柔性可穿戴電子傳感器常用材料

1、畢業(yè)論文設(shè)計(jì)摘要隨著智能終端的普及,可穿戴電子設(shè)備呈現(xiàn)出巨大的市場(chǎng)前景.傳感器作為核心部件之一,將影響可穿戴設(shè)備的功能設(shè)計(jì)與未來(lái)開(kāi)展.柔性可穿戴電子傳感器具有輕薄便攜、電學(xué)性能優(yōu)異和集成度高等特點(diǎn),使其成為最受關(guān)注的電學(xué)傳感器之一.經(jīng)過(guò)分析近年來(lái)柔性傳感器的研究、設(shè)計(jì)和制造現(xiàn)狀后,綜述了柔性可穿戴電子傳感器的常用材料,最后并提出了柔性可穿戴電子傳感器面臨的挑戰(zhàn)與未來(lái)的開(kāi)展方向.關(guān)鍵詞可穿戴電子；柔性傳感器TheCommonMaterialsofFlexibleWearableElectronicSensorsAbstractWiththedevelopmentofintelligentterm

2、inals,wearableelectronicdevicesshowagreatmarketprospect.Asonecorecomponentofthewearableelectronicdevice,thesensorwillexertasignificantinfluenceonthedesignandfunctionofthewearableelectronicdeviceinthefuture.Comparedwiththetraditionalelectricalsensors,flexiblewearablesensorshavetheadvantagesofbeinglig

3、ht,thin,portable,highlyintegratedandelectricallyexcellent.Ithasbecomeoneofthemostpopu-larelectronicsensors.Thisreviewfocusedonrecentresearchadvancesofflexiblewearablesensors,includingsignaltrans-ductionmechanisms,generalmaterials,manufactureprocessesandrecentapplications.Piezoresistivity,capacitance

4、andpie-zoelectricityarethreetraditionalsignaltransductionmechanism.Foraccessingthedynamicpressureinrealtimeanddevel-opingstretchableenergyharvestingdevices,sensorsbasedonthemechanoluminescentmechanismandtriboelectricmecha-nismarepromising.Commonmaterialsusedinflexiblewearableelectronicsensors,suchas

5、flexiblesubstrates,metals,inor-ganicsemiconductors,organicsandcarbons,arealsointroduced.Inadditiontothecontinuouslymappingfunction,wearablesensorsalsohavethepracticalandpotentialapplications,whichfocusedonthetemperatureandpulsedetection,thefacialexpressionrecognitionandthemotionmonitoring.Finally,th

6、echallengesandfuturedevelopmentofflexiblewearablesen-sorsarepresented.Keywordswearableelectronics;flexiblesensor;printingmanufacture;bodymonitoring目錄1弓I言.4.2柔性可穿戴電子的常用材料.4.2.1 柔性基底42.2 金屬材料42.3 無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料52.4 有機(jī)材料52.5 碳材料63總結(jié)與展望6參考文獻(xiàn)7,1引言傳感器在人體健康監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用.近年來(lái),人們已經(jīng)在可穿戴可植入傳感器領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)步,例如利用電子皮膚向大腦傳遞皮

7、膚觸覺(jué)信息1,利用三維微電極實(shí)現(xiàn)大腦皮層限制假肢,利用人工耳蝸恢復(fù)病人聽(tīng)力等2.然而,實(shí)現(xiàn)柔性可穿戴電子傳感器的高分辨、高靈敏、快速響應(yīng)、低本錢制造和復(fù)雜信號(hào)檢測(cè)仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn).本文綜述了近年來(lái)柔性可穿戴電子傳感器的設(shè)計(jì)制造材料及其屬性,包括金屬、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體、有機(jī)和碳材料等,為設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)備好原材料.本文對(duì)柔性可穿戴電子傳感器的常用材料進(jìn)行了分析.2柔性可穿戴電子的常用材料2.1 柔性基底為了滿足柔性電子器件的要求,輕薄、透明、柔性和拉伸性好、絕緣耐腐蝕等性質(zhì)成為了柔性基底的關(guān)鍵指標(biāo).在眾多柔性基底的選擇中,聚二甲基硅氧烷(PDMS)成為了人們的首選.它的優(yōu)勢(shì)包括方便易得、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)

