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 学科的交叉整合的传感器。同时，希望传感

2、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（PVA）、 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、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

3、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（

4、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

5、，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

6、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 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

7、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（NDI）和乖四酰亚二胺（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