柔性電子傳感器詳解

1、柔性電子傳感器詳解目前，許多智能化的檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)大量地采用了各種各樣的 傳感 器，其應(yīng)用早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、海洋探測(cè) 、環(huán)境保 護(hù) 、醫(yī)學(xué)診 斷 、生物工程 、宇宙 開(kāi)發(fā) 、智能家居等方方面 面。 隨著信息時(shí)代 的應(yīng)用需求越來(lái)越高， 對(duì)被測(cè)量信息的范圍、 精度和穩(wěn)定情況等各性 能參數(shù)的期望值和理想化要求逐步提高。 針對(duì)特殊環(huán)境與特殊信號(hào)下氣 體 、壓力 、濕度的測(cè)量需求，對(duì) 普通傳感器提出了新的挑戰(zhàn)。面對(duì)越來(lái)越多的特殊信號(hào)和特殊環(huán)境， 新型傳感器技術(shù)已向 以下 趨勢(shì)發(fā)展：開(kāi)發(fā)新材料 、新工藝和開(kāi)發(fā)新型傳感器；實(shí)現(xiàn) 傳感器的集 成化和智能化； 實(shí)現(xiàn)傳感技術(shù)硬件系統(tǒng)與元器件的微 小型化；與其它

2、 學(xué)科的交叉整合的傳感器。 同時(shí) ，希望傳感器 還能夠具有透明、 柔韌 、 延展 、可自由彎曲甚至折疊 、便于 攜帶、可穿戴等特點(diǎn) 。隨著柔性 基質(zhì)材料的發(fā)展， 滿(mǎn)足上述各 類(lèi)趨勢(shì)特點(diǎn)的柔性傳感器在此基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn) 而生 。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、

3、 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

4、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

5、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(xiàn)。 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(xiàn)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€(xiàn)。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?Zn S:Mn 顆粒的力致發(fā)光性質(zhì)。 力致發(fā)光的核 心

6、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)100卩m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(xiàn)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?；?于壓阻和

7、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

8、 （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