柔性可穿戴電子傳感器常用材料

1、畢業(yè)論文設(shè)計(jì)柔性可穿戴電子傳感器常用材料摘要 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)與未來發(fā)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)過分析近年來柔性傳感器的研究、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)與未來的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞 可穿戴電子;柔性傳感器The Common Materials of Flexible Wearable Electronic SensorsAbstract With the d

2、evelopment of intelligent terminals, wearable electronic devices show a great market prospect. As one core component of the wearable electronic device, the sensor will exert a significant influence on the design and function of the wearable electronic device in the future. Compared with the traditio

3、nal electrical sensors, flexible wearable sensors have the advantages of being light, thin, portable, highly integrated and electrically excellent. It has become one of the most popu-lar electronic sensors. This review focused on recent research advances of flexible wearable sensors, including signa

4、l trans-duction mechanisms, general materials, manufacture processes and recent applications. Piezoresistivity, capacitance and pie-zoelectricity are three traditional signal transduction mechanism. For accessing the dynamic pressure in real time and devel-oping stretchable energy harvesting devices

5、, sensors based on the mechanoluminescent mechanism and triboelectric mecha-nism are promising. Common materials used in flexible wearable electronic sensors, such as flexible substrates, metals, inor-ganic semiconductors, organics and carbons, are also introduced. In addition to the continuously ma

6、pping function, wearable sensors also have the practical and potential applications, which focused on the temperature and pulse detection, the facial expression recognition and the motion monitoring. Finally, the challenges and future development of flexible wearable sen-sors are presented. Keywords

7、 wearable electronics; flexible sensor; printing manufacture; body monitoring 目錄1 引言22 柔性可穿戴電子的常用材料22.1柔性基底22.2金屬材料22.3無機(jī)半導(dǎo)體材料32.4有機(jī)材料32.5碳材料43 總結(jié)與展望4參考文獻(xiàn)51 引言傳感器在人體健康監(jiān)測方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。近年來，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膚觸覺信息Error! Reference source not found.，利用三維微電極實(shí)現(xiàn)大腦皮層控制假肢，利用人工耳蝸恢復(fù)病人聽力等Error

8、! Reference source not found.。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)、低成本制造和復(fù)雜信號檢測仍然是一個很大的挑戰(zhàn)。本文綜述了近年來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)勢包括方便易得、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、透明和熱穩(wěn)定性好

9、等。尤其在紫外光下粘附區(qū)和非粘附區(qū)分明的特性使其表面可以很容易的粘附電子材料Error! Reference source not found.。很多柔性電子設(shè)備通過降低基底的厚度來獲得顯著的彎曲性; 然而,這種方法局限于近乎平整的基底表面。相比之下,可拉伸的電子設(shè)備可以完全粘附在復(fù)雜和凹凸不平的表面上。目前,通常有兩種策略來實(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Error! Reference source not found.。Someya 等制備了可拉伸的有機(jī)發(fā)光二極

10、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)長碳納米管,其拉伸性高達(dá)100%,導(dǎo)電性高達(dá)100Scm1。幾何圖案和器件設(shè)計(jì)方面,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被用來進(jìn)一步增強(qiáng)拉伸性和適應(yīng)性Error! Reference source not found.Ro。gers 等首先提出把電學(xué)性能優(yōu)異的剛性傳統(tǒng)無機(jī)材料粘附在彈性基底表面。將無機(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-舒張過程中產(chǎn)生的大部分拉伸應(yīng)變Error! Reference source not fo

11、und.。這種島橋設(shè)計(jì)首次顯著提高了傳感器的可拉伸性;這種設(shè)計(jì)中,剛性大的活動模塊作為浮動的島嶼,剛性小的連線充當(dāng)拉橋?？勺冃芜B接部分的非共面結(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, 比如旋轉(zhuǎn)和扭曲。最近,自相似的分形層是連線選擇之一,這種分形導(dǎo)線有利于適應(yīng)不同的形變Error! Reference source not found.。 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、部分鍵合與完全鍵合。舉例來說,非鍵設(shè)計(jì)形變自由,并且連線的暴露對物理損傷更加敏感,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

12、。 對于現(xiàn)代印刷工藝而言，導(dǎo)電材料多選用導(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Error! Reference source not found.發(fā)展了一種電路，通過靜電紡絲技術(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)電性達(dá)到 2200 Scm1。2.3無機(jī)半導(dǎo)體材料以ZnO和ZnS為代表的無機(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Error! Reference source not found.。一種基于直接將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號的柔性壓力傳感器被開發(fā)出來