8、定、透明和熱穩(wěn)定性好等.尤其在紫外光下粘附區(qū)和非粘附區(qū)清楚的特性使其外表可以很容易的粘附電子材料4.很多柔性電子設(shè)備通過(guò)降低基底的厚度來(lái)獲得顯著的彎曲性；然而,這種方法局限于近乎平整的基底外表.相比之下,可拉伸的電子設(shè)備可以完全粘附在復(fù)雜和凹凸不平的外表上.目前,通常有兩種策略來(lái)實(shí)現(xiàn)可穿戴傳感器的拉伸性.第一種方法是在柔性基底上直接鍵合低楊氏模量的薄導(dǎo)電材料.第二種方法是使用本身可拉伸的導(dǎo)體組裝器件.通常是由導(dǎo)電物質(zhì)混合到彈性基體中制備5.Someya等制備了可拉伸的有機(jī)發(fā)光二極管有源矩陣.含氟共聚物的高彈膜中均勻分散著可印刷的彈性導(dǎo)體,如單壁碳納米管.用離子液體法制備的細(xì)長(zhǎng)碳納米管,其拉伸性

9、高達(dá)100%,導(dǎo)電性高達(dá)100S?cm-1.幾何圖案和器件設(shè)計(jì)方面,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被用來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)拉伸性和適應(yīng)性6Roogers等首先提出把電學(xué)性能優(yōu)異的剛性傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料粘附在彈性基底外表.將無(wú)機(jī)半導(dǎo)體(包括電子元件和連接電路)組裝在可拉伸的器件上.與眾不同的是,高楊氏模量機(jī)械平面層的張力是可以忽略的,而復(fù)雜的波浪結(jié)構(gòu)吸收了基底壓縮-舒張過(guò)程中產(chǎn)生的大局部拉伸應(yīng)變7.這種島橋設(shè)計(jì)首次顯著提升了傳感器的可拉伸性；這種設(shè)計(jì)中,剛性大的活動(dòng)模塊作為浮動(dòng)的島嶼,剛性小的連線充當(dāng)拉橋.可變形連接局部的非共面結(jié)構(gòu),包括直帶和蛇紋,可以讓傳感器經(jīng)歷復(fù)雜的形變,比方旋轉(zhuǎn)和扭曲.最近,自相似的分形層是連線選擇之一,這

10、種分形導(dǎo)線有利于適應(yīng)不同的形變8.為了適應(yīng)實(shí)際的需要,在連線和軟基底之間的三種接觸模式得到有效利用,包括非鍵、局部鍵合與完全鍵合.舉例來(lái)說(shuō),非鍵設(shè)計(jì)形變自由,并且連線的暴露對(duì)物理?yè)p傷更加敏感,使得其表現(xiàn)了最好的機(jī)械性能.2.2 金屬材料金屬材料一般為金銀銅等導(dǎo)體材料,主要用于電極和導(dǎo)線.對(duì)于現(xiàn)代印刷工藝而言,導(dǎo)電材料多項(xiàng)選擇用導(dǎo)電納米油墨,包括納米顆粒和納米線等.金屬的納米粒子除了具有良好的導(dǎo)電性外,還可以燒結(jié)成薄膜或?qū)Ь€.Park等9開(kāi)展了一種電路,通過(guò)靜電紡絲技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)銀納米顆粒覆蓋的橡膠纖維的電路.在100%拉力下,導(dǎo)電性到達(dá)2200S?cm-1.2.3 無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料以ZnO和Zn

11、S為代表的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料由于其出色的壓電特性,在可穿戴柔性電子感器領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景3.一種基于直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)的柔性壓力傳感器被開(kāi)發(fā)出來(lái).這種矩陣?yán)昧薢nS:Mn顆粒的力致發(fā)光性質(zhì).力致發(fā)光的核心是壓電效應(yīng)引發(fā)的光子發(fā)射.壓電ZnS的電子能帶在壓力作用下產(chǎn)生壓伏效應(yīng)而產(chǎn)生傾斜,這樣可以促進(jìn)Mn2+的激發(fā),接下來(lái)的去激發(fā)過(guò)程發(fā)射出黃光580nm左右.一種快速響應(yīng)響應(yīng)時(shí)間小于10ms的傳感器就是由這種力致發(fā)光轉(zhuǎn)換過(guò)程所得到,通過(guò)自上而下的光刻工藝,其空間分辨率可達(dá)100pm.這種傳感器可以記錄單點(diǎn)滑移的動(dòng)態(tài)壓力,其可以用于區(qū)分簽名者筆跡和通過(guò)實(shí)時(shí)獲得發(fā)射強(qiáng)度曲線來(lái)掃描二維平面

