潜力巨大的柔性传感器产业

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)成为了人们的推荐。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较大的挑战之一。

 

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，其中更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，是研究更为广泛的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。

 

 

 

柔性传感器种类繁多

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 。

 

接下来，列举一些目前应用较多的柔性传感器。

 

柔性图像感应阵列

柔性电子设备的光敏性是柔性成像传感系统，生物健康监测和遥控的技术核心。设计具有新材料和结构的柔性平台来开发高感测性能光电探测器是十分必要的，为了实现快速响应和宽带宽，低维度材料得到认可，包括纳米线、纳米带、2D材料和纳米复合材料。这些基于纳米材料的可穿戴式光电探测器在感测平台上是可拉伸，可弯曲，重量轻和透明的，并且由于它们在将来的人性化应用中的潜在价值受到极大关注。

 

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，可对乙醇气体进行简单较精确的检测。

 

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、聚酞亚胺、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技发展的需要。

 

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、聚酞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。

 

写在最后

柔性智能传感器的应用前景一路向好，但是其产业化的过程中一定将面临很多挑战。

 

柔性传感器产业链整体亟待提高。就技术本身而言，传感器本身的稳定性、耐磨损性等还需要进一步提高。而从整个产业链的配套来说，柔性电路、柔性存储，以及软硬连接等环节也需要跟进步伐。