初識柔性可穿戴器件

一、
柔性:Flexible,也可以解釋爲撓性,是相對剛性而言的一種物體特性。是指物體受力後變形,作用力失去之後物體自身不能恢復原來形狀的一種物理性質。因柔性材料是指可伸縮,彎曲,扭轉,變形而不是去性能的材料。通過這一性能我們可以得到許多延展性及彎曲度很高的電子材料。柔性電子技術處於初步階段。
柔性電子的發展前景:柔性電子可概括爲將有機/無機材料 電子器件在製作柔性/科研型塑料或薄金屬基板上的新型電子技術,以其獨特的柔性/延展性以及高效、低成本製造工藝,在信息、能源、醫療、國防等領域具有廣闊的應用前景,如柔性電子顯示器、有機發光二極管、OLED印刷RFID、薄膜太陽板電池板、電子用表面粘貼等。柔性電子製造技術水平指標包括芯片。特徵尺寸和基板面積大小,其關鍵是如何在更大負面的基板上以更低的成本製造出特徵尺寸更小的柔性電子器件。2000年十大科技成果之一,與人類基因草圖、生物克隆技術等重大發現並列。康奈爾大學、普林斯頓大學、哈佛大學、西北大學、劍橋大學等都先後建立了柔性電子技術專門研究機構,對柔性電子的材料、器件與工藝技術進行了大量研究。我國研究人員在柔性電子有機材料製備、有機電子器件設計與應用等方面開展了大量的基礎研究工作。中科院化學所、中科大、華南理工、清華大學、西安電子科技大、天大、浙大、武大、復旦、南京郵電、上海大學等單位在有機光電分子材料和器件、發光與顯示、太陽能電池、場效應管、場發射、柔性電子錶徵和製備、平板顯示技術、半導體器件和微圖案加工等方面進行了頗有成效的研究。
二、
可穿戴電子設備呈現出巨大的市場前景。傳感器作爲核心部件之一,將影響可穿戴設備的功能設計與未來發展。柔性可穿戴電子傳感器具有輕薄便攜、電學性能優異和集成度高等特點,使其成爲最受關注的電學傳感器之一。目前人們已經在可穿戴可植入傳感器領域取得了顯著進步,例如利用電子皮膚向大腦傳遞皮膚觸覺信息(2019年天津市腦機接口研討會上,鍾子平教授談到腦機接口的挑戰時,即提到腦機接口的發展對高級傳感器的需求。能夠傳感皮膚觸覺信息的器件在腦機接口上的應用有助於向體感交互的方向發展。但皮膚觸覺傳感器的製作與應用,我認爲存在以下幾個問題:1是傳感器的類型是壓力傳感還是溫度傳感或者人類的皮膚觸覺的產生是否存在皮膚表面接觸其他物體時存在微弱電流的相互作用。再比如說給予左手母子相同的壓力,這個觸覺來自於別人和來自於自己二者之間是存在差異的。2是分佈情況,人的每一寸肌膚都有感覺,若在體感交互中達到這個水平,無疑很具有挑戰性。3是人類皮膚的傳感器是多種多樣的,壓力、溫度等等。柔性可穿戴器件傳感器將多個信號的傳感器的集成製造是否存在一定的難度。或者隨着材料科學的發展,如果有納米材料,單個分子量級的納米材料便可產生一定區域範圍內的信號。將不同種類的納米材料交叉遍佈整個表面,便可以實現多種、高密度的傳感。),利用三維微電極實現大腦皮層控制假肢,利用人工耳蝸恢復病人聽力等。柔性可穿戴電子傳感器的高分辨率、高靈敏性、響應速度、製造成本和複雜信號檢測仍然是一個很大的挑戰。
傳感器信號轉換:有效地將外部刺激轉換爲電信號是傳感器的關鍵技術。柔性可穿戴電子傳感器的信號轉換機制主要分爲壓阻、電容和壓電三大部分。
在這裏插入圖片描述

壓阻:壓阻傳感器可以將外力轉換成電阻的變化(與施加壓力的平方根成正比),進而可以方便地用電化學測試系統剪輯探測外力變化。而導電物質間導電路徑的變化是獲得壓阻傳感信號的常見機理。
電容:電容是衡量平行板間容納電荷能力的物理量。傳統的電容傳感器通過改變正對面積S和平行板間距d來探測不同的力,如壓力、剪切力等。電容式傳感器的主要優勢在於其對力的敏感度高,可以實現低能耗檢測微小的靜態力。鮑哲南在彈性基底上只背了電容型透明可拉伸的碳納米管傳感器,對壓力和拉力同時有響應。
壓電:壓電材料是旨在機械壓力下可以產生電荷的特殊材料。這種壓電特性是由存在的電偶極矩導致的。電偶極矩的獲得是靠取向的非中心對稱晶體結構變形,或者孔中持續存在的電荷的多孔駐極體。壓電係數是衡量壓電材料能量轉換效率的物理量,成正相關。高靈敏,快速響應和壓電係數的壓電材料被廣泛應用於將壓力轉換爲電信號的傳感器。
常用材料:
有機材料:萘四酰亞二胺,苝四酰亞二胺。
碳材料:常用的有碳納米管和石墨烯等。碳納米管具有結晶度高、導電性好、比表面積大、微孔大小可控、比表面積利用率可達100%的特點。石墨烯具有輕薄透明,導熱導電性好等特點。
柔性電子傳感器的印刷製造:
與傳統自上而下的光刻技術相比,印刷電子技術擁有彎曲與拉伸性好、可在柔性基底大規模製備、加工設備簡單、成本低和污染小等特點。
應用:可穿戴傳感器除了具有壓力傳感功能,還具有現實和潛在應用的多種功能呢,體溫和脈搏檢測、表情識別和運動檢測等。
總結:該領域的發展尚在起步階段,它所擁有的廣闊應用前景在激勵着該領域的工作者們砥礪前行!

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