12、壓力分布.所有的這些特點(diǎn)使得無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料成為未來(lái)快速響應(yīng)和高分辨壓力傳感器材料領(lǐng)域最有潛力的候選者之一.2.4 有機(jī)材料大規(guī)模壓力傳感器陣列對(duì)未來(lái)可穿戴傳感器的開(kāi)展非常重要10.基于壓阻和電容信號(hào)機(jī)制的壓力傳感器存在信號(hào)串?dāng)_,導(dǎo)致了測(cè)量的不準(zhǔn)確,這個(gè)問(wèn)題成為開(kāi)展可穿戴傳感器最大的挑戰(zhàn)之一.由于晶體管完美的信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大性能,晶體管的使用為減少信號(hào)串?dāng)_提供了可能.因此,在可穿戴傳感器和人工智能領(lǐng)域的很多研究都是圍繞如何獲得大規(guī)模柔性壓敏晶體管展開(kāi)的.典型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管是由源極、漏極、柵極、介電層和半導(dǎo)體層五局部構(gòu)成.根據(jù)多數(shù)載流子的類型可以分為p型空穴場(chǎng)效應(yīng)晶體管和n型電子場(chǎng)效應(yīng)晶體管.傳統(tǒng)上

13、用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管研究的p型聚合物材料主要是曝吩類聚合物,其中最為成功的例子便是聚3-己基曝吩P3HT體系.秦四酰亞二胺NDI和北四酰亞二胺PDI顯示了良好的n型場(chǎng)效應(yīng)性能,是研究最為廣泛的n型半導(dǎo)體材料,被廣泛應(yīng)用于小分子n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管當(dāng)中.通常晶體管參數(shù)有載流子遷移率、運(yùn)行電壓和開(kāi)/關(guān)電流比等.與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相比,有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管OFET具有柔性高和制備本錢低的優(yōu)點(diǎn),但也有載流子遷移率低和操作電壓大的缺點(diǎn).近來(lái),鮑哲1等11設(shè)計(jì)了一種具有更高噪聲限度的邏輯電路.通過(guò)優(yōu)化摻雜厚度或濃度,基于n型和p型碳納米管晶體管的設(shè)計(jì)可用來(lái)調(diào)節(jié)閾值電壓.晶體管出色的電學(xué)開(kāi)關(guān)行為引起了科學(xué)家對(duì)壓力傳感器的

14、廣泛興趣.Someya等首次使用堆疊了壓敏橡膠的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管矩陣來(lái)作為高性能壓力傳感陣列.晶體管用來(lái)低能耗快速表達(dá),它的柵極和漏極分別連接字線和位線,源極通過(guò)壓敏的彈性橡膠接地.壓敏橡膠網(wǎng)格的電阻用作感知壓力的變化,晶體管柵電壓的變化,導(dǎo)致漏極電流的變化.為了滿足更多的應(yīng)用,人們亟需開(kāi)展一種檢測(cè)壓力范圍廣,響應(yīng)速度快的矩陣策略.鮑哲1等12在硅片上集成了一種新型高壓敏感的有機(jī)晶體管,其具有微結(jié)構(gòu)的可壓縮柵電介質(zhì).相比于無(wú)結(jié)構(gòu)或其他微結(jié)構(gòu)的膜,具有錐狀結(jié)構(gòu)的PDMS層電容式傳感器極大地提升了壓力敏感性.原因是PDMS層和有機(jī)半導(dǎo)體間空隙的提升使得介電常數(shù)降低.在此根底上,進(jìn)一步在塑料基底上開(kāi)

15、展了柔性的壓敏矩陣.這種基于微結(jié)構(gòu)橡膠的矩陣具有反響迅速和高壓敏感性的特點(diǎn)其可以精確的掃描靜態(tài)壓力分布和監(jiān)測(cè)健康13.盡管如此,該類器件還是存在介電層的彈性極限問(wèn)題超高靈敏度壓力傳感器件100kPa-1難以實(shí)現(xiàn).朱道本等14首次成功構(gòu)建了柔性懸浮柵有機(jī)薄膜晶體管SGOTFT,有效防止了介電層彈性極限問(wèn)題并使得器件的壓力傳感特性取決于柵極的機(jī)械性質(zhì).基于該原理,科研人員構(gòu)建了靈敏度高達(dá)192kPa-1的超高靈敏度壓力傳感器.此外,該類器件展現(xiàn)了非常優(yōu)異的柔韌性、穩(wěn)定性和低電壓操作特性,相應(yīng)的器件陣列成功應(yīng)用于人體脈搏的檢測(cè)和微小物體的運(yùn)動(dòng)追蹤,在人工智能和可穿戴健康監(jiān)測(cè)方面顯示了非常好的應(yīng)用前景

