柔性傳感器的特點(diǎn)與分類(lèi)

 

1、柔性傳感器的特點(diǎn)

 

柔性材料是與剛性材料相對(duì)應(yīng)的概念，一般，柔性材料具有柔軟 、低模量 、易變形等屬性 。常見(jiàn)的柔性材料有：聚乙烯醇( P V A ) 、聚酯 ( P E T ) 、聚酰亞 胺 ( P I ) 、聚萘二甲酯乙二醇酯( P E N ) 、紙片 、紡織材料等 。

 

而柔性傳感器則是指采用柔性材料制成的傳感器，具有良好的柔韌性、延展性、甚至可自由彎曲甚至折疊，而且結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，可根據(jù)測(cè)量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對(duì)復(fù)雜被測(cè)量進(jìn)行檢測(cè)。新型柔性傳感器在電子皮膚 、醫(yī)療保健 、電子、電工 、運(yùn)動(dòng)器材 、紡織品 、航天航空 、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用。

 

2、柔性傳感器的分類(lèi)

 

柔性傳感器種類(lèi)較多，分類(lèi)方式也多樣化 。

 

按照用途分類(lèi)，柔性傳感器包括柔性壓力傳感器 、柔性氣體傳感器 、柔性濕度傳感器 、柔性溫度傳感器 、柔性 應(yīng)變傳感器 、柔性磁阻抗傳感器和柔性熱流量傳感器等；

按照感知機(jī)理分類(lèi)，柔性傳感器包括柔性電阻式傳感器 、柔性電容式傳感器 、柔性壓磁式傳感器和柔性電感式傳感器等。

 

柔性傳感器的常用材料

 

1、柔性基底

 

為了滿(mǎn)足柔性電子器件的要求，輕薄、透明、柔性和拉伸性好、絕緣耐腐蝕等性質(zhì)成為了柔性基底的關(guān)鍵指標(biāo)。

 

在眾多柔性基底的選擇中，聚二甲基硅氧烷(PDMS)成為了人們的首選。它的優(yōu)勢(shì)包括方便易得、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、透明和熱穩(wěn)定性好等。尤其在紫外光下粘附區(qū)和非粘附區(qū)分明的特性使其表面可以很容易的粘附電子材料。很多柔性電子設(shè)備通過(guò)降低基底的厚度來(lái)獲得顯著的彎曲性；然而，這種方法局限于近乎平整的基底表面。相比之下,可拉伸的電子設(shè)備可以完全粘附在復(fù)雜和凹凸不平的表面上。目前,通常有兩種策略來(lái)實(shí)現(xiàn)可穿戴傳感器的拉伸性。第一種方法是在柔性基底上直接鍵合低楊氏模量的薄導(dǎo)電材料。第二種方法是使用本身可拉伸的導(dǎo)體組裝器件。通常是由導(dǎo)電物質(zhì)混合到彈性基體中制備。 

 

2、金屬材料

 

金屬材料一般為金銀銅等導(dǎo)體材料，主要用于電極和導(dǎo)線。對(duì)于現(xiàn)代印刷工藝而言，導(dǎo)電材料多選用導(dǎo)電納米油墨，包括納米顆粒和納米線等。金屬的納米粒子除了具有良好的導(dǎo)電性外，還可以燒結(jié)成薄膜或?qū)Ь€。 

 

3、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料

 

以ZnO和ZnS為代表的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料由于其出色的壓電特性，在可穿戴柔性電子傳感器領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。

 

一種基于直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)的柔性壓力傳感器被開(kāi)發(fā)出來(lái)。這種矩陣?yán)昧薢n S:Mn 顆粒的力致發(fā)光性質(zhì)。力致發(fā)光的核心是壓電效應(yīng)引發(fā)的光子發(fā)射。壓電 Zn S 的電子能帶在壓力作用下產(chǎn)生壓伏效應(yīng)而產(chǎn)生傾斜，這樣可以促進(jìn)Mn2＋的激發(fā)，接下來(lái)的去激發(fā)過(guò)程發(fā)射出黃光(580nm左右)。

 

一種快速響應(yīng)(響應(yīng)時(shí)間小于10ms)的傳感器就是由這種力致發(fā)光轉(zhuǎn)換過(guò)程所得到，通過(guò)自上而下的光刻工藝，其空間分辨率可達(dá) 100μm。這種傳感器可以記錄單點(diǎn)滑移的動(dòng)態(tài)壓力，其可以用于辨別簽名者筆跡和通過(guò)實(shí)時(shí)獲得發(fā)射強(qiáng)度曲線來(lái)掃描二維平面壓力分布。所有的這些特點(diǎn)使得無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料成為未來(lái)快速響應(yīng)和高分辨壓力傳感器材料領(lǐng)域最有潛力的候選者之一。

 

4、有機(jī)材料

 

大規(guī)模壓力傳感器陣列對(duì)未來(lái)可穿戴傳感器的發(fā)展非常重要。基于壓阻和電容信號(hào)機(jī)制的壓力傳感器存在信號(hào)串?dāng)_，導(dǎo)致了測(cè)量的不準(zhǔn)確，這個(gè)問(wèn)題成為發(fā)展可穿戴傳感器最大的挑戰(zhàn)之一。

 

由于晶體管完美的信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大性能，晶體管的使用為減少信號(hào)串?dāng)_提供了可能。因此，在可穿戴傳感器和人工智能領(lǐng)域的很多研究都是圍繞如何獲得大規(guī)模柔性壓敏晶體管展開(kāi)的。

