柔性傳感器的介紹與未來展望

柔性時代已經(jīng)到來，折疊屏是近年來手機市場的熱點之一，已經(jīng)成為業(yè)界的共識。柔性傳感器作為柔性電子設備的重要組成部分，正在從基礎研究向工業(yè)化發(fā)展。

利用柔性傳感器和導電系統(tǒng)，科學家可以將外應力或加熱轉換成電信號，并將其傳輸?shù)綑C器人的計算機進行信號處理，從而制作出透明、靈活、可擴展、可自由彎曲、可穿戴的電子皮膚，從而實時準確地監(jiān)測人體的各項指標。

那么柔性傳感器有什么特點呢？

柔性傳感器是指由柔性材料制成的傳感器，具有良好的柔韌性、延展性，甚至可以自由彎曲甚至折疊，結構形式靈活多樣，可以根據(jù)測量條件的要求任意布置，可以非常方便地檢測復雜的測量。

柔性傳感器的優(yōu)點使其具有良好的應用前景，包括醫(yī)療電子、環(huán)境監(jiān)測和可穿戴領域。比如在環(huán)境監(jiān)測領域，科學家將制作的柔性傳感器放入設備中，可以監(jiān)測臺風和暴雨的等級；在可穿戴性方面，柔性電子產(chǎn)品更容易測試皮膚的相關參數(shù)，因為人體不是平的。

那么，柔性傳感器的關鍵是什么呢？以廣泛應用于醫(yī)療、環(huán)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。

壓阻。

壓阻傳感器可以將外力轉化為電阻變化(與施加壓力的平方根成正比)，從而可以方便地用電氣測試系統(tǒng)間接檢測外力變化。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。這種傳感器因其簡單的設備和信號讀取機制而得到廣泛應用。程文龍等人開發(fā)了一種簡單實用的高靈敏度壓阻傳感器，在彈性基礎上構建了金納米線薄層和電極陣列。該裝置檢測范圍為13~50000Pa寬。為增強靈敏度，實現(xiàn)對接觸力的掃描，鮑哲楠等利用錐形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。

容量是衡量平行板間電荷容量的物理量。傳統(tǒng)的電容傳感器通過改變正面積s和平行板間距d來檢測不同的力，如壓力、剪切力等。電容式傳感器的主要優(yōu)點是對力敏感性強，能實現(xiàn)低能耗檢測微小靜態(tài)力。鮑哲楠等人在彈性基底上制備了電容透明可拉伸的碳納米管傳感器，同時響應壓力和拉力。

壓電。

壓電材料是指在機械壓力下能產(chǎn)生電荷的特殊材料。這種壓電特性是由存在的電偶極矩引起的。電偶極矩的獲取取決于取向的非中心對稱晶體結構的變形，或孔存在電荷的多孔駐極體。壓電系數(shù)是衡量壓電材料能量轉換效率的物理量。壓電系數(shù)越高，能量轉換效率越高。高靈敏度、快速響應和高壓電系數(shù)的壓電材料廣泛應用于將壓力轉換成電信號的傳感器。

柔性材料迅速發(fā)展成催化劑。

隨著柔性材料的發(fā)展，柔性傳感器成為一種趨勢。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很多，主要有金屬材料、無機半導體材料、有機材料和柔性基礎。

1.柔性基底。

為滿足柔性電子設備的要求，輕薄、透明、柔性和拉伸性好、絕緣耐腐蝕等性能成為柔性基礎的關鍵指標。

聚二甲基硅氧烷(PDMS)已成為眾多柔性基底選擇的首選。其優(yōu)點包括方便易得，化學性質穩(wěn)定，透明，熱穩(wěn)定性好等。特別是在紫外光下，粘附區(qū)和非粘附區(qū)的特性使其表面容易粘附電子材料。許多柔性電子設備通過降低基底厚度來獲得顯著的彎曲；然而，這種方法僅限于幾乎平坦的基底表面。相比之下，可拉伸的電子設備可以完全附著在復雜不均勻的表面。目前，可穿戴傳感器的拉伸性通常有兩種策略。第一種方法是直接在柔性基底上鍵合低楊氏模量的薄導電材料。第二種方法是使用可拉伸的導體組裝器件。通常由導電物質混合到彈性基體中制備。

