柔性傳感器的介紹與未來展望

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

利用柔性傳感器和導(dǎo)電系統(tǒng)，科學(xué)家可以將外應(yīng)力或加熱轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并將其傳輸?shù)綑C(jī)器人的計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，從而制作出透明、靈活、可擴(kuò)展、可自由彎曲、可穿戴的電子皮膚，從而實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測人體的各項(xiàng)指標(biāo)。

那么柔性傳感器有什么特點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(fù)雜的測量。

柔性傳感器的優(yōu)點(diǎn)使其具有良好的應(yīng)用前景，包括醫(yī)療電子、環(huán)境監(jiān)測和可穿戴領(lǐng)域。比如在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，科學(xué)家將制作的柔性傳感器放入設(shè)備中，可以監(jiān)測臺(tái)風(fēng)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(guān)參數(shù)，因?yàn)槿梭w不是平的。

那么，柔性傳感器的關(guān)鍵是什么呢？以廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、環(huán)境檢測等領(lǐng)域的柔性可穿戴電子傳感器為例，其信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)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(zhuǎn)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(dǎo)電物質(zhì)間導(dǎo)電路徑的變化是獲得壓阻傳感信號(hào)的常見機(jī)理。這種傳感器因其簡單的設(shè)備和信號(hào)讀取機(jī)制而得到廣泛應(yīng)用。程文龍等人開發(fā)了一種簡單實(shí)用的高靈敏度壓阻傳感器，在彈性基礎(chǔ)上構(gòu)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(qiáng)靈敏度，實(shí)現(xiàn)對接觸力的掃描，鮑哲楠等利用錐形微結(jié)構(gòu)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(diǎn)是對力敏感性強(qiáng)，能實(shí)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(shí)響應(yīng)壓力和拉力。

壓電。

壓電材料是指在機(jī)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換效率的物理量。壓電系數(shù)越高，能量轉(zhuǎn)換效率越高。高靈敏度、快速響應(yīng)和高壓電系數(shù)的壓電材料廣泛應(yīng)用于將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)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(yīng)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(jī)半導(dǎo)體材料、有機(jī)材料和柔性基礎(chǔ)。

1.柔性基底。

為滿足柔性電子設(shè)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(chǔ)的關(guān)鍵指標(biāo)。

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(diǎn)包括方便易得，化學(xué)性質(zhì)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(shè)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(shè)備可以完全附著在復(fù)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(dǎo)電材料。第二種方法是使用可拉伸的導(dǎo)體組裝器件。通常由導(dǎo)電物質(zhì)混合到彈性基體中制備。

2.金屬材料。

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

3.無機(jī)半導(dǎo)體材料。

無機(jī)半導(dǎo)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(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

開發(fā)了一種基于直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成光學(xué)信號(hào)的柔性壓力傳感器。這種矩陣?yán)昧薢nS:Mn顆粒的力發(fā)光性質(zhì)。壓電效應(yīng)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(yīng)并產(chǎn)生傾斜，從而促進(jìn)Mn2+的激發(fā)，在下一個(gè)去激發(fā)過程中發(fā)出黃光(約580nm)。

一種快速響應(yīng)(響應(yīng)時(shí)間小于10毫秒)的傳感器是通過這種力發(fā)光轉(zhuǎn)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(dá)100μm。該傳感器可記錄單點(diǎn)滑動(dòng)的動(dòng)態(tài)壓力，用于識(shí)別簽名者的筆跡，并通過實(shí)時(shí)獲取發(fā)射強(qiáng)度曲線來掃描二維平面壓力分布。這些特性使無機(jī)半導(dǎo)體材料成為未來快速響應(yīng)和高分辨率壓力傳感器材料領(lǐng)域最具潛力的候選人之一。

4.有機(jī)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(guān)重要?；趬鹤韬碗娙菪盘?hào)機(jī)制的壓力傳感器存在信號(hào)串?dāng)_，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)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(hào)轉(zhuǎn)換和放大性能，晶體管的使用可以減少信號(hào)串?dāng)_。因此，在可穿戴傳感器和人工智能領(lǐng)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(yīng)晶體管由五部分組成:源極、漏極、柵極、介電層和半導(dǎo)體層。按大多數(shù)載流子型可分為p型(空穴)場效應(yīng)晶體管和n型(電子)場效應(yīng)晶體管。

傳統(tǒng)上，用于場效應(yīng)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(yīng)性能，是研究最廣泛的n型半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于小分子n型場效應(yīng)晶體管中。

通常，晶體管參數(shù)包括載流子遷移率、運(yùn)行電壓和開/關(guān)電流比。與無機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相比，機(jī)場效應(yīng)晶體管具有柔性高、制備成本低的優(yōu)點(diǎn)，但也存在載流子遷移率低、操作電壓大的缺點(diǎn)。

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(jié)晶度高，導(dǎo)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(dá)100%。

石墨烯具有輕薄透明、導(dǎo)電性好、導(dǎo)熱性好的特點(diǎn)。它在傳感技術(shù)、移動(dòng)通信、信息技術(shù)和電動(dòng)汽車方面具有極其重要和廣闊的應(yīng)用前景。

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

在碳納米管和石墨烯的綜合應(yīng)用中，制備了可高度拉伸的透明場效應(yīng)晶體管，結(jié)合了石墨烯/單壁碳納米管電極和褶皺無機(jī)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(yīng)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(jī)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(yīng)用較多的柔性傳感器。

柔性圖像感應(yīng)陣列。

柔性電子設(shè)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(shù)的核心。需要設(shè)計(jì)一個(gè)新材料和結(jié)構(gòu)的柔性平臺(tái)來開發(fā)高傳感性光電探測器。為了實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和寬帶寬，低維材料得到認(rèn)可，包括納米線、納米帶、2D材料和納米復(fù)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(tái)上拉伸、彎曲、重量輕、透明，并且由于其在未來人性化應(yīng)用中的潛在價(jià)值而受到極大關(guān)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(guān)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(zhǔn)確地檢測乙醇?xì)怏w。

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(diǎn)是在基板上覆蓋一層由感濕材料制成的膜。當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值發(fā)生變化，濕度可以通過這個(gè)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(zhuǎn)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(jì)或毛發(fā)濕度計(jì)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(zhuǎn)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(yīng)用于智能服裝、智能運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人皮膚等領(lǐng)域。聚偏氟乙烯、硅橡膠、聚酞亞胺等。作為其基礎(chǔ)材料，已廣泛應(yīng)用于柔性壓力傳感器的。它們不同于使用金屬應(yīng)變測力傳感器和使用n型半導(dǎo)體芯片的擴(kuò)散普通壓力傳感器，具有良好的柔韌性、導(dǎo)電性和壓阻特性。

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

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

深圳市力準(zhǔn)傳感技術(shù)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(shù)創(chuàng)新企業(yè)。

主要產(chǎn)品有多個(gè)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(hù)等級傳感器。這些產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、紡織、電子、油田、化工、機(jī)械加工、能源、環(huán)保、醫(yī)療、交通、建材等領(lǐng)域自動(dòng)化工程的檢測和過程控制。

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