柔性可穿戴電子傳感器常用材料

1、畢業(yè)論文設計摘要隨著智能終端的普及，可穿戴電子設備呈現(xiàn)出巨大的市場前景。傳感器作為核心部件之一，將影響可穿戴設備的功能設計與未來發(fā)展。柔性可穿戴電子傳感器具有輕薄便攜、電學性能優(yōu)異和集成度高等特點，使其成為最受關注的電學傳感器之一。經(jīng)過分析近年來柔性傳感器的研究、設計和制造現(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 無機半導體材料52.4 有機材料52.5 碳材料63總結與展望6參考文獻7,1引言傳感器在人體健康監(jiān)測方面發(fā)揮著至關重要的作用。近年來，人們已經(jīng)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

7、膚觸覺信息1,利用三維微電極實現(xiàn)大腦皮層控制假肢，利用人工耳蝸恢復病人聽力等2。然而，實現(xiàn)柔性可穿戴電子傳感器的高分辨、高靈敏、快速響應、低成本制造和復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計制造材料及其屬性，包括金屬、無機半導體、有機和碳材料等，為設備功能的實現(xiàn)準備好原材料。本文對柔性可穿戴電子傳感器的常用材料進行了分析。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鍵指標。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)分明的特性使其表面可以很容易的粘附電子材料4。很多柔性電子設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，可拉伸的電子設備可以完全粘附在復雜和凹凸不平的表面上。目前，通常有兩種策略來實現(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電材料。第二種方法是使用本身可拉伸的導體組裝器件。通常是由導電物質(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體，如單壁碳納米管。用離子液體法制備的細長碳納米管，其拉伸性

9、高達100%,導電性高達100S?cm-1。幾何圖案和器件設計方面，網(wǎng)狀結構被用來進一步增強拉伸性和適應性6Roogers等首先提出把電學性能優(yōu)異的剛性傳統(tǒng)無機材料粘附在彈性基底表面。將無機半導體(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，高楊氏模量機械平面層的張力是可以忽略的，而復雜的波浪結構吸收了基底壓縮-舒張過程中產(chǎn)生的大部分拉伸應變7。這種島橋設計首次顯著提高了傳感器的可拉伸性；這種設計中，剛性大的活動模塊作為浮動的島嶼，剛性小的連線充當拉橋。可變形連接部分的非共面結構，包括直帶和蛇紋，可以讓傳感器經(jīng)歷復雜的形變，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

10、種分形導線有利于適應不同的形變8。為了適應實際的需要，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，非鍵設計形變自由，并且連線的暴露對物理損傷更加敏感，使得其表現(xiàn)了最好的機械性能。2.2 金屬材料金屬材料一般為金銀銅等導體材料，主要用于電極和導線。對于現(xiàn)代印刷工藝而言，導電材料多選用導電納米油墨，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電性外，還可以燒結成薄膜或?qū)Ь€。Park等9發(fā)展了一種電路，通過靜電紡絲技術大規(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，導電性達到2200S?cm-1。2.3 無機半導體材料以ZnO和ZnS為

11、代表的無機半導體材料由于其出色的壓電特性，在可穿戴柔性電子感器領域顯示出了廣闊的應用前景3。一種基于直接將機械能轉(zhuǎn)換為光學信號的柔性壓力傳感器被開發(fā)出來。這種矩陣利用了ZnS: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)生壓伏效應而產(chǎn)生傾斜，這樣可以促進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（響應時間小于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100pm。這種傳感器可以記錄單點滑移的動態(tài)壓力，其可以用于辨別簽名者筆跡和通過實時獲得發(fā)射強度曲線來掃描二維

12、平面壓力分布。所有的這些特點使得無機半導體材料成為未來快速響應和高分辨壓力傳感器材料領域最有潛力的候選者之一。2.4 有機材料大規(guī)模壓力傳感器陣列對未來可穿戴傳感器的發(fā)展非常重要10?；趬鹤韬碗娙菪盘枡C制的壓力傳感器存在信號串擾，導致了測量的不準確，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擾提供了可能。因此，在可穿戴傳感器和人工智能領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。典型的場效應晶體管是由源極、漏極、柵極、介電層和半導體層五部分構成。根據(jù)多數(shù)載流子的類型可以分為p型（空穴）場效應晶體管和n型（電子）場效應晶

