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柔性传感器的先容与未来展望

时间:2021-09-25 点击次数:

柔性时代已经到来,折叠屏是近年来手机市场的热点之一,已经成为业界的共识。柔性传感器作为柔性电子设备的重要组成部分,正在从基础研究向工业化发展。

利用柔性传感器和导电系统,科学家可以将外应力或加热转换成电信号,并将其传输到机器人的计算机进行信号处理,从而制作出透明、灵活、可扩展、可自由弯曲、可穿戴的电子皮肤,从而实时准确地监测人体的各项指标。


柔性传感器的先容与未来展望

那么柔性传感器有什么特点呢?

柔性传感器是指由柔性材料制成的传感器,具有良好的柔韧性、延展性,甚至可以自由弯曲甚至折叠,结构形式灵活多样,可以根据测量条件的要求任意布置,可以非常方便地检测复杂的测量。

柔性传感器的优点使其具有良好的应用前景,包括医疗电子、环境监测和可穿戴领域。比如在环境监测领域,科学家将制作的柔性传感器放入设备中,可以监测台风和暴雨的等级;在可穿戴性方面,柔性电子产品更容易测试皮肤的相关参数,因为人体不是平的。

那么,柔性传感器的关键是什么呢?以广泛应用于医疗、环境检测等领域的柔性可穿戴电子传感器为例,其信号转换机制主要分为压阻、电容和压电。

压阻。

压阻传感器可以将外力转化为电阻变化(与施加压力的平方根成正比),从而可以方便地用电气测试系统间接检测外力变化。导电物质间导电路径的变化是获得压阻传感信号的常见机理。这种传感器因其简单的设备和信号读取机制而得到广泛应用。程文龙等人开发了一种简单实用的高灵敏度压阻传感器,在弹性基础上构建了金纳米线薄层和电极阵列。该装置检测范围为13~50000Pa宽。为增强灵敏度,实现对接触力的扫描,鲍哲楠等利用锥形微结构的压阻传感器,制备了一种可以向大脑传递触觉信息的电子皮肤。

电容。

容量是衡量平行板间电荷容量的物理量。传统的电容传感器通过改变正面积s和平行板间距d来检测不同的力,如压力、剪切力等。电容式传感器的主要优点是对力敏感性强,能实现低能耗检测微小静态力。鲍哲楠等人在弹性基底上制备了电容透明可拉伸的碳纳米管传感器,同时响应压力和拉力。

压电。

压电材料是指在机械压力下能产生电荷的特殊材料。这种压电特性是由存在的电偶极矩引起的。电偶极矩的获取取决于取向的非中心对称晶体结构的变形,或孔存在电荷的多孔驻极体。压电系数是衡量压电材料能量转换效率的物理量。压电系数越高,能量转换效率越高。高灵敏度、快速响应和高压电系数的压电材料广泛应用于将压力转换成电信号的传感器。

柔性材料迅速发展成催化剂。

随着柔性材料的发展,柔性传感器成为一种趋势。柔性材料是与刚性材料相对应的概念。一般柔性材料具有柔软、低模量、易变形等属性。目前制作柔性传感器的材料很多,主要有金属材料、无机半导体材料、有机材料和柔性基础。

1.柔性基底。

为满足柔性电子设备的要求,轻薄、透明、柔性和拉伸性好、绝缘耐腐蚀等性能成为柔性基础的关键指标。

聚二甲基硅氧烷(PDMS)已成为众多柔性基底选择的首选。其优点包括方便易得,化学性质稳定,透明,热稳定性好等。特别是在紫外光下,粘附区和非粘附区的特性使其表面容易粘附电子材料。许多柔性电子设备通过降低基底厚度来获得显著的弯曲;然而,这种方法仅限于几乎平坦的基底表面。相比之下,可拉伸的电子设备可以完全附着在复杂不均匀的表面。目前,可穿戴传感器的拉伸性通常有两种策略。第一种方法是直接在柔性基底上键合低杨氏模量的薄导电材料。第二种方法是使用可拉伸的导体组装器件。通常由导电物质混合到弹性基体中制备。

2.金属材料。

金属材料一般是金银铜等导体材料,主要用于电极和导线。就现代印刷工艺而言,导电材料多为导电纳米油墨,包括纳米颗粒和纳米线。除了良好的导电性外,金属纳米粒子还可以烧结成薄膜或导线。

3.无机半导体材料。

无机半导体材料以ZnO和ZnS为代表,由于其优异的压电特性,在可穿戴柔性电子传感器领域具有广阔的应用前景。

开发了一种基于直接将机械能转换成光学信号的柔性压力传感器。这种矩阵利用了ZnS:Mn颗粒的力发光性质。压电效应引起的光子发射是力致发光的核心。在压力作用下,压电ZnS的电子可以产生压伏效应并产生倾斜,从而促进Mn2+的激发,在下一个去激发过程中发出黄光(约580nm)。

一种快速响应(响应时间小于10毫秒)的传感器是通过这种力发光转换过程获得的。通过自上而下的光刻工艺,其空间分辨率可达100μm。该传感器可记录单点滑动的动态压力,用于识别签名者的笔迹,并通过实时获取发射强度曲线来扫描二维平面压力分布。这些特性使无机半导体材料成为未来快速响应和高分辨率压力传感器材料领域最具潜力的候选人之一。

