一文讀懂柔性電子傳感器

　　目前，許多智能化的檢測設備已經(jīng)大量地采用了各種各樣的傳感器，其應用早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、海洋探測 、環(huán)境保護 、醫(yī)學診斷 、生物工程 、宇宙 開發(fā) 、智能家居等方方面面。 隨著信息時代的應用需求越來越高，對被測量信息的范圍、 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。針對特殊環(huán)境與特殊信號下氣體 、壓力 、濕 度的測量需求，對普通傳感器提出了新的挑戰(zhàn)

　　面對越來越多的特殊信號和特殊環(huán)境，新型傳感器技術(shù)已向以下趨勢發(fā)展：開發(fā)新材料 、新工藝和開發(fā)新型傳感器;實現(xiàn)傳感器的集成化和智能化;實現(xiàn)傳感技術(shù)硬件系統(tǒng)與元器件的微小型化;與其它學科的交叉整合的傳感器。同時 ， 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 。隨著柔性基質(zhì)材料的發(fā)展，滿足上述各類趨勢特點的柔性傳感器在此基礎(chǔ)上應運而生 。

　　薄膜柔性壓力傳感器

　　柔性傳感器的特點與分類

　　1、柔性傳感器的特點

　　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 。常見的柔性材料有：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。新型柔性傳感器在電子皮膚 、醫(yī)療保健 、電子、電工 、運動器材 、紡織品 、航天航空 、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域受到廣泛應用。

　　2、柔性傳感器的分類

　　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 。

　　柔性傳感器的常用材料

　　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(zhì)成為了柔性基底的關(guān)鍵指標。

　　在眾多柔性基底的選擇中，聚二甲基硅氧烷(PDMS)成為了人們的首選。它的優(yōu)勢包括方便易得、化學性質(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(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(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體材料，主要用于電極和導線。 對于現(xiàn)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(jié)成薄膜或?qū)Ь€。

　　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(lǐng)域顯示出了廣闊的應用前景。

　　一種基于直接將機械能轉(zhuǎn)換為光學信號的柔性壓力傳感器被開發(fā)出來。這種矩陣利用了Zn 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)生壓伏效應而產(chǎn)生傾斜，這樣可以促進Mn2+的激發(fā)，接下來的去激發(fā)過程發(fā)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(fā)光轉(zhuǎn)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(tài)壓力，其可以用于辨別簽名者筆跡和通過實時獲得發(fā)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(lǐng)域最有潛力的候選者之一。

　　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(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轉(zhuǎn)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(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(gòu)成。根據(jù)多數(shù)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(tǒng)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型場效應性能，是研究最為廣泛的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(shù)有載流子遷移率、運行電壓和開/關(guān)電流比等。與無機半導體結(jié)構(gòu)相比，有機場效應晶體管(OFET)具有柔性高和制備成本低的優(yōu)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(jié)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(shù)、移動通訊、信息技術(shù)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(jié)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(wǎng)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(huán)下，沒有漏極電流變化，顯示出了很好的可持續(xù)性。

　　常見柔性傳感器

　　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(guān)注。這很好地滿足了特殊環(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、測量范圍不全面 、量程 小 、成本高等不利因素，可對N H 、N O 、乙醇氣體進行簡單精確的檢測，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、智能運動、機器人 “ 皮膚 ” 等方面有廣泛運用 。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變計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。

　　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。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(fā)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 、聚酰亞胺 、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(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計已無法滿足現(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(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)測量條件的要求任意布置，能夠非常方便地對特殊環(huán)境與特殊信號進行精確快捷測量，解決了傳感器的小型化 、集成 化 、智能化發(fā)展問題，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 等問題。常用柔性基底存在不耐高溫的缺點，導致柔性基底與薄膜材料間應力 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 一步提高 。