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            潛力巨大的柔性傳感器產業

            2021-3-1 12:00| 發布者: 煉數成金_小數| 查看: 23861| 評論: 0|來自: 全球物聯網觀察

            摘要: 華為Mate X2、中興努比亞柔性屏腕機、三星Galaxy Fold......近來,各大品牌折疊屏手機、柔性可穿戴電子等智能設備層出不窮!叭嵝詴r代”已然來臨,折疊屏是近年手機市場熱點之一,成為業內人士的共識。而作為柔性電 ...
            華為Mate X2、中興努比亞柔性屏腕機、三星Galaxy Fold......近來,各大品牌折疊屏手機、柔性可穿戴電子等智能設備層出不窮。

            “柔性時代”已然來臨,折疊屏是近年手機市場熱點之一,成為業內人士的共識。而作為柔性電子設備的重要組成部分,柔性傳感器正在從基礎研究向產業化方向發展。

            利用柔性傳感器和導電體,科學家可以將外界的受力或受熱情況轉換為電信號,傳遞給機器人的電腦進行信號處理,這樣就可以制作成透明、柔韌、可延展、可自由彎曲折疊、可穿戴的電子皮膚,以便實時精準的監測出人體各項指標。 


            柔性傳感器有什么特點? 
            柔性傳感器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,而且結構形式靈活多樣,可根據測量條件的要求任意布置,能夠非常方便地對復雜被測量進行檢測。

            柔性傳感器的優勢讓它有非常好的應用前景,包括在醫療電子、環境監測和可穿戴等領域。例如在環境監測領域,科學家將制作成的柔性傳感器置于設備中,可監測臺風和暴雨的等級;在可穿戴方面,柔性的電子產品更易于測試皮膚的相關參數,因為人的身體不是平面的。

            那么,對于柔性傳感器而言關鍵是什么?以現在被廣泛用于醫療、環境檢測等領域的柔性可穿戴電子傳感器為例,其信號轉換機制主要分為壓阻、電容和壓電三大部分。

            壓  阻
            壓阻傳感器可以將外力轉換成電阻的變化(與施加壓力的平方根成正比),進而可以方便地用電學測試系統間接探測外力變化。而導電物質間導電路徑的變化是獲得壓阻傳感信號的常見機理。由于其簡單的設備和信號讀出機制,這類傳感器得到廣泛應用。程文龍等發展了一種簡單實用的高靈敏壓阻傳感器,其在彈性基底上構筑了金納米線薄層和電極陣列。這種器件具有 13~50000 Pa寬的檢測范圍。為了增強靈敏性,實現對接觸力的掃描,鮑哲楠等利用具有錐狀微結構的壓阻傳感器制備了一種可以向大腦傳遞觸覺信息的電子皮膚。

            電  容
            容是衡量平行板間容納電荷能力的物理量。傳統的電容傳感器通過改變正對面積s和平行板間距d來探測不同的力,例如壓力,剪切力等。電容式傳感器的主要優勢在于其對力的敏感性強,可以實現低能耗檢測微小的靜態力。鮑哲楠等在彈性基底上制備了電容型透明可拉伸的碳納米管傳感器,對壓力和拉力同時有響應。

            壓  電
            壓電材料是指在機械壓力下可以產生電荷的特殊材料。這種壓電特性是由存在的電偶極矩導致的。 電偶極矩的獲得是靠取向的非中心對稱晶體結構變形,或者孔中持續存在電荷的多孔駐極體。壓電系數是衡量壓電材料能量轉換效率的物理量,壓電系數越高,能量轉換的效率就越高。高靈敏,快速響應和高壓電系數的壓電材料被廣泛應用于將壓力轉換為電信號的傳感器。


            柔性材料迅速發展成為催化劑

            柔性傳感器為何成為趨勢,自然是隨著柔性材料的發展應運而生。柔性材料是與剛性材料相對應的概念,一般,柔性材料具有柔軟 、低模量 、易變形等屬性 目前制作柔性傳感器的材料有很多,主要是金屬材料、無機半導體材料、有機材料和柔性基底。

            1、柔性基底 
            為了滿足柔性電子器件的要求,輕薄、透明、柔性和拉伸性好、絕緣耐腐蝕等性質成為了柔性基底的關鍵指標。

            在眾多柔性基底的選擇中,聚二甲基硅氧烷(PDMS)成為了人們的推薦。它的優勢包括方便易得、化學性質穩定、透明和熱穩定性好等。尤其在紫外光下粘附區和非粘附區分明的特性使其表面可以很容易的粘附電子材料。很多柔性電子設備通過降低基底的厚度來獲得顯著的彎曲性;然而,這種方法局限于近乎平整的基底表面。相比之下,可拉伸的電子設備可以完全粘附在復雜和凹凸不平的表面上。目前,通常有兩種策略來實現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電材料。第二種方法是使用本身可拉伸的導體組裝器件。通常是由導電物質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體材料,主要用于電極和導線。 對于現代印刷工藝而言,導電材料多選用導電納米油墨,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電性外,還可以燒結成薄膜或導線。

            3、無機半導體材料
            以ZnO和ZnS為代表的無機半導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域顯示出了廣闊的應用前景。

