感机制作了简要介绍。

生物液体传感器可用于识别人体表皮组织液中的各种生物标志物，如葡萄糖、乳酸、酸碱度、胆固醇等，以及监测脉搏、温度、呼吸速率、血液酒精浓度等生理指标，在医学诊断和健康监测方面具有潜在的应用前景。

图5：本报告中所涵盖的具有代表性的可穿戴传感器类型

在可穿戴电子产品中，汗液传感器可用于检测与人类健康风险相关的不同分析物的浓度。汗液是在特定情况下排出的体液，含有几种与人体健康状况有关的分析物，如钠、氯化物、钾、碳酸盐、氨、钙、葡萄糖、乳酸等。这些分析物在血液、唾液、泪液和汗液中的含量，可作为主要的生物识别物质，用于评估人体健康状况。

汗液传感器可以贴在皮肤上，而且一次性传感器贴片可以进行更换，这种操作简单的无创式传感器很适合作为可穿戴产品。现有的大多数可穿戴传感器都用特定的酶进行了功能化处理，以提高对特定分析物的选择性和敏感性。在可穿戴领域，各种生物液体传感器的应用广泛，其中最主要的包括葡萄糖传感器、酸碱度传感器、乳酸传感器、胆固醇传感器等。生理活动传感器则分别用来监测脉率、呼吸、丙酮、乙醇、水分、温度、运动/活动、压力/应变、气体等。

前景展望：应用广泛，但仍面临多方挑战

目前，可穿戴传感器领域发展迅速，已经取得了显著成果。这种非侵入式的方法可以用来持续监测人类的健康状况，而且不仅仅局限于慢性病患者，此外，它在健身、娱乐、时尚等领域也有广泛的应用。

通过利用打印技术处理液相合成的纳米材料，能制成各种带有柔性基板的生物传感器，使制造过程更具成本效益。越来越多的可穿戴传感器用于识别皮肤分泌的体液中的生物标志物，以及持续监测生理活动，这表明了它在生物医学领域的应用前景。

可穿戴传感器和系统有望颠覆医学诊断领域。然而，它的发展仍面临着多种多样的挑战，从制作工艺、材料、基板、信号读出电路到选择性、多功能性、同时监测性以及人类对这些传感器的适应性，这些都是未来需要解决的问题。将高级纳米材料与聚合物基板相结合，是研发适形电子设备的关键。

聚合物基板的玻璃化转变温度较低，阻碍了密集型集成器件的开发，这种器件拥有无机半导体材料做成的传感薄膜。因此，液相合成法被用于传感器的开发，从而在转变温度较低的情况下，制造较大型的设备。此外，由于不同材料的集成需要不同的制造工艺，如何将不同材料集成到多层设备结构中，也是需要考虑的问题。

材料和基板的生物相容性对于可穿戴电子产品来说十分重要，尤其是植入皮肤/表皮的传感器。材料的物理、机械和化学特性需要和基板的特性匹配，以避免在热学、电学和多层集成上出现问题。可吸收生物材料和基板有望用于开发植入式电子产品。

可穿戴电子产品的实际操作也面临一些挑战，即需要特殊条件和传感器的预处理，来提高灵敏度、选择性、稳定性和检测极限等。其中一些处理方法，例如在气体传感器中使用微型加热器进行局部加热，或利用化学处理来恢复初始状态，在传感器整合到可穿戴设备上的情况下，都是没有效果的。

同时监测多个分析物也具有挑战性，因为不同传感器之间的串扰会影响其选择性检测。此外，在长时间保持相同的操作水平时，增加传感器、数据处理单元和无线信道的密度将需要更多的电力支持。在这种情况下，选择持久耐用的可穿戴电池、超级电容器、高效太阳能电池和燃料电池等，能保证整个系统顺利运行。此外，还需要开发方便高效的通信工具/信道和制定相关的网络协议，保证传感器节点和计算设备之间数据的流畅传输。

研究人员还需考虑到数据安全的问题，因为整个过程涉及穿戴者的大量个人信息。网络攻击或操作不当导致的安全漏洞，可能导致对个人健康状况的错误分析，从而产生严重后果。因此，需要制定一种包容性研究策略，来应对这一跨学科领域的挑战，积极的合作研究将在这些新型传感器的商业应用中发挥重要作用。