柔性材料與可穿戴電子傳感器前景資料報告

1、柔性材料與可穿戴電子傳感器前景資料報告2016101018通信161班何昌幫通過這個學(xué)期的學(xué)習(xí)我對柔性材料和電子傳感器有了一些了解。一：柔性與柔性材料1.1 柔性材料的定義柔性英文為Flexible,也可解釋為撓性，是相對剛性而言的一種物體特性。撓性是指物體受力后變形，作用力失去之后物體自身不能恢復(fù)原來形狀的一種物理性質(zhì)。而剛性物體受力后，在宏觀來看其形狀可視為沒有發(fā)生改變。彈性是指物體受力后變形，作用力失去之后物體自身能恢復(fù)原來形狀的一種物理性質(zhì)。其側(cè)重物體的變形結(jié)果，而撓性側(cè)重物體自身性質(zhì)。因而柔性材料是指可伸縮，彎曲，扭轉(zhuǎn)，變形而不失去性能的材料。通過這一性能我們可以得到許多延展性及曲度

2、很高的電子材料。在查閱資料的過程中我還了解到了一種與本課題有關(guān)的但是處于初步階段的電子技術(shù)一一柔性電子技術(shù)。1.2 柔性材料的發(fā)展前景柔性電子可概括為是將有機/無機材料電子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金屬基板上的新興電子技術(shù)，以其獨特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工藝，在信息、能源、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，如柔性電子顯示器、有機發(fā)光二極管OLED印刷RFID薄膜太陽能電池板、電子用表面粘貼(SkinPatches)等。與傳統(tǒng)IC技術(shù)一樣，制造工藝和裝備也是柔性電子技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動力。柔性電子制造技術(shù)水平指標(biāo)包括芯片特征尺寸和基板面積大小，其關(guān)鍵是如何在更大幅面的基板上以更低的

3、成本制造出特征尺寸更小的柔性電子器件。柔性電子技術(shù)有可能帶來一場電子技術(shù)革命，引起全世界的廣泛關(guān)注并得到了迅速發(fā)展。美國科學(xué)雜志將有機電子技術(shù)進(jìn)展列為2000年世界十大科技成果之一，與人類基因組草圖、生物克隆技術(shù)等重大發(fā)現(xiàn)并列。美國科學(xué)家艾倫黑格、艾倫馬克迪爾米德和日本科學(xué)家白川英樹由于他們在導(dǎo)電聚合物領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作獲得2000年諾貝爾化學(xué)獎。西方發(fā)達(dá)國家紛紛制定了針對柔性電子的重大研究計劃，如美國FDCAS肝劃、日本TRADIM計戈卜歐盟第七框架計劃中PolyApply和SHIFT計劃等，僅歐盟第七框架計劃就投入數(shù)十億歐元的研發(fā)經(jīng)費，重點支持柔性顯示器、聚合物電子的材料/設(shè)計/制造/可靠性

4、、柔性電子器件批量化制造等方面基礎(chǔ)研究。在最近的10年間，康奈爾大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、哈佛大學(xué)、西北大學(xué)、劍橋大學(xué)等國際著名大學(xué)都先后建立了柔性電子技術(shù)專門研究機構(gòu)，對柔性電子的材料、器件與工藝技術(shù)進(jìn)行了大量研究。柔性電子技術(shù)同樣引起了我國研究人員的高度關(guān)注與重視，在柔性電子有機材料制備、有機電子器件設(shè)計與應(yīng)用等方面開展了大量的基礎(chǔ)研究工作，并取得了一定進(jìn)展。中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所、中國科學(xué)院化學(xué)研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華南理工大學(xué)、清華大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)、武漢大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、南京郵電大學(xué)、上海大學(xué)等單位在有機光電（高）分子材料和器件、發(fā)光與顯示、太陽能電池、場效

5、應(yīng)管、場發(fā)射、柔性電子表征和制備、平板顯示技術(shù)、半導(dǎo)體器件和微圖案加工等方面進(jìn)行了頗有成效的研究。近年來，華中科技大學(xué)在RFID封裝和卷到卷制造、廈門大學(xué)在靜電紡絲等方面取得了研究進(jìn)展。在SpringerLink上也有著一些相關(guān)的文獻(xiàn)。二：可穿戴的電子傳感器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，使其成為最受關(guān)注的電學(xué)傳感器之一。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

6、遞皮膚觸覺信息，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(fù)病人聽力等。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(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)。2.1. 性可穿戴電子傳感器機械力信號轉(zhuǎn)換有效地將外部刺激轉(zhuǎn)化為電信號是柔性可穿戴電子傳感器監(jiān)測身體健康狀電容和壓況的關(guān)鍵技術(shù)。柔性可穿戴電子傳感器的信號轉(zhuǎn)換機制主要分為壓阻、電三大部分。PirrorrshtmlYidparilaiicePifwrlrelricihlrilM>rkciricJCY壓阻：壓阻傳感器可以將外力轉(zhuǎn)換成電阻的變化（與施加壓力的平方根成正比），進(jìn)而可以方便地用電學(xué)測試系統(tǒng)間接探測外力

7、變化。而導(dǎo)電物質(zhì)問導(dǎo)電路徑的變化是獲得壓阻傳感信號的常見機理。由于其簡單的設(shè)備和信號讀出機制，這類傳感器得到廣泛應(yīng)用。電容：電容是衡量平行板間容納電荷能力的物理量。傳統(tǒng)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，例如壓力，剪切力等。電容式傳感器的主要優(yōu)勢在于其對力的敏感性強，可以實現(xiàn)低能耗檢測微小的靜態(tài)力。鮑哲楠等在彈性基底上制備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(yīng)。壓電：壓電材料是指在機械壓力下可以產(chǎn)生電荷的特殊材料。這種壓電特性是由存在的電偶極矩導(dǎo)致的。電偶極矩的獲得是靠取向的非中心對稱晶體結(jié)構(gòu)變形，或者孔中持續(xù)存在電荷的多孔駐極體。壓電系數(shù)是衡量壓電