13、。這種矩陣?yán)昧薢n S: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 Zn S 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)，接下來的去激發(fā)過程發(fā)射出黃光(580nm左右)。一種快速響應(yīng)(響應(yīng)時間小于10ms)的傳感器就是由這種力致發(fā)光轉(zhuǎn)換過程所得到,通過自上而下的光刻工藝,其空間分辨率可達(dá) 100m。這種傳感器可以記錄單點(diǎn)滑移的動態(tài)壓力,其可以用于辨別簽名者筆跡和通過實(shí)時獲得發(fā)射強(qiáng)度曲線來掃描二維平面壓力分布。 所有的這些特點(diǎn)使得無機(jī)半導(dǎo)體材料成為未來快速響應(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

14、列對未來可穿戴傳感器的發(fā)展非常重要Error! Reference source not found.?；趬鹤韬碗娙菪盘枡C(jī)制的壓力傳感器存在信號串?dāng)_，導(dǎo)致了測量的不準(zhǔn)確，這個問題成為發(fā)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轉(zhuǎn)換和放大性能，晶體管的使用為減少信號串?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的。典型的場效應(yīng)晶體管是由源極、漏極、柵極、介電層和半導(dǎo)體層五部分構(gòu)成。根據(jù)多數(shù)載流子的類型可以分為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吩類聚合物,其中最為成功

15、的例子便是聚(3-己基噻吩)(P3HT)體系。萘四酰亞二胺(NDI)和苝四酰亞二胺(PDI)顯示了良好的n型場效應(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/關(guān)電流比等。與無機(jī)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相比,有機(jī)場效應(yīng)晶體管(OFET)具有柔性高和制備成本低的優(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,鮑哲楠等Error! Reference source not found.設(shè)計(jì)了一種具有更高噪聲限度的邏輯電路。通過優(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)可用來調(diào)節(jié)閾值電壓。晶體管出色的電學(xué)開關(guān)行為引起了科學(xué)

16、家對壓力傳感器的廣泛興趣。Someya 等首次使用堆疊了壓敏橡膠的有機(jī)場效應(yīng)晶體管矩陣來作為高性能壓力傳感陣列。晶體管用來低能耗快速表達(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,人們亟需發(fā)展一種檢測壓力范圍廣,響應(yīng)速度快的矩陣策略。鮑哲楠等Error! Reference source not found.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高了壓力敏感性。原

17、因是PDMS層和有機(jī)半導(dǎo)體間空隙的提高使得介電常數(shù)降低。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步在塑料基底上發(fā)展了柔性的壓敏矩陣。這種基于微結(jié)構(gòu)橡膠的矩陣具有反應(yīng)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)測健康Error! Reference source not found.。盡管如此,該類器件還是存在介電層的彈性極限問題,超高靈敏度壓力傳感器件(100kPa1)難以實(shí)現(xiàn)。朱道本等Error! Reference source not found.首次成功構(gòu)建了柔性懸浮柵有機(jī)薄膜晶體管(SGOTFT), 有效避免了介電層彈性極限問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)?；谠撛? 科研人員

18、構(gòu)建了靈敏度高達(dá)192 k Pa1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和微小物體的運(yùn)動追蹤,在人工智能和可穿戴健康監(jiān)測方面顯示了非常好的應(yīng)用前景。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、比表面積大、微孔大小可通過合成工藝加以控制，比表面利用率可達(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)、移動通訊、信息技術(shù)和電動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Error! Reference sourc

19、e not found.利用多臂碳納米管和銀復(fù)合并通過印刷方式得到的導(dǎo)電聚合物傳感器,在140%的拉伸下,導(dǎo)電性仍然高達(dá)20Scm1。在碳納米管和石墨烯的綜合應(yīng)用上,Lee 等Error! Reference source not found.制備了可以高度拉伸的透明場效應(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機(jī)介電層單壁碳納米管網(wǎng)格通道。由于存在褶皺的氧化鋁介電層,在超過一千次20%幅度的拉伸-舒張循環(huán)下,沒有漏極電流變化,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、無機(jī)半導(dǎo)體、有機(jī)和碳材料等。人們已經(jīng)利用這

20、些材料設(shè)計(jì)制造出多種不同用途的柔性傳感器，比如溫度檢測、脈搏檢測、表情識別、運(yùn)動檢測等，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)性能的材料將被開發(fā)出來應(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)出巨大的市場前景。傳感器作為可穿戴設(shè)備的核心部件，將對其未來功能發(fā)展產(chǎn)生重要影響。參考文獻(xiàn)1 Tee1,B.C.K.;Chortos,A.;Berndt,A.;Nguyen,A.K.;Tom,A.;Mc Guire,A.;Lin,Z.C.;Tien,K.; Bae,W.G.;Wang,H.L.;Mei,P.;Chou,H.H.;Cui

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