传感器

光电化学传感器与表面等离子体共振(SPR)传感器是化学传感器领域快速发展的关键方向。

a化学电阻式传感器和五种场效应晶体管式化学传感器的结构示意图：b顶栅顶接触式、c顶栅底接触式、d背栅顶接触式、e背栅背接触式和f侧栅器件。

a电阻式与电容式应变传感器的结构及性能对比。

I化学传感器结构与原理演进

同时，分析了化学电阻型和FET型传感器的结构特点与制备工艺，介绍了响应/恢复时间、漂移、灵敏度等关键性能指标，以及主成分分析、线性判别分析等常用模式识别算法。

图文导读I化学传感器结构与原理演进本综述以图1为切入点，呈现化学传感器的发展轨迹。

III传感器结构与性能评估指标

III传感器结构与性能评估指标图3聚焦于化学电阻式和场效应晶体管(FET)型化学传感器的结构与性能指标。

a单变量传感器、b传感器阵列和c多变量传感器的结构示意图。

图3聚焦于化学电阻式和场效应晶体管(FET)型化学传感器的结构与性能指标。

图6a为石墨烯基FET型生物传感器结构示意图，图6b展示用于识别COVID-19样本的三种曲线特征提取方案。

图6d为石墨烯基FET型气体传感器结构示意图，图6e展示其在不同气体中的瞬态电导率分布。

在美国约翰霍普金斯大学从事博士后研究工作期间，深入研究了基于有机晶体管器件的传感器结构设计及性能优化，并与美国NanoTerra公司合作研发商用晶体管传感器。

e柔性光电多模态传感器的结构示意图。

人体和自然界其他生物独特的生理结构给触觉传感器的结构设计带来了许多启示。

研究人员成功地将仿生学原理与触觉传感器的结构设计相结合，设计开发了许多高性能的柔性触觉传感器。

传统上，触觉传感系统的设计通常以传感器的结构和性能为核心。

随着多种“从2D向3D演进”的机械牵引式3D结构设计策略被提出，三维空间内的功能实现已成为未来触觉传感器结构领域的重点研究方向。

最后指出当前挑战，如生物标志物关联不稳定、传感器稳定性不足等，展望未来方向，包括个性化校准、闭环治疗系统及监管伦理完善，为无创糖尿病监测技术发展提供全面参考。

此外，本综述还解决了生物标志物验证、传感器稳定性、用户合规性、数据隐私和监管考虑方面的持续挑战。

d基于石墨烯的FET型气体传感器示意图。

a用于组织液(ISF)与汗液检测的声学传感器及酶促化学传感器示意图；

g多功能可穿戴传感器的示意图；

b纳米纹理葡萄糖传感器的示意图；

b适配体型石墨烯场效应晶体管(GNFET)生物传感器的示意图；

f汗液率传感器的示意图；

h基于汗液的可穿戴诊断生物传感器示意图；

i多分子印迹聚合物(multi-MIP)氨基酸传感器的示意图(左侧)，以及不同氨基酸传感器对其他氨基酸的选择性(右侧)。

j乳酸传感器的示意图；

k汗液率传感器的示意图及实物照片；

图7聚焦抗体基生物传感器，展示其在糖尿病相关生物标志物(如皮质醇、细胞因子)检测中的设计、结构及应用，含多类传感器示意图与性能数据。

本文从机理、材料、结构设计、系统集成等多方面介绍了柔性触觉传感器研究的最新进展。

GATOR2包含16个蛋白亚基，这些亚基需在细胞内组装，并通过动态构象变化与营养素传感器相互作用。

为解决这一问题，使用压力传感器监测不同充放电倍率(C-rate：0.5C、1C和2C)条件下这些电池的爆炸行为。

压电电子学传感器配有外部电源，利用压电势来调节界面势垒高度，从而控制流经传感器的电流。

触觉传感器的灵敏度和检测范围之间的根本矛盾；

这种独特的设计提高了压力传感器的灵敏度和机械性能。

显然，这种策略通过改变凝胶整体的结构而降低了水凝胶的模量，使电容式传感器的灵敏度升高。

该传感器的灵敏度高达1622kPa⁻1，检测范围为160kPa，电导率为4.01S/m，响应时间为33ms，检测限低至1.6Pa，优于大多数现有的纤维素传感器。

该传感器的灵敏度高达1622kPa⁻1，检测范围高达160kPa，电导率为4.01Sm⁻1，响应时间为33ms，检测限低至1.6Pa，优于大多数现有的纤维素传感器。