2.金屬材料。

金屬材料一般是金銀銅等導體材料，主要用于電極和導線。就現(xiàn)代印刷工藝而言，導電材料多為導電納米油墨，包括納米顆粒和納米線。除了良好的導電性外，金屬納米粒子還可以燒結成薄膜或導線。

3.無機半導體材料。

無機半導體材料以ZnO和ZnS為代表，由于其優(yōu)異的壓電特性，在可穿戴柔性電子傳感器領域具有廣闊的應用前景。

開發(fā)了一種基于直接將機械能轉換成光學信號的柔性壓力傳感器。這種矩陣利用了ZnS:Mn顆粒的力發(fā)光性質。壓電效應引起的光子發(fā)射是力致發(fā)光的核心。在壓力作用下，壓電ZnS的電子可以產(chǎn)生壓伏效應并產(chǎn)生傾斜，從而促進Mn2+的激發(fā)，在下一個去激發(fā)過程中發(fā)出黃光(約580nm)。

一種快速響應(響應時間小于10毫秒)的傳感器是通過這種力發(fā)光轉換過程獲得的。通過自上而下的光刻工藝，其空間分辨率可達100μm。該傳感器可記錄單點滑動的動態(tài)壓力，用于識別簽名者的筆跡，并通過實時獲取發(fā)射強度曲線來掃描二維平面壓力分布。這些特性使無機半導體材料成為未來快速響應和高分辨率壓力傳感器材料領域最具潛力的候選人之一。

4.有機材料。

大規(guī)模壓力傳感器陣列對未來可穿戴傳感器的發(fā)展至關重要。基于壓阻和電容信號機制的壓力傳感器存在信號串擾，導致測量不準確，成為發(fā)展可穿戴傳感器的最大挑戰(zhàn)之一。

由于晶體管完美的信號轉換和放大性能，晶體管的使用可以減少信號串擾。因此，在可穿戴傳感器和人工智能領域的許多研究都集中在如何獲得大規(guī)模柔性壓敏晶體管上。

典型的場效應晶體管由五部分組成:源極、漏極、柵極、介電層和半導體層。按大多數(shù)載流子型可分為p型(空穴)場效應晶體管和n型(電子)場效應晶體管。

傳統(tǒng)上，用于場效應晶體管研究的p型聚合物材料主要是噻嗪類聚合物，其中最成功的例子是聚(3-己基噻嗪)(P3HT)系統(tǒng)。萘四酰亞二胺(NDI)和萬四酰亞二胺(PDI)表現(xiàn)出良好的n型場效應性能，是研究最廣泛的n型半導體材料，廣泛應用于小分子n型場效應晶體管中。

通常，晶體管參數(shù)包括載流子遷移率、運行電壓和開/關電流比。與無機半導體結構相比，機場效應晶體管具有柔性高、制備成本低的優(yōu)點，但也存在載流子遷移率低、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。碳納米管結晶度高，導電性好，比表面積大，微孔大小可通過合成工藝控制，比表面利用率可達100%。

石墨烯具有輕薄透明、導電性好、導熱性好的特點。它在傳感技術、移動通信、信息技術和電動汽車方面具有極其重要和廣闊的應用前景。

在碳納米管的應用中，多臂碳納米管和銀復合印刷獲得的導電聚合物傳感器在140%的拉伸下仍高達20S？cm？1。

在碳納米管和石墨烯的綜合應用中，制備了可高度拉伸的透明場效應晶體管，結合了石墨烯/單壁碳納米管電極和褶皺無機介電層單壁碳納米管網(wǎng)格通道。由于有褶皺的氧化鋁介電層，在1000次以上20%的拉伸-舒張循環(huán)下，沒有漏電電流變化，顯示出良好的可持續(xù)性。

