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聊一聊柔性可穿戴电子传感器 材料牛

文章出处:网络整理 人气:发表时间:2021-11-11 15:57

学术干货 |聊一聊柔性可穿戴电子传感器

Balance Song 5年前 (2017-02-12) 45177浏览


随着智能终端的普及,可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。传感器作为核心部件之一,将影响可穿戴设备的功能设计与未来发展。柔性可穿戴电子传感器具有轻薄便携、电学性能优异和集成度高等特点,使其成为最受关注的电学传感器之一。

传感器在人体健康监测方面发挥着至关重要的作用。近年来,人们已经在可穿戴可植入传感器领域取得了显著进步,例如利用电子皮肤向大脑传递皮肤触觉信息,利用三维微电极实现大脑皮层控制假肢,利用人工耳蜗恢复病人听力等。然而, 实现柔性可穿戴电子传感器的高分辨、高灵敏、快速响应、低成本制造和复杂信号检测仍然是一个很大的挑战。

1.柔性可穿戴电子传感器机械力信号转换

有效地将外部刺激转化为电信号是柔性可穿戴电子传感器监测身体健康状况的关键技术。柔性可穿戴电子传感器的信号转换机制主要分为压阻、电容和压电三大部分。(见图一)

聊一聊柔性可穿戴电子传感器 材料牛

1 柔性可穿戴电子传感器四种信号传导机制和器件的示意图

压阻

压阻传感器可以将外力转换成电阻的变化(与施加压力的平方根成正比),进而可以方便地用电学测试系统间接探测外力变化。而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。由于其简单的设备和信号读出机制,这类传感器得到广泛应用。程文龙等发展了一种简单实用的高灵敏压阻传感器,其在弹性基底上构筑了金纳米线薄层和电极阵列。这种器件具有 13~50000 Pa宽的检测范围。为了增强灵敏性,实现对接触力的扫描,鲍哲楠等利用具有锥状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

容是衡量平行板间容纳电荷能力的物理量。传统的电容传感器通过改变正对面积s和平行板间距d来探测不同的力,例如压力,剪切力等。电容式传感器的主要优势在于其对力的敏感性强,可以实现低能耗检测微小的静态力。鲍哲楠等在弹性基底上制备了电容型透明可拉伸的碳纳米管传感器,对压力和拉力同时有响应。

压电

压电材料是指在机械压力下可以产生电荷的特殊材料。这种压电特性是由存在的电偶极矩导致的。 电偶极矩的获得是靠取向的非中心对称晶体结构变形,或者孔中持续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,能量转换的效率就越高。高灵敏,快速响应和高压电系数的压电材料被广泛应用于将压力转换为电信号的传感器。

压电无机物是典型的高压电系数,低柔性的材料;而压电聚合物正好相反。为了探索高压电系数的柔性压力传感器,人们尝试了一系列方法,包括在柔性基底上构筑压电无机薄膜,使用压电聚合物或无机/聚合物复合物和构筑稳定的压电驻极体。最近,具有良好压电特性和机械稳定性的纳米线和纳米带吸引了国际上对集成高分辨感知阵列传感器的浓厚兴趣。

2.柔性可穿戴电子的常用材料

柔性基底

为了满足柔性电子器件轻薄、透明、柔性和拉伸性好、绝缘耐腐蚀等性质的要求,方便易得、化学性质稳定、透明和热稳定性好聚二甲基硅氧烷(PDMS)成为了人们的首选,尤其在紫外光下粘附区和非粘附区分明的特性使其表面可以很容易的粘附电子材料。目前,通常有两种策略来实现可穿戴传感器的拉伸性(见图 2)。第一种方法是在柔性基底上直接键合低杨氏模量的薄导电材料。第二种方法是使用本身可拉伸的导体组装器件。通常是由导电物质混合到弹性基体中制备。Someya等制备了可拉伸的有机发光二极管有源矩阵。含氟共聚物的高弹膜中均匀分散着可印刷的弹性导体,如单壁碳纳米管。用离子液体法制备的细长碳纳米管,其拉伸性高达100%,导电性高达 100 S•cm-1。几何图案和器件设计方面,网状结构被用来进一步增强拉伸性和适应性。Rogers等首先提出把电学性能优异的刚性传统无机材料粘附在弹性基底表面。将无机半导体(包括电子元件和连接电路)组装在可拉伸的器件上。与众不同的是,高杨氏模量机械平面层的张力是可以忽略的,而复杂的波浪结构吸收了基底压缩-舒张过程中产生的大部分拉伸应变。这种岛-桥设计首次显著提高了传感器的可拉伸性;这种设计中,刚性大的活动模块作为浮动的岛屿,刚性小的连线充当拉桥。可变形连接部分的非共面结构,包括直带和蛇纹,可以让传感器经历复杂的形变,比如旋转和扭曲。

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