壓力傳感器，也被稱為觸覺/應(yīng)變傳感器，近年來引起了許多研究的關(guān)注，尤其是基于皮膚的柔性電子器件。它具有靈活性、耐久性、生物相容性等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，以及重量輕、應(yīng)變靈活，使得壓力傳感器能夠緊緊附著在人體皮膚上，實(shí)時(shí)監(jiān)測心率、呼吸節(jié)律等生理健康狀況。目前，文獻(xiàn)中已經(jīng)報(bào)道了多種高度敏感的傳感器系統(tǒng)，這些傳感器基于功能納米材料或混合微/納米結(jié)構(gòu)，將外界刺激轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。按照其傳導(dǎo)機(jī)制，可分為壓阻、壓電和電容式壓力傳感器。其中，壓阻式測量電阻率變化被認(rèn)為是最常見的一種，因?yàn)檫@種通過將力的變化轉(zhuǎn)化為電阻率的變化來進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和讀出機(jī)制的方式比較簡單。過去十年，對可穿戴應(yīng)變器件的靈敏度、測量因子、線性度、滯后、響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間以及超調(diào)行為等參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。盡管如此，若想進(jìn)一步提高柔性壓力傳感器的性能，其他設(shè)備的性能也應(yīng)該考慮進(jìn)去。如由于機(jī)械變形引起的傳感性能的變化，使得動(dòng)態(tài)變形下的壓力難以準(zhǔn)確測量。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，有研究者開發(fā)了一種基于復(fù)合納米纖維的可彎曲、超柔性的電阻式壓力傳感器。如圖a所示，傳感器的彎曲半徑即使下降到80μm，由于襯底薄(厚度< 2μm)以及材料本身的糾纏態(tài)納米結(jié)構(gòu)，使得傳感器性能保持不變。這使得可精確測量三維表面上的法向壓力分布，并且在注射針上纏繞器件前后性能變化很小。
大多數(shù)皮膚感受器在去除外力后無法保留觸覺信息。為了提高基于電子皮膚系統(tǒng)的通用性，可穿戴壓力傳感器的內(nèi)存特性便不可忽視。與神經(jīng)元間的突觸類似，柔性記憶傳感器可用于模擬大腦的記憶功能，存儲(chǔ)模擬值。如通過將壓力傳感器的底部電極替換為記憶器件的頂部電極陣列，實(shí)現(xiàn)柔性觸覺記憶器件，所施加的應(yīng)變可以保持一周以上，幾乎沒有衰減。而基于有機(jī)壓敏元件的有機(jī)非揮發(fā)性電阻存儲(chǔ)器，保留時(shí)間更長，至少6個(gè)月。然而，柔性壓力傳感器記憶體的商業(yè)化仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。圖e是一種基于柔性電阻變化非易失性浮動(dòng)門隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FGRAM)陣列的柔性電子壁紙觸覺觸摸存儲(chǔ)器陣列。由于InGaZnO薄膜晶體管具有在大尺度基片上實(shí)現(xiàn)集成電路的良好性能，因此被用作柔性壓力傳感器陣列的FGRAMs。例如，這種電子壁紙的價(jià)值在于它能夠像留言板一樣記住觸摸信息(圖f,g)。如果沒有觸摸，程序電壓與FGRAM的柵極斷開。在傳感器上施加觸覺觸摸后，程序電壓以閾值電壓的正偏移提供給FGRAM。結(jié)果表明，用三支筆在器件上施加壓力兩小時(shí)后，仍能保持信息，觸發(fā)- 15v擦除電壓即可刷新信息。而且通過集成溫度傳感器，可以對室溫進(jìn)行記憶和控制。
到目前為止，大多數(shù)以皮膚為靈感的可穿戴式應(yīng)變傳感器都是用來監(jiān)測心跳或呼吸速率的，而心跳或呼吸速率與疾病密切相關(guān)。穿戴式應(yīng)變傳感器的另一種同樣重要的應(yīng)用是其監(jiān)測物理運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)的能力。盡管各種可穿戴傳感器在監(jiān)測健康狀況方面取得了巨大進(jìn)展，但僅檢測健康信息無法進(jìn)行充分的分析來精準(zhǔn)預(yù)測或診斷疾病。事實(shí)上，記錄的健康狀況，如皮膚溫度或心電圖(ECG)，與受試者的身體活動(dòng)密切相關(guān)。因此，同時(shí)檢測人類活動(dòng)/運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要。運(yùn)動(dòng)傳感器依賴于附著在手指或膝關(guān)節(jié)上的柔性應(yīng)變傳感器來監(jiān)測它們的運(yùn)動(dòng)。然而，肢體運(yùn)動(dòng)并不總是與整體的體育活動(dòng)相關(guān)，因此結(jié)合所記錄的健康數(shù)據(jù)，可能導(dǎo)致診斷不準(zhǔn)確。受剪紙藝術(shù)的啟發(fā)，有人設(shè)計(jì)了由四根梁和三個(gè)應(yīng)變傳感器組成的三軸加速度傳感器，來響應(yīng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變的變化(圖h，j)。剪紙結(jié)構(gòu)的引入，避免了拉伸引起的機(jī)電故障，同時(shí)提高了佩戴者的舒適度。研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)傳感器的閾值加速度約為5-12 m s2，由加速度方向決定。通過對結(jié)構(gòu)尺寸的合理調(diào)整，在光束長度(L)為10.7 mm，寬度(W)為0.35 mm時(shí)，可獲得一個(gè)小于3 m s2的足夠低的加速度閾值，使其有可能檢測到人類的輕活動(dòng)(圖k, l)。為了使加速度傳感器能夠適應(yīng)更廣泛的人群，需要進(jìn)一步的設(shè)備開發(fā)，通過將這種運(yùn)動(dòng)/加速度傳感器集成到功能更加靈活的設(shè)備中，可以同時(shí)監(jiān)測身體活動(dòng)、皮膚溫度、心電圖、紫外線照射等。