柔性傳感器有很多種。

柔性傳感器種類繁多，分類方法多樣化。根據(jù)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傳感器。

根據(jù)感知機理的分類，柔性傳感器包括柔性電阻傳感器、柔性電容傳感器、柔性壓磁傳感器和柔性電感傳感器。

下面，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度是柔性成像傳感系統(tǒng)、生物健康監(jiān)測和遙控技術的核心。需要設計一個新材料和結構的柔性平臺來開發(fā)高傳感性光電探測器。為了實現(xiàn)快速響應和寬帶寬，低維材料得到認可，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光電探測器可以在感測平臺上拉伸、彎曲、重量輕、透明，并且由于其在未來人性化應用中的潛在價值而受到極大關注。

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，其基底柔性，輕便、柔韌、易彎曲，可大面積生產(chǎn)。薄膜材料也具有更高的敏感性和相對簡單的生產(chǎn)工藝，備受關注。這很好地滿足了特殊環(huán)境下氣體傳感器的便攜性和低功耗要求，打破了以往氣體傳感器不易攜帶、測量范圍不全、量程小、成本高的不利因素，可以簡單準確地檢測乙醇氣體。

柔性濕度傳感器。

濕度傳感器主要有電阻式和電容式。濕敏電阻的特點是在基板上覆蓋一層由感濕材料制成的膜。當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值發(fā)生變化，濕度可以通過這個特性來測量。濕敏電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、聚酞亞胺、酪酸醋酸纖維等。濕度傳感器正從簡單的濕敏元件轉變?yōu)榧珊椭悄堋?/p>

隨著多參數(shù)檢測的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。

柔性濕度傳感器因其成本低、能耗低、易于制造和集成到智能系統(tǒng)制造而被廣泛研究。制作這種柔性濕度傳感器的基材類似于其他柔性傳感器，制作濕度敏感膜的方法有很多，包括浸涂、旋轉涂、絲網(wǎng)印刷和噴墨印刷。

柔性壓力傳感器。

柔性壓力傳感器廣泛應用于智能服裝、智能運動、機器人皮膚等領域。聚偏氟乙烯、硅橡膠、聚酞亞胺等。作為其基礎材料，已廣泛應用于柔性壓力傳感器的。它們不同于使用金屬應變測力傳感器和使用n型半導體芯片的擴散普通壓力傳感器，具有良好的柔韌性、導電性和壓阻特性。

柔性智能傳感器的應用前景一路改善，但在產(chǎn)業(yè)化過程中肯定會面臨很多挑戰(zhàn)。

整個柔性傳感器產(chǎn)業(yè)鏈亟待完善。就技術本身而言，傳感器本身的穩(wěn)定性和耐磨性需要進一步提高。從整個產(chǎn)業(yè)鏈的支撐來看，柔性電路、柔性存儲和軟硬連接也需要跟進。

深圳市力準傳感技術有限公司是各種高精度力傳感器、測力傳感器、扭矩傳感器、稱重傳感器、柱式傳感器的專業(yè)制造商，也是集生產(chǎn)、銷售、售后為一體的綜合性技術創(chuàng)新企業(yè)。

主要產(chǎn)品有多個品種的稱重、測力、壓力、扭矩傳感器等千余款產(chǎn)品。稱重范圍小到幾克，大到1000多噸；有適用于各種惡劣環(huán)境的高、中、低溫傳感器和高防護等級傳感器。這些產(chǎn)品廣泛應用于航空航天、汽車制造、紡織、電子、油田、化工、機械加工、能源、環(huán)保、醫(yī)療、交通、建材等領域自動化工程的檢測和過程控制。

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