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  8. 柔性電子的重要應用:電子皮膚

    2020-10-09 中國包裝材料網

    簡介:  隨著人工智能的發展,能夠感知環境,實現人-機無縫對接的柔性傳感器越來越多的進入公眾的視野。在眾多柔性傳感器中, 研究最為廣泛的

      隨著人工智能的發展,能夠感知環境,實現人-機無縫對接的柔性傳感器越來越多的進入公眾的視野。在眾多柔性傳感器中, 研究最為廣泛的就是電子皮膚。電子皮膚是模仿生物皮膚感知環境的傳感器陣列(包括壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、應變傳感器等),其結構簡單, 能夠附著在皮膚或者設備表面。

      生物皮膚中有多重類型的組織和神經,能夠感知各種形狀、紋理、溫度變化和壓力,將這些復雜的信號轉換為電信號,這些電信號經過中樞神經處理后,是的生物能夠與相應的環境刺激交互?;谏锲つw的工作原理, 采用不同的傳導方法將外部的刺激轉化為電信號是電子皮膚研究的基本理論基礎。

      電子皮膚一般是由電極、介電材料、活性材料、柔性基材組成?;钚怨δ軐訉h境刺激轉換為可檢測的點信號,介電材料通常作為電極層,位于活性功能層的兩側用于接收和傳輸電信號,柔性基材起到承載電子皮膚同時確保跟生物皮膚或者其他材料相容的作用。

      電子皮膚的原理并不復雜, 但電子皮膚作為外表部件,容易損壞和需承受頻繁的變形的特征,使得電子皮膚在材料選型上面臨很大的挑戰。柔性基材和活性材料對電子皮膚的發展和選型至關重要。

      柔性基材

      傳統的傳感器通常以無機硅為基材,柔性傳感器所使用的柔性基材除了需要具備無機硅基材的絕緣性,還需要透明柔軟和輕質,以實現美觀和復雜的機械變形?,F有的柔性基板包括:聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亞胺(PI)、聚乙烯(PE)和聚氨酯(PU)等。電子皮膚采用一般采用PDMS和PI 作為基板,這是因為PDMS有良好的伸縮性和柔韌性,同時PDMS跟電子材料的結合性較好,可以將PDMS制備成特定幾何形狀來滿足結構要求。PI 不僅絕緣性和化學穩定性好,而且還具有很強的彎曲性能,即使在較大的應力情況下也不會有物理損壞, 這使得PI 廣泛應用于電子皮膚。

      活性功能層

      活性功能層是電子皮膚最重要的組成部分, 它將環境刺激如溫度、濕度、壓力通過電信號定量的表現出來,賦予電子皮膚感知環境的能力。有些高精度的柔性傳感器甚至比人類的皮膚更敏感,能分辨出呼吸引起的輕微空氣波動和心跳振動。

      電子皮膚功能層的研究中,觸覺類也就是壓力功能層研究的最為廣泛,此類電子皮膚被稱之為壓力電子皮膚或者觸覺電子皮膚。根據功能層的原理,壓力電子皮膚分為壓阻型,壓容型,壓電型和摩擦電型。

      壓阻型: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學測試系統間接探測外力變化。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。由于其簡單的設備和信號讀出機制,這類傳感器得到廣泛應用。

      壓容型: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,例如壓力,剪切力等。壓容的主要優勢在于其對力的敏感性強,可以實現低能耗檢測微小的靜態力。

      壓電型:壓電材料是指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,或者孔中持續存在電荷的多孔駐極體。壓電系數是衡量壓電材料能量轉換效率的物理量,壓電系數越高,能量轉換的效率就越高。高靈敏,快速響應和高壓電系數的壓電材料被廣泛應用于將壓力轉換為電信號的傳感器。

      碳納米管(CNT)和石墨烯, 具有優異機械性能和的化學穩定性. 同時還擁有非常高的電子傳輸能力,電子遷移率達到了10000 cm2 V-1S-1~20000 cm2 V-1S-1,具有優異的壓阻和壓電特性,成為了壓阻和壓電活性功能層的優異材料。單純的硅(Si)、氧化鋅(ZnO)、砷化鎵(GaAs)和硒化鎘(CdSe)很難在大面積的柔性電子電子皮膚中,當可以將這些材料與彈性體(PDMS、海綿、多孔材料)有機復合是使其成為高效的活性材料.

      隨著材料科學、柔性電子和納米技術的飛速發展,電子皮膚的靈敏度、量程、規模尺寸以及空間分辨率等基礎性能提升迅速,甚至超越了人的皮膚。同時,為了適應對力、熱、濕、氣體、生物、化學等多刺激分辨的傳感要求,器件設計更加更精巧,集成方案也更加更成熟。具有生物兼容、生物可降解、自修復、自供能及可視化等實用功能的智能傳感器件也應運而生。此外,電子皮膚也朝著集成化方向發展,即針對具體應用將觸覺傳感器與相關功能部件(如電源、無線收發模塊、信號處理、執行器等)有效集成,打造具有良好柔性、空間適應性和功能性的穿戴式平臺。應對這些挑戰將帶來新的機遇,為相關材料制備、器件加工及系統集成指明未來的發展方向。毫無疑問,電子皮膚將朝向更加柔性化、薄型化,智能化、多功能化、人性化方向發展

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