柔性可穿戴电子传感器常用材料

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1、业论 文 设 计柔性可穿戴电子传感器常用材料摘要随着智能终端的普及，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。传感器作为核心部件之一，将 影响可穿戴设备的功能设计与未来发展。柔性可穿戴电子传感器具有轻薄便携、电学性能优异和集 成度高等特点，使其成为最受关注的电学传感器之一。经过分析近年来柔性传感器的研究、设计和 制造现状后，综述了柔性可穿戴电子传感器的常用材料，最后并提出了柔性可穿戴电子传感器面临 的挑战与未来的发展方向。关键词可穿戴电子;柔性传感器The Common Materials of Flexible Wearable Electronic SensorsAbstract With th

2、e development 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 tradi

3、tional 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 s

4、ignal 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

5、devices, 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 continu

6、ously mapping 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.

7、Keywords wearable electronics; flexible sensor; printing manufacture; body monitoring目录1引言42柔性可穿戴电子的常用材料42.1柔性基底42.2金属材料 42.3无机半导体材料52.4有机材料52.5碳材料63总结与展望6参考文献71引言传感器在人体健康监测方面发挥着至关重要的作用。近年来，人们已经在可穿戴可植入传感器 领域取得了显著进步，例如利用电子皮肤向大脑传递皮肤触觉信息1，利用三维微电极实现大脑皮 层控制假肢，利用人工耳蜗恢复病人听力等2。然而，实现柔性可穿戴电子传感器的高分辨、高灵 敏、快速响应、

8、低成本制造和复杂信号检测仍然是一个很大的挑战。本文综述了近年来柔性可穿戴 电子传感器的设计制造材料及其属性，包括金属、无机半导体、有机和碳材料等，为设备功能的实 现准备好原材料。本文对柔性可穿戴电子传感器的常用材料进行了分析。2柔性可穿戴电子的常用材料2.1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)成为了人们的首选。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4。很多柔性电子设备通过降低基底的

9、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5。Someya等制备了可拉伸的有机发光二极管有源矩阵。含氟共 聚物的高弹膜中均匀分散着可印刷的弹性导体，如单壁碳纳米管。用离子液体法制备的细长碳纳米管， 其拉伸性高达100%,导电性高达100Scm-1。几何图案和器件设计方面，网状结构被用来进一步增强 拉伸性和适应性6Ro。ge

10、rs等首先提出把电学性能优异的刚性传统无机材料粘附在弹性基底表面。 将无机半导体(包括电子元件和连接电路)组装在可拉伸的器件上。与众不同的是，高杨氏模量机械平 面层的张力是可以忽略的，而复杂的波浪结构吸收了基底压缩-舒张过程中产生的大部分拉伸应变7。 这种岛桥设计首次显著提高了传感器的可拉伸性；这种设计中，刚性大的活动模块作为浮动的岛屿，刚 性小的连线充当拉桥。可变形连接部分的非共面结构，包括直带和蛇纹,可以让传感器经历复杂的形 变，比如旋转和扭曲。最近，自相似的分形层是连线选择之一，这种分形导线有利于适应不同的形变8。 为了适应实际的需要，在连线和软基底之间的三种接触模式得到有效利用，包括非

11、键、部分键合与完 全键合。举例来说,非键设计形变自由，并且连线的暴露对物理损伤更加敏感，使得其表现了最好的机 械性能。2.2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。Park等9发展了一种电路，通过静电纺丝技术大规模生产银纳米颗粒覆盖的 橡胶纤维的电路。在100%拉力下，导电性达到2200 Scm-1。2.3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，在可穿戴柔性电子感器领域显 示出了广阔的应用前景3。一种基

12、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100pm。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

13、材料领域最有潜 力的候选者之一。2.4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10。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最大的挑战之一。 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 戴传感器和人工智能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，

14、其中最为成功的例子便是聚(3-己基噻吩)(P3HT)体系。萘四酰亚二胺(NDI) 和花四酰亚二胺(PDI)显示了良好的n型场效应性能，是研究最为广泛的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。近来，鲍哲楠等11设计了一种具有更高噪声限度的逻辑电路。通过优化掺 杂厚度或浓度，基于n型和p型碳纳米管晶体管的设计可用来调节阈值电压。晶体管出色的电学开关 行为引起了科学家对压力传感器的广泛兴趣。Someya等

15、首次使用堆叠了压敏橡胶的有机场效应晶 体管矩阵来作为高性能压力传感阵列。晶体管用来低能耗快速表达，它的栅极和漏极分别连接字线和 位线，源极通过压敏的弹性橡胶接地。压敏橡胶网格的电阻用作感知压力的变化，晶体管栅电压的 变化，导致漏极电流的变化。为了满足更多的应用，人们亟需发展一种检测压力范围广，响应速度快 的矩阵策略。鲍哲楠等12在硅片上集成了一种新型高压敏感的有机晶体管，其具有微结构的可压缩栅 电介质。相比于无结构或其他微结构的膜，具有锥状结构的PDMS层电容式传感器极大地提高了压 力敏感性。原因是PDMS层和有机半导体间空隙的提高使得介电常数降低。在此基础上，进一步在塑 料基底上发展了柔性的

16、压敏矩阵。这种基于微结构橡胶的矩阵具有反应迅速和高压敏感性的特点，其可以精确的扫描静态压力分布和监测健康13。尽管如此,该类器件还是存在介电层的弹性极限问题， 超高灵敏度压力传感器件(100kPa -1)难以实现。朱道本等14首次成功构建了柔性悬浮栅有机薄膜 晶体管(SGOTFT)，有效避免了介电层弹性极限问题并使得器件的压力传感特性取决于栅极的机械 性质。基于该原理，科研人员构建了灵敏度高达192 kPa-1的超高灵敏度压力传感器。此外，该类 器件展现了非常优异的柔韧性、稳定性和低电压操作特性，相应的器件阵列成功应用于人体脉搏的检 测和微小物体的运动追踪，在人工智能和可穿戴健康监测方面显示了非常好的应用前景。2.5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