16、.2.5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等.碳納米管具有結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比外表積大、微孔大小可通過(guò)合成工藝加以限制,比外表利用率可達(dá)100%的特點(diǎn).石墨烯具有輕薄透明,導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等特點(diǎn).在傳感技術(shù)、移動(dòng)通訊、信息技術(shù)和電動(dòng)汽車等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)用上,Chun等15利用多臂碳納米管和銀復(fù)合并通過(guò)印刷方式得到的導(dǎo)電聚合物傳感器,在140%的拉伸下,導(dǎo)電性仍然高達(dá)20S?cm-1.在碳納米管和石墨烯的綜合應(yīng)用上,Lee等16制備了可以高度拉伸的透明場(chǎng)效應(yīng)晶體管,其結(jié)合了石墨烯/單壁碳納米管電極和具有褶皺的無(wú)機(jī)介電層單壁碳納米管網(wǎng)格通道.由

17、于存在褶皺的氧化鋁介電層,在超過(guò)一千次20%幅度的拉伸-舒張循環(huán)下,沒(méi)有漏極電流變化,顯示出了很好的可持續(xù)性.3總結(jié)與展望本文綜述了近年來(lái)柔性可穿戴電子傳感器制造材料方面的最新研究進(jìn)展,包括金屬、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體、有機(jī)和碳材料等.人們已經(jīng)利用這些材料設(shè)計(jì)制造出多種不同用途的柔性傳感器,比方溫度檢測(cè)、脈搏檢測(cè)、表情識(shí)別、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等,給人們的日常生活增加了很多方便.隨著研究的進(jìn)一步深入以及各學(xué)科的廣泛交叉,更多柔性、擁有良好電學(xué)性能的材料將被開(kāi)發(fā)出來(lái)應(yīng)用于可穿戴傳感器.隨著智能終端的普及,可穿戴電子設(shè)備展現(xiàn)出巨大的市場(chǎng)前景.傳感器作為可穿戴設(shè)備的核心部件,將對(duì)其未來(lái)功能開(kāi)展產(chǎn)生重要影響.參考文獻(xiàn)1Tee

18、1,B.C.K.;Chortos,A.;Berndt,A.;Nguyen,A.K.;Tom,A.;McGuire,A.;Lin,Z.C.;Tien,K.;Bae,W.G.;Wang,H.L.;Mei,P.;Chou,H.H.;Cui,B.X.;Deisseroth,K.;Ng,T.N.;Bao,Z.N.Science2021,350,313.2Shintaku,H.;Nakagawa,T.;Kitagawa,D.;Tanujaya,H.;Kawano,S.;Ito,J.Sensor.Actuat.A-Phys.2021,158,183.3Li,R.-Z.;Hu,A.;Zhang,T.;Oake

19、s,K.D.ACSAppl.Mater.Inter-faces2021,6,21721.4Sun,Y.;Rogers,J.A.J.Mater.Chem.2007,17,832.5Lee,P.;Lee,J.;Lee,H.;Yeo,J.;Hong,S.;Nam,K.H.;Lee,D.;Lee,S.S.;Ko,S.H.Adv.Mater.2021,24,3326.6Brosteaux,D.;Axisa,F.;Gonzalez,M.;Vanfleteren,J.IEEEElectronDeviceLett.2007,28,552.7Choi,W.M.;Song,J.;Khang,D.-Y.;Jiang

20、,H.;Huang,Y.Y.;Rog-ers,J.A.NanoLett.2007,7,1655.8Fan,J.A.;Yeo,W.H.;Su,Y.W.;Hattori,Y.;Lee,W.;Jung,S.Y.;Zhang,Y.H.;Liu,Z.J.;Cheng,H.Y.;Falgout,L.;Bajema,M.;Coleman,T.;Gregoire,D.;Larsen,R.J.;Huang,Y.G.;Rogers,J.A.Nat.Commun.2021,5,3266.9Park,M.;Im,J.;Shin,M.;Min,Y.;Park,J.;Cho,H.;Park,S.;Shim,M.-B.;Jeon,S.;Chung,D.-Y.;Bae,J.;Park,J.;Jeong,U.;Kim,K.NatureNanotechnol.2021,7,803.10 Park,S.;Pitner,G.;Giri,G.;Koo,J.H.;Park,K.;Kim,H.;Wang,R.;Sinclair,H.S.;Wong,P.;Bao,Z.N.Adv.Mater.2021,27,2656.11 Wang,H.L.;Wei,P.;Li,Y.