传统压电传感器和压电电子学传感器的比较在静态力(a)、动态力检测(b)和响应/恢复时间(c)方面的比较。

随后重点分析可穿戴传感器技术，涵盖化学传感器(酶基、抗体基、适配体基、分子印迹聚合物基)和物理/生理传感器(汗液率、血压传感器等)，详述各类传感器的设计原理、结构优化及性能，如酶基传感器的三代发展、抗体基传感器的检测限优化等。

d适配体场效应晶体管(FET)传感器检测皮质醇的示意图，及e响应曲线；

然而，锂电池内部的恶劣环境(如电解液的腐蚀性、电极反复膨胀/收缩以及显著的温度梯度)可能导致传感器材料的降解(如封装层脱层)。

在过去十年中，基于纳米纤维的柔性传感器材料取得了显著进展，但仍面临若干挑战，包括如下六个方面(图12)：复合材料的多样性：基于纳米纤维的复合材料传感器通过对各种组件优势的协同组合，表现出更高的性能。

1.2静电纺丝纳米纤维的微观结构通过调整电纺丝参数可以获得不同微观结构的纳米纤维，而这些参数反过来又决定了传感器的机械和电气性能。

为此，北京科技大学化学与生物工程学院林祥/华南理工大学材料科学与工程学院武文杰等人以智能触觉传感系统设计制备策略与应用需求间的矛盾为导向，系统总结了智能触觉传感系统的通用传感机制、启发结构、关键性能和优化策略，全面概述了系统集成和算法实现等方面的最新进展，提出了触觉传感器未来发展路线图，着重比较了触觉传感器的未来工业应用及目前各柔性传感器制备策略的优劣性，为柔性触觉传感器的现实应用提供了前瞻性和批判性的思考。

1、数据层：多源异构数据采集与融合输入端：传感器数据（雷达、摄像头）、文本/日志（社交媒体、系统日志）、人类行为数据（操作记录、指令）等。

该模型适用于高动态、高不确定性、人机必须协作的复杂系统，典型场景包括军事指挥，融合战场传感器数据与指挥官经验，预测敌方行动并优化己方部署；

实时数据处理：构建高效的计算系统，能够实时处理来自各种传感器的数据。

环境建模与理解：利用传感器数据构建周围环境的三维模型。

一些事件的发生，如交通事故的发生是一个客观事件，其发生的时间、地点和原因可以通过监控视频和传感器数据来确定。

态势感知的主客观性是同时存在的，这种融合使得态势感知成为一个动态的、适应性强的过程，在现代军事和安全领域，态势感知系统通常结合了传感器数据（客观）和人工智能算法（部分主观，因为算法的设计和训练受到人类经验的影响），这些系统能够实时处理大量数据，并提供决策支持。

总而言之，电化学传感器技术相对成熟，应用较为广泛。

II碳基材料特性与微观结构碳纳米管和石墨烯作为关键传感材料，其独特结构和优异性能对传感器性能起着决定性作用。

图3g和图3h分别为传感器的响应曲线和校准曲线，用于定义和理解响应时间、灵敏度等关键性能指标，这些指标是评估传感器性能的重要依据，有助于定量分析传感器在不同条件下的检测能力。

