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潜力巨大的柔性传感器产业
[发布时间]:2021年3月25日 [来源]:传感器专家网 [点击率]:546
【导读】: 华为Mate X2、中兴努比亚柔性屏腕机、三星Galaxy Fold......近来,各大品牌折叠屏手机、柔性可穿戴电子等智能设备层出不穷。  “柔性时代”已然来临,折叠屏是近年手机市场热点之一,...

  华为Mate X2、中兴努比亚柔性屏腕机、三星Galaxy Fold......近来,各大品牌折叠屏手机、柔性可穿戴电子等智能设备层出不穷。
  “柔性时代”已然来临,折叠屏是近年手机市场热点之一,成为业内人士的共识。而作为柔性电子设备的重要组成部分,柔性传感器正在从基础研究向产业化方向发展。
  利用柔性传感器和导电体,科学家可以将外界的受力或受热情况转换为电信号,传递给机器人的电脑进行信号处理,这样就可以制作成透明、柔韧、可延展、可自由弯曲折叠、可穿戴的电子皮肤,以便实时精准的监测出人体各项指标。

  柔性传感器有什么特点?
  柔性传感器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测。
  柔性传感器的优势让它有非常好的应用前景,包括在医疗电子、环境监测和可穿戴等领域。例如在环境监测领域,科学家将制作成的柔性传感器置于设备中,可监测台风和暴雨的等级;在可穿戴方面,柔性的电子产品更易于测试皮肤的相关参数,因为人的身体不是平面的。
  那么,对于柔性传感器而言关键是什么?以现在被广泛用于医疗、环境检测等领域的柔性可穿戴电子传感器为例,其信号转换机制主要分为压阻、电容和压电三大部分。

  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。

  柔性材料迅速发展成为催化剂
  柔性传感器为何成为趋势,自然是随着柔性材料的发展应运而生。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 目前制作柔性传感器的材料有很多,主要是金属材料、无机半导体材料、有机材料和柔性基底。

  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。

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