柔性电子传感器详解

1、柔性电子传感器详解目前，许多智能化的检测设备已经大量地采用了各种各样的 传感 器，其应用早已渗透到诸如工业生产、海洋探测 、环境保 护 、医学诊 断 、生物工程 、宇宙 开发 、智能家居等方方面 面。 随着信息时代 的应用需求越来越高， 对被测量信息的范围、 精度和稳定情况等各性 能参数的期望值和理想化要求逐步提高。 针对特殊环境与特殊信号下气 体 、压力 、湿度的测量需求，对 普通传感器提出了新的挑战。面对越来越多的特殊信号和特殊环境， 新型传感器技术已向 以下 趋势发展：开发新材料 、新工艺和开发新型传感器；实现 传感器的集 成化和智能化； 实现传感技术硬件系统与元器件的微 小型化；与其它

2、 学科的交叉整合的传感器。 同时 ，希望传感器 还能够具有透明、 柔韧 、 延展 、可自由弯曲甚至折叠 、便于 携带、可穿戴等特点 。随着柔性 基质材料的发展， 满足上述各 类趋势特点的柔性传感器在此基础上应运 而生 。柔性传感器的特点与分类1、柔性传感器的特点柔性材料是与刚性材料相对应的概念， 一般， 柔性材料具有 柔 软 、低模量 、易变形等属性 。常见的柔性材料有： 聚乙烯 醇( P V A ) 、 聚酯 ( P E T ) 、聚酰亚 胺 ( P I )、聚萘 二甲酯乙二醇酯 ( P E N ) 、纸片 、纺织材料等而柔性传感器则是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好 的柔韧性、延展性、

3、 甚至可自由弯曲甚至折叠， 而且结构形式灵 活多样， 可 根据测量条件的要求任意布置， 能够非常方便地对复 杂被测量进行检 测。新型柔性传感器在电子皮肤 、医疗保健 电子、电工 、运动器材 、 纺织品 、航天航空 、环境监测等领 域受到广泛应用。2、柔性传感器的分类柔性传感器种类较多，分类方式也多样化 。按照用途分类，柔性传感器包括柔性压力传感器 、柔性气 体传感 器 、柔性湿度传感器 、柔性温度传感器 、柔性 应变传 感器 、柔性 磁阻抗传感器和柔性热流量传感器等； 按照感知机理分类， 柔性传感器 包括柔性电阻式传感器 、柔性 电容式传感器 、柔性压磁式传感器和柔 性电感式传感器 等 。柔性

4、传感器的常用材料1、柔性基底 为了满足柔性电子器件的要求，轻薄、透明、柔性和拉伸 性 好、绝缘耐腐蚀等性质成为了柔性基底的关键指标。在众多柔性基底的选择中，聚二甲基硅氧烷(PDMS成为了人们的首选。它的优势包括方便易得、化学性质稳定、透明和热稳 定性好等 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。 很多柔性电子设备通过降低基底 的厚度来获得显著的 弯曲性； 然而， 这种方法局限于近乎平整的 基底表面。相比之下 , 可 拉伸的电子设备可以完全粘附在复杂和 凹凸不平的表面上。目前 , 通 常有两种策略来实现可穿戴传感器 的拉伸性。 第一种方法是在柔性基 底上直接

5、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。2、金属材料 金属材料一般为金银铜等导体材料， 主要用于电极和导线。 对于现代印刷工艺而言， 导电材料多选用导电纳米油墨， 包括纳 米颗 粒和纳米线等。金属的纳米粒子除了具有良好的导电性外， 还可以烧结 成薄膜或导线。3、无机半导体材料以ZnO和ZnS为代表的无机半导体材料由于其出色的压电特性，在可穿戴柔性电子传感器领域显示出了广阔的应用前景。一种基于直接将机械能转换为光学信号的柔性压力传感器 被开发 出来。这种矩阵利用了 Zn S:Mn 颗粒的力致发光性质。 力致发光的核 心

6、是压电效应引发的光子发射。压电 Zn S 的电子能带在压力作用下产生压伏效应而产生倾斜，这样可以促进Mn2 +的激发，接下来的去激发过程发射出黄光（580nm左右）。一种快速响应（响应时间小于10ms）的传感器就是由这种力致发光转换过程所得到， 通过自上而下的光刻工艺， 其空间分辨 率可达100卩m这种传感器可以记录单点滑移的动态压力，其可以用于辨别签名者笔迹和通过实时获得发射强度曲线来扫描 二维平面压力分布。 所 有的这些特点使得无机半导体材料成为 未来快速响应和高分辨压力传 感器材料领域最有潜力的候选者 之一。4、有机材料大规模压力传感器阵列对未来可穿戴传感器的发展非常重 要。基 于压阻和

7、电容信号机制的压力传感器存在信号串扰，导致 了测量的不准确， 这个问题成为发展可穿戴传感器最大的挑战之 一。由于晶体管完美的信号转换和放大性能， 晶体管的使用为减 少信 号串扰提供了可能。 因此， 在可穿戴传感器和人工智能领域 的很多研 究都是围绕如何获得大规模柔性压敏晶体管展开的。典型的场效应晶体管是由源极、漏极、栅极、介电层和半导 体层 五部分构成。根据多数载流子的类型可以分为p 型（空穴）场效应晶体管和 n 型 （ 电子 ） 场效应晶体管。传统上用于场效应晶体管研究的 p 型聚合物材料主要是噻 吩类聚 合物，其中最为成功的例子便是聚 （3- 己基噻吩 ）（P3HT） 体系。萘四 酰亚二胺

8、 （NDI） 和苝四酰亚二胺 （PDI） 显示了良好的 n 型场效应性 能， 是研究最为广泛的 n 型半导体材料， 被广泛应用 于小分子 n 型 场效应晶体管当中。通常晶体管参数有载流子迁移率、运行电压和开 / 关电流比 等。与无机半导体结构相比，有机场效应晶体管（OFET）具有柔性高和制备成本低的优点 , 但也有载流子迁移率低和操作电压大的 缺点5、碳材料 柔性可穿戴电子传感器常用的碳材料有碳纳米管和石墨烯等。碳纳米管具有结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔大小 可通过合成 工艺加以控制，比表面利用率可达100%的特点。石墨烯具有轻薄透明，导电导热性好等特点。在传感技术、 移动 通讯、信息技术和电动汽车等方面具有极其重要和广阔的应 用前景。在碳纳米管的应用上， 利用多臂碳纳米管和银复合并通过印 刷方 式得到