碳纳米管和石墨烯作为关键传感材料，其独特结构和优异性能对传感器性能起着决定性作用。

2.1基于光学传感器的性能优化

在原子和分子尺度上对材料进行改性，可显著提升用于锂离子电池(LiBs)监测的传感器性能。

纳米技术、小型化、机器学习算法和无线传感器网络的进步推动了锂电池传感器技术的创新潜力，这些有助于提高传感器性能。

虽然自愈合传感器已被广泛探索，但愈合后的传感特性将不可避免地下降，为应对这些挑战，未来的研究应侧重于开发创新策略，以提高柔性传感器的性能和可靠性。

a触觉传感器的性能评估指标包括灵敏度、线性度、滞后、漂移、响应时间、重复性等方面。

除了提高单个传感器的性能外，整个系统的集成也构成了一个值得深入研究的重要研究领域。

英国曼彻斯特大学YiLi等人全面讨论了无创可穿戴生物传感器的当前发展，强调同时检测生化生物标志物(如葡萄糖、皮质醇、乳酸、支链氨基酸和细胞因子)和生理信号(包括心率、血压和出汗率)，以实现准确、个性化的糖尿病管理。

主要研究方向包括(1)纳米结构新功能材料的制备与应用，(2)光/电化学反应动力学、反应机理研究，(3)化学生物学传感器的开发与应用。

图2展示了MXenes自2011年被发现以来的发展轨迹，包括从传感器应用到智能系统集成的进展。

然而，传统的基于电流的压力传感器的应用范围有限，因为它们经常与聚合物基板或封装层结合使用，这可能会导致磨损过程中的不适(例如，低空气/蒸气渗透性和机械失配)可以通过巧妙地利用MXenes的多层多孔特性，使传感器不仅具有高灵敏度，而且具有出色的循环稳定性和抗穿刺性，能够检测各种人类活动，包括细微脉冲，脉冲振动，以及步行和跑步等大规模运动。

II热拉伸柔性纤维传感器的应用

随着纤维“摩尔定律”的提出，高密度器件集成将更易实现，热拉伸纤维状复合传感器的应用前景将更加广泛。

基于此，下一代可穿戴生物传感器实现的整体、多模式方法在改善患者预后和促进糖尿病管理中的主动医疗保健干预方面具有巨大潜力。

3、动态适应与鲁棒性提升面对突发干扰（如传感器失效、敌方欺骗），计算层通过冗余数据切换或元学习快速调整模型；

这种创新设计使微激光器传感器，兼具低激光阈值与定向光发射特性，有效提升光耦合效率，实现传感器在芯片上集成。

c通过多层结构集成电容传感阵列与摩擦电传感器的器件。

目前，触觉传感器器件的集成策略已得到广泛研究，涵盖3D层压技术、残余应力诱导组装、界面分层诱导组装、毛细管力诱导组装等多种方式。

(k)耐久性测试期间传感器响应能力演变。

c传感器响应与恢复时间；

大部分声学传感器的原理都是压电效应，压电聚合物是柔性声传感器中应用最广泛的材料，但是其压电常数d₃₃低。

a–d流量纤维传感器的制备。

g–i电容式流量传感器的制备。

柔性纤维传感器具有优异的可穿戴性和生物兼容性，是柔性电子产品的重要组成部分。

总体而言，光化学传感器具有灵敏度高、信号传输损耗低以及检测下限极低的优点。

电化学传感器具有测试简便、成本低的特点，主要应用在定量分析领域。

IIIMXene基智能隐形眼镜传感器在眼内压监测中的创新应用

（1）设计了可控氧空位介导的MoO3微米带，用于高性能室温三甲胺传感器；

III用于电化学性能的传感器优化

医用精度，步态智感：基于该传感器的智能鞋垫实现了医用级验证，胫骨地面反作用力(GRF)预测误差仅1.8%(相比非线性传感器的6.5%)，可用于早期应力性骨折风险的精准预测，验证了其在医用可穿戴设备中的应用潜力。

基于FIPS构建的智能鞋垫系统在步态分析中实现了对胫骨负荷的1.8%预测误差(远优于传统非线性传感器的6.5%)，展现出其在运动损伤预警与骨折风险预测中的巨大应用潜力。