 

典型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管是由源極、漏極、柵極、介電層和半導(dǎo)體層五部分構(gòu)成。根據(jù)多數(shù)載流子的類(lèi)型可以分為p型(空穴)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和n型(電子)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

 

傳統(tǒng)上用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管研究的p型聚合物材料主要是噻吩類(lèi)聚合物，其中最為成功的例子便是聚(3-己基噻吩)(P3HT)體系。萘四酰亞二胺(NDI)和苝四酰亞二胺(PDI)顯示了良好的n型場(chǎng)效應(yīng)性能，是研究最為廣泛的n型半導(dǎo)體材料，被廣泛應(yīng)用于小分子n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管當(dāng)中。

 

通常晶體管參數(shù)有載流子遷移率、運(yùn)行電壓和開(kāi)/關(guān)電流比等。與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相比，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(OFET)具有柔性高和制備成本低的優(yōu)點(diǎn),但也有載流子遷移率低和操作電壓大的缺點(diǎn)。 

 

5、碳材料

 

柔性可穿戴電子傳感器常用的碳材料有碳納米管和石墨烯等。碳納米管具有結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比表面積大、微孔大小可通過(guò)合成工藝加以控制，比表面利用率可達(dá)100%的特點(diǎn)。

 

 

石墨烯具有輕薄透明，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)。在傳感技術(shù)、移動(dòng)通訊、信息技術(shù)和電動(dòng)汽車(chē)等方面具有極其重要和廣闊的應(yīng)用前景。

 

在碳納米管的應(yīng)用上，利用多臂碳納米管和銀復(fù)合并通過(guò)印刷方式得到的導(dǎo)電聚合物傳感器，在140%的拉伸下，導(dǎo)電性仍然高達(dá)20S•cm−1。

 

在碳納米管和石墨烯的綜合應(yīng)用上，制備了可以高度拉伸的透明場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其結(jié)合了石墨烯/單壁碳納米管電極和具有褶皺的無(wú)機(jī)介電層單壁碳納米管網(wǎng)格通道。由于存在褶皺的氧化鋁介電層,在超過(guò)一千次20%幅度的拉伸-舒張循環(huán)下，沒(méi)有漏極電流變化，顯示出了很好的可持續(xù)性。

 

常見(jiàn)柔性傳感器

 

1、柔性氣體傳感器

 

柔性氣體傳感器在電極表面布置對(duì)氣體敏感的薄膜材料，其基底是柔性的，具備輕便 、柔韌易彎曲，可大面積制作等特點(diǎn)，薄膜材料也具備更高的敏感性和 相對(duì)簡(jiǎn)便的制作工藝而備受關(guān)注。這很好地滿(mǎn)足了特殊環(huán)境下氣體傳感器的便攜 、低功耗等需求，打破了以往氣體傳感器不易攜帶、測(cè)量范圍不全面 、量程 小 、成本高等不利因素，可對(duì)N H  、N O  、乙醇?xì)怏w進(jìn)行簡(jiǎn)單精確的檢測(cè)，從而引起了人們的廣泛關(guān)注 。

 

2、柔性壓力傳感器

 

 

柔性壓力傳感器在智能服裝、智能運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人 “ 皮膚 ” 等方面有廣泛運(yùn)用 。聚偏氟乙烯 、硅橡膠 、聚酰亞胺等作為其基底材料已廣泛用于柔性壓力傳感 器的制作，它們有別于采用金屬應(yīng)變計(jì)的測(cè)力傳感器和采用n 型半導(dǎo)體芯片的擴(kuò)散型普通壓力傳感器，具有較好的柔韌性 、導(dǎo)電性及壓阻特性。

 

3、柔性濕度傳感器

 

濕度傳感器主要有電阻式 、電容式兩大類(lèi)。濕敏電阻器特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸汽吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。濕敏電容器一般是用高分子薄膜制成，常用的高分子材料有聚苯乙烯 、聚酰亞胺 、酪酸醋酸纖維等 。

 

濕度傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化 、智能化 、多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的干濕球濕度計(jì)或毛發(fā)濕度計(jì)已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代科發(fā)展的需要 。柔性濕 度傳感器以低成本 、低能耗 、易于制造和易集成到智能系統(tǒng)制造等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛研究。制作該類(lèi)柔性濕度傳感器的基底材料與其他柔性傳感器類(lèi)似，制造濕度敏感膜的方法也有很多，包括浸涂 、旋轉(zhuǎn)涂料 、絲網(wǎng)印刷和噴墨印刷等。

 

柔性傳感器結(jié)構(gòu)形式靈活多樣，可根據(jù)測(cè)量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對(duì)特殊環(huán)境與特殊信號(hào)進(jìn)行精確快捷測(cè)量，解決了傳感器的小型化 、集成 化 、智能化發(fā)展問(wèn)題，這些新型柔性傳感器在電子皮膚 、生物醫(yī)藥、可穿戴電子產(chǎn)品和航空航天中有重要作用 。但目前對(duì)于碳納米管和石墨烯等用于柔性傳感器的材料制備技術(shù)工藝水平還不成熟，也存在成本 、適用范 圍 、使用壽命 等問(wèn)題。常用柔性基底存在不耐高溫的缺點(diǎn)，導(dǎo)致柔性基底與薄膜材料間應(yīng)力 大 、粘附力弱。柔性傳感器的組裝 、排列 、集成和封裝技術(shù)也還有待進(jìn) 一步提高 。