详细讲解柔性电子传感器和构造

传感器技术 2018-01-06 07:14 次阅读

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 。

薄膜柔性压力传感器

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、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 100μm。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的导电聚合物传感器,在140%的拉伸下,导电性仍然高达20S•cm−1。

在碳纳米管和石墨烯的综合应用上,制备了可以高度拉伸的透明场效应晶体管,其结合了石墨烯/单壁碳纳米管电极和具有褶皱的无机介电层单壁碳纳米管网格通道。由于存在褶皱的氧化铝介电层,在超过一千次20%幅度的拉伸-舒张循环下,没有漏极电流变化,显示出了很好的可持续性。

常见柔性传感器

1、柔性气体传感器

柔性气体传感器在电极表面布置对气体敏感的薄膜材料,其基底是柔性的,具备轻便 、柔韧易弯曲,可大面积制作等特点,薄膜材料也具备更高的敏感性和 相对简便的制作工艺而备受关注。这很好地满足了特殊环境下气体传感器的便携 、低功耗等需求,打破了以往气体传感器不易携带、测量范围不全面 、量程 小 、成本高等不利因素,可对N H  、N O  、乙醇气体进行简单精确的检测,从而引起了人们的广泛关注 。

2、柔性压力传感器

柔性压力传感器在智能服装、智能运动、机器人 “ 皮肤 ” 等方面有广泛运用 。聚偏氟乙烯 、硅橡胶 、聚酰亚胺等作为其基底材料已广泛用于柔性压力传感 器的制作,它们有别于采用金属应变计的测力传感器和采用n 型半导体芯片的扩散型普通压力传感器,具有较好的柔韧性 、导电性及压阻特性。

3、柔性湿度传感器

湿度传感器主要有电阻式 、电容式两大类。湿敏电阻器特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜,当空气中的水蒸汽吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值都发生变化,利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容器一般是用高分子薄膜制成,常用的高分子材料有聚苯乙烯 、聚酰亚胺 、酪酸醋酸纤维等 。

湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化 、智能化 、多参数检测的方向迅速发展,传统的干湿球湿度计或毛发湿度计已无法满足现代科发展的需要 。柔性湿 度传感器以低成本 、低能耗 、易于制造和易集成到智能系统制造等优点已被广泛研究。制作该类柔性湿度传感器的基底材料与其他柔性传感器类似,制造湿度敏感膜的方法也有很多,包括浸涂 、旋转涂料 、丝网印刷和喷墨印刷等。

柔性传感器结构形式灵活多样,可根据测量条件的要求任意布置,能够非常方便地对特殊环境与特殊信号进行精确快捷测量,解决了传感器的小型化 、集成 化 、智能化发展问题,这些新型柔性传感器在电子皮肤 、生物医药、可穿戴电子产品和航空航天中有重要作用 。但目前对于碳纳米管和石墨烯等用于柔性传感器的材料制备技术工艺水平还不成熟,也存在成本 、适用范 围 、使用寿命 等问题。常用柔性基底存在不耐高温的缺点,导致柔性基底与薄膜材料间应力 大 、粘附力弱。柔性传感器的组装 、排列 、集成和封装技术也还有待进 一步提高

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原文标题:一文读懂柔性电子传感器

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