            一種基于直接將機械能轉換為光學信號的柔性壓力傳感器被開發出來。這種矩陣利用了Zn S:Mn 顆粒的力致發光性質。力致發光的核心是壓電效應引發的光子發射。壓電 Zn S 的電子能帶在壓力作用下產生壓伏效應而產生傾斜,這樣可以促進Mn2+的激發,接下來的去激發過程發射出黃光(580nm左右)。

            一種快速響應(響應時間小于10ms)的傳感器就是由這種力致發光轉換過程所得到,通過自上而下的光刻工藝,其空間分辨率可達 100μm。這種傳感器可以記錄單點滑移的動態壓力,其可以用于辨別簽名者筆跡和通過實時獲得發射強度曲線來掃描二維平面壓力分布。 所有的這些特點使得無機半導體材料成為未來快速響應和高分辨壓力傳感器材料領域最有潛力的候選者之一。


            4、有機材料
            大規模壓力傳感器陣列對未來可穿戴傳感器的發展非常重要;趬鹤韬碗娙菪盘枡C制的壓力傳感器存在信號串擾,導致了測量的不準確,這個問題成為發展可穿戴傳感器較大的挑戰之一。

            由于晶體管完美的信號轉換和放大性能,晶體管的使用為減少信號串擾提供了可能。因此,在可穿戴傳感器和人工智能領域的很多研究都是圍繞如何獲得大規模柔性壓敏晶體管展開的。

            典型的場效應晶體管是由源極、漏極、柵極、介電層和半導體層五部分構成。根據多數載流子的類型可以分為p型(空穴)場效應晶體管和n型(電子)場效應晶體管。

            傳統上用于場效應晶體管研究的p型聚合物材料主要是噻吩類聚合物,其中更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型場效應性能,是研究更為廣泛的n型半導體材料,被廣泛應用于小分子n型場效應晶體管當中。

            通常晶體管參數有載流子遷移率、運行電壓和開/關電流比等。與無機半導體結構相比,有機場效應晶體管(OFET)具有柔性高和制備成本低的優點,但也有載流子遷移率低和操作電壓大的缺點。

            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。碳納米管具有結晶度高、導電性好、比表面積大、微孔大小可通過合成工藝加以控制,比表面利用率可達100%的特點。

            石墨烯具有輕薄透明,導電導熱性好等特點。在傳感技術、移動通訊、信息技術和電動汽車等方面具有極其重要和廣闊的應用前景。

            在碳納米管的應用上,利用多臂碳納米管和銀復合并通過印刷方式得到的導電聚合物傳感器,在140%的拉伸下,導電性仍然高達20S?cm?1。

            在碳納米管和石墨烯的綜合應用上,制備了可以高度拉伸的透明場效應晶體管,其結合了石墨烯/單壁碳納米管電極和具有褶皺的無機介電層單壁碳納米管網格通道。由于存在褶皺的氧化鋁介電層,在超過一千次20%幅度的拉伸-舒張循環下,沒有漏極電流變化,顯示出了很好的可持續性。


            柔性傳感器種類繁多
            柔性傳感器種類較多,分類方式也多樣化 。按照用途分類,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。

            按照感知機理分類,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 。

            接下來,列舉一些目前應用較多的柔性傳感器。

            柔性圖像感應陣列
            柔性電子設備的光敏性是柔性成像傳感系統,生物健康監測和遙控的技術核心。設計具有新材料和結構的柔性平臺來開發高感測性能光電探測器是十分必要的,為了實現快速響應和寬帶寬,低維度材料得到認可,包括納米線、納米帶、2D材料和納米復合材料。這些基于納米材料的可穿戴式光電探測器在感測平臺上是可拉伸,可彎曲,重量輕和透明的,并且由于它們在將來的人性化應用中的潛在價值受到極大關注。

            柔性氣體傳感器
            柔性氣體傳感器在電極表面布置對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,薄膜材料也具備更高的敏感性和相對簡便的制作工藝而備受關注。這很好地滿足了特殊環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、測量范圍不全面、量程小、成本高等不利因素,可對乙醇氣體進行簡單較精確的檢測。

            柔性濕度傳感器
            濕度傳感器主要有電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻器特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜,當空氣中的水蒸汽吸附在感濕膜上時,元件的電阻率和電阻值都發生變化,利用這一特性即可測量濕度。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、聚酞亞胺、酪酸醋酸纖維等。濕度傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化。

            多參數檢測的方向迅速發展,傳統的干濕球濕度計或毛發濕度計已無法滿足現代科技發展的需要。

            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制造等優點已被廣泛研究。制作該類柔性濕度傳感器的基底材料與其他柔性傳感器類似,制造濕度敏感膜的方法也有很多,包括浸涂 、旋轉涂料 、絲網印刷和噴墨印刷等。

            柔性壓力傳感器
            柔性壓力傳感器在智能服裝、智能運動、機器人“皮膚”等方面有廣泛運用。聚偏氟乙烯、硅橡膠、聚酞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變的測力傳感器和采用n型半導體芯片的擴散型普通壓力傳感器,具有較好的柔韌性、導電性及壓阻特性。

            寫在最后
            柔性智能傳感器的應用前景一路向好,但是其產業化的過程中一定將面臨很多挑戰。

            柔性傳感器產業鏈整體亟待提高。就技術本身而言,傳感器本身的穩定性、耐磨損性等還需要進一步提高。而從整個產業鏈的配套來說,柔性電路、柔性存儲,以及軟硬連接等環節也需要跟進步伐。

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