8、材料能量轉(zhuǎn)換效率的物理量，壓電系數(shù)越高，能量轉(zhuǎn)換的效率就越高。高靈敏，快速響應(yīng)和高壓電系數(shù)的壓電材料被廣泛應(yīng)用于將壓力轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。2.2. 柔性可穿戴電子的常用材料有機材料：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p型聚合物材料主要是嚷吩類聚合物，其中最為成功的例子便是聚（3-己基嚷吩）（P3HT）體系。蔡四酰亞二胺（NDI）和花四酰亞二胺（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

9、晶體管參數(shù)有載流子遷移率、運行電壓和開/關(guān)電流比等。與無機半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相比，有機場效應(yīng)晶體管（OFETX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，鮑哲楠等設(shè)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(shè)計可用來調(diào)節(jié)閾值電壓。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。石墨烯具有輕薄透明，導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等特點。在傳感技術(shù)、移動通訊、信息技術(shù)和電在碳納米管的應(yīng)用上，Chu等利用多臂碳納米管和銀復(fù)合并通

10、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)20S?cm-1在碳納米管和石墨烯的綜合應(yīng)用上，Lee等制備了可以高度拉伸的透明場效應(yīng)晶體管，具結(jié)合了石墨烯/單壁碳納米管電極和具有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%鬲度的拉伸-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。2.3. 柔性電子傳感器的印刷制造與傳統(tǒng)自上而下的光刻技術(shù)相比，印刷電子技術(shù)擁有彎曲與拉伸性好、可以在柔性基底大規(guī)模制備、加工設(shè)備簡單、成本低和污染小等優(yōu)點。通過調(diào)控墨水、基材等打印條件，成功制備了一系列特殊結(jié)構(gòu)和圖案：利用“咖啡環(huán)”現(xiàn)象制備線寬可達(dá)

11、5m的金屬納米粒子圖案；提出了一種通過控制液膜破裂實現(xiàn)了多種納米粒子大面積精確組裝的普適方法，這種新型圖案化技術(shù)可以簡便地進(jìn)行納米粒子微、納米尺度圖案的精確組裝，可以通過“印刷”方式大面積制備納米粒子組裝的精細(xì)圖案和功能器件，乃至實現(xiàn)單個納米粒子的組裝與圖案化；通過噴墨打印技術(shù)構(gòu)筑微米尺度的電極圖案作為“模板”，控制納米材料的組裝過程成功制備了最高精度可達(dá)30nm的圖案，并實現(xiàn)了柔性電路的應(yīng)用。這種新型的圖案化技術(shù)非常簡便地實現(xiàn)了功能納米材料的微納米精確圖案化組裝，在過程中完全避免了傳統(tǒng)的光刻工藝，這種“全增材制造”的方法通過“先打印，再印刷”的方式，能夠大面積制備納米材料組裝的精細(xì)圖案和功能

12、器件；利用特殊圖案化硅柱陣列為模板制備了周期與振幅可控的曲線陣列，真空蒸鍍上金電極，得到對微小形變有穩(wěn)定電阻變化的傳感器芯片2.4. 可穿戴傳感器的應(yīng)用可穿戴傳感器除了具有壓力傳感功能，還具有現(xiàn)實和潛在應(yīng)用的多種功能，體溫和脈搏檢測、表情識別和運動監(jiān)測等。溫度檢測：人體皮膚對溫度的感知幫助人們維持體內(nèi)外的熱量平衡。電子皮膚的概念最早由Rogers等提出，由多功能二極管、無線功率線圈和射頻發(fā)生器等部件組成。這樣的表皮電子對溫度和熱導(dǎo)率的變化非常敏感，可以評價人體生理特征的變化，比如皮膚含水量，組織熱導(dǎo)率，血流量狀態(tài)和傷口修復(fù)過程。為了提高空間分辨率、信噪比和響應(yīng)速度，有源矩陣設(shè)計成為了最優(yōu)選擇之

13、一。Ha等制備了包含單壁碳納米管薄膜晶體管的，可拉伸的聚苯胺納米纖維溫度傳感器有源矩陣。其展示了1.0%?C-1的高電阻靈敏性，在15到45C范圍內(nèi)得到了1.8s的響應(yīng)時間，在雙向拉伸30%下依然保持穩(wěn)定。脈搏檢測：可穿戴個人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)被廣泛認(rèn)為是下一代健康監(jiān)護(hù)技術(shù)的核心解決方案。監(jiān)護(hù)設(shè)備不斷地感知、獲取、分析和存儲大量人體日?；顒又械纳頂?shù)據(jù)，為人體的健康狀況提供必要的、準(zhǔn)確的和長期的評估和反饋。在脈搏監(jiān)測領(lǐng)域，可穿戴傳感器具有以下應(yīng)用優(yōu)勢：(1)在不影響人體運動狀態(tài)的前提下長時間的采集人體日常心電數(shù)據(jù)，實時的傳輸至監(jiān)護(hù)終端進(jìn)行分析處理；(2)數(shù)據(jù)通過無線電波進(jìn)行傳輸，免除了復(fù)雜的連線?？梢哉掣皆谄つw表面的電學(xué)矩陣在非植入健康監(jiān)測方面具有明顯優(yōu)勢，而且超輕超薄，利于攜帶。最近，鮑哲楠等發(fā)展了一種基于微毛結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