4.有机材料。

大规模压力传感器阵列对未来可穿戴传感器的发展至关重要。基于压阻和电容信号机制的压力传感器存在信号串扰,导致测量不准确,成为发展可穿戴传感器的最大挑战之一。

由于晶体管完美的信号转换和放大性能,晶体管的使用可以减少信号串扰。因此,在可穿戴传感器和人工智能领域的许多研究都集中在如何获得大规模柔性压敏晶体管上。

典型的场效应晶体管由五部分组成:源极、漏极、栅极、介电层和半导体层。按大多数载流子型可分为p型(空穴)场效应晶体管和n型(电子)场效应晶体管。

传统上,用于场效应晶体管研究的p型聚合物材料主要是噻嗪类聚合物,其中最成功的例子是聚(3-己基噻嗪)(P3HT)系统。萘四酰亚二胺(NDI)和万四酰亚二胺(PDI)表现出良好的n型场效应性能,是研究最广泛的n型半导体材料,广泛应用于小分子n型场效应晶体管中。

通常,晶体管参数包括载流子迁移率、运行电压和开/关电流比。与无机半导体结构相比,机场效应晶体管具有柔性高、制备成本低的优点,但也存在载流子迁移率低、操作电压大的缺点。

5.碳材料。

柔性可穿戴电子传感器常用的碳材料有碳纳米管和石墨烯。碳纳米管结晶度高,导电性好,比表面积大,微孔大小可通过合成工艺控制,比表面利用率可达100%。

石墨烯具有轻薄透明、导电性好、导热性好的特点。它在传感技术、移动通信、信息技术和电动汽车方面具有极其重要和广阔的应用前景。

在碳纳米管的应用中,多臂碳纳米管和银复合印刷获得的导电聚合物传感器在140%的拉伸下仍高达20S?cm?1。

在碳纳米管和石墨烯的综合应用中,制备了可高度拉伸的透明场效应晶体管,结合了石墨烯/单壁碳纳米管电极和褶皱无机介电层单壁碳纳米管网格通道。由于有褶皱的氧化铝介电层,在1000次以上20%的拉伸-舒张循环下,没有漏电电流变化,显示出良好的可持续性。

柔性传感器有很多种。

柔性传感器种类繁多,分类方法多样化。根据用途分类,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传感器。

根据感知机理的分类,柔性传感器包括柔性电阻传感器、柔性电容传感器、柔性压磁传感器和柔性电感传感器。

下面,列举一些目前应用较多的柔性传感器。

柔性图像感应阵列。

柔性电子设备的光敏度是柔性成像传感系统、生物健康监测和遥控技术的核心。需要设计一个新材料和结构的柔性平台来开发高传感性光电探测器。为了实现快速响应和宽带宽,低维材料得到认可,包括纳米线、纳米带、2D材料和纳米复合材料。这些基于纳米材料的可穿戴光电探测器可以在感测平台上拉伸、弯曲、重量轻、透明,并且由于其在未来人性化应用中的潜在价值而受到极大关注。

柔性气体传感器。

柔性气体传感器在电极表面布置对气体敏感的薄膜材料,其基底柔性,轻便、柔韧、易弯曲,可大面积生产。薄膜材料也具有更高的敏感性和相对简单的生产工艺,备受关注。这很好地满足了特殊环境下气体传感器的便携性和低功耗要求,打破了以往气体传感器不易携带、测量范围不全、量程小、成本高的不利因素,可以简单准确地检测乙醇气体。

柔性湿度传感器。

湿度传感器主要有电阻式和电容式。湿敏电阻的特点是在基板上覆盖一层由感湿材料制成的膜。当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值发生变化,湿度可以通过这个特性来测量。湿敏电容器一般由聚合物薄膜制成,常用的聚合物材料有聚苯乙烯、聚酞亚胺、酪酸醋酸纤维等。湿度传感器正从简单的湿敏元件转变为集成和智能。

随着多参数检测的快速发展,传统的干湿球湿度计或毛发湿度计已经不能满足现代科技发展的需要。

柔性湿度传感器因其成本低、能耗低、易于制造和集成到智能系统制造而被广泛研究。制作这种柔性湿度传感器的基材类似于其他柔性传感器,制作湿度敏感膜的方法有很多,包括浸涂、旋转涂、丝网印刷和喷墨印刷。

柔性压力传感器。

柔性压力传感器广泛应用于智能服装、智能运动、机器人皮肤等领域。聚偏氟乙烯、硅橡胶、聚酞亚胺等。作为其基础材料,已广泛应用于柔性压力传感器的。它们不同于使用金属应变测力传感器和使用n型半导体芯片的扩散普通压力传感器,具有良好的柔韧性、导电性和压阻特性。

柔性智能传感器的应用前景一路改善,但在产业化过程中肯定会面临很多挑战。

整个柔性传感器产业链亟待完善。就技术本身而言,传感器本身的稳定性和耐磨性需要进一步提高。从整个产业链的支撑来看,柔性电路、柔性存储和软硬连接也需要跟进。

太阳集团5493con是各种高精度力传感器、测力传感器、扭矩传感器、称重传感器、柱式传感器的专业制造商,也是集生产、销售、售后为一体的综合性技术创新企业。

主要产品有多个品种的称重、测力、压力、扭矩传感器等千余款产品。称重范围小到几克,大到1000多吨;有适用于各种恶劣环境的高、中、低温传感器和高防护等级传感器。这些产品广泛应用于航空航天、汽车制造、纺织、电子、油田、化工、机械加工、能源、环保、医疗、交通、建材等领域自动化工程的检测和过程控制。

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