13、體管。傳統(tǒng)上用于場效應晶體管研究的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型場效應性能，是研究最為廣泛的n型半導體材料，被廣泛應用于小分子n型場效應晶體管當中。通常晶體管參數(shù)有載流子遷移率、運行電壓和開/關電流比等。與無機半導體結構相比，有機場效應晶體管（OFET）具有柔性高和制備成本低的優(yōu)點，但也有載流子遷移率低和操作電壓大的缺點。近來，鮑哲1等11設計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計可用來調(diào)節(jié)閾值電壓。晶體管出色的電學開

14、關行為引起了科學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場效應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，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，導致漏極電流的變化。為了滿足更多的應用，人們亟需發(fā)展一種檢測壓力范圍廣，響應速度快的矩陣策略。鮑哲1等12在硅片上集成了一種新型高壓敏感的有機晶體管，其具有微結構的可壓縮柵電介質(zhì)。相比于無結構或其他微結構的膜，具有錐狀結構的PDMS層電容式傳感器極大地提高了壓力敏感性。原因是PDMS層和有機半導體間空隙的提高使得介電常數(shù)降低。

15、在此基礎上，進一步在塑料基底上發(fā)展了柔性的壓敏矩陣。這種基于微結構橡膠的矩陣具有反應迅速和高壓敏感性的特點其可以精確的掃描靜態(tài)壓力分布和監(jiān)測健康13。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（100kPa-1）難以實現(xiàn)。朱道本等14首次成功構建了柔性懸浮柵有機薄膜晶體管（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械性質(zhì)?；谠撛?，科研人員構建了靈敏度高達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，相應的器件陣列成功應用于人體脈搏的檢測和微小物體的運動追蹤，在人工智能和

16、可穿戴健康監(jiān)測方面顯示了非常好的應用前景。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。碳納米管具有結晶度高、導電性好、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100%的特點。石墨烯具有輕薄透明，導電導熱性好等特點。在傳感技術、移動通訊、信息技術和電動汽車等方面具有極其重要和廣闊的應用前景。在碳納米管的應用上,Chun等15利用多臂碳納米管和銀復合并通過印刷方式得到的導電聚合物傳感器，在140%的拉伸下，導電性仍然高達20S?cm-1。在碳納米管和石墨烯的綜合應用上，Lee等16制備了可以高度拉伸的透明場效應晶體管，其結合了石墨烯/單壁碳納米管電極和具有

17、褶皺的無機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展，包括金屬、無機半導體、有機和碳材料等。人們已經(jīng)利用這些材料設計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。隨著研究的進一步深入以及各學科的廣泛交叉，更多柔性、擁有良好電學性能的材料將被開發(fā)出來應用于可穿戴傳感器。隨著智能終端的普及，可穿戴電子設備展現(xiàn)出巨大的市場前景。傳感器作為可穿戴設備的核心部件,將對其未

18、來功能發(fā)展產(chǎn)生重要影響。參考文獻1Tee1,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.Science2015,350,313.2Shintaku,H.;Nakagawa,T.;Kitagawa,D.;Tanujaya,H.;Kawano,S.;Ito,J.Sensor.Actuat.A-Phys.2010,158,183.3Li,R.-Z.

19、;Hu,A.;Zhang,T.;Oakes,K.D.ACSAppl.Mater.Inter-faces2014,6,21721.4Sun,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.2012,24,3326.6Brosteaux,D.;Axisa,F.;Gonzalez,M.;Vanfleteren,J.IEEEElectronDeviceLett.2007,28,552.7Choi,W.M.;Song,

20、J.;Khang,D.-Y.;Jiang,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.2014,5,3266.9Park,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.2012,7,803.10 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.2015,27,2656.11 Wang,H.L.;Wei,P.;Li,