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柔性电子的重要应用:电子皮肤

发布时间:2019-07-08 访问次数:357次 来源:印刷电子在线 分享:

随着人工智能的发展,能够感知环境,实现人-机无缝对接的柔性传感器越来越多的进入公众的视野。在众多柔性传感器中, 研究最为广泛的就是电子皮肤。电子皮肤是模仿生物皮肤感知环境的传感器阵列(包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器、应变传感器等),其结构简单, 能够附着在皮肤或者设备表面。


生物皮肤中有多重类型的组织和神经,能够感知各种形状、纹理、温度变化和压力,将这些复杂的信号转换为电信号,这些电信号经过中枢神经处理后,是的生物能够与相应的环境刺激交互。基于生物皮肤的工作原理, 采用不同的传导方法将外部的刺激转化为电信号是电子皮肤研究的基本理论基础。

电子皮肤一般是由电极、介电材料、活性材料、柔性基材组成。活性功能层将环境刺激转换为可检测的点信号,介电材料通常作为电极层,位于活性功能层的两侧用于接收和传输电信号,柔性基材起到承载电子皮肤同时确保跟生物皮肤或者其他材料相容的作用。

电子皮肤的原理并不复杂, 但电子皮肤作为外表部件,容易损坏和需承受频繁的变形的特征,使得电子皮肤在材料选型上面临很大的挑战。柔性基材和活性材料对电子皮肤的发展和选型至关重要。

柔性基材

传统的传感器通常以无机硅为基材,柔性传感器所使用的柔性基材除了需要具备无机硅基材的绝缘性,还需要透明柔软和轻质,以实现美观和复杂的机械变形。现有的柔性基板包括:聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)和聚氨酯(PU)等。电子皮肤采用一般采用PDMS和PI 作为基板,这是因为PDMS有良好的伸缩性和柔韧性,同时PDMS跟电子材料的结合性较好,可以将PDMS制备成特定几何形状来满足结构要求。PI 不仅绝缘性和化学稳定性好,而且还具有很强的弯曲性能,即使在较大的应力情况下也不会有物理损坏, 这使得PI 广泛应用于电子皮肤。

活性功能层

活性功能层是电子皮肤最重要的组成部分, 它将环境刺激如温度、湿度、压力通过电信号定量的表现出来,赋予电子皮肤感知环境的能力。有些高精度的柔性传感器甚至比人类的皮肤更敏感,能分辨出呼吸引起的轻微空气波动和心跳振动。

 电子皮肤功能层的研究中,触觉类也就是压力功能层研究的最为广泛,此类电子皮肤被称之为压力电子皮肤或者触觉电子皮肤。根据功能层的原理,压力电子皮肤分为压阻型,压容型,压电型和摩擦电型。

压阻型: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。

压容型:电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。压容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。

压电型: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。

碳纳米管(CNT)和石墨烯, 具有优异机械性能和的化学稳定性. 同时还拥有非常高的电子传输能力,电子迁移率达到了10000 cm2 V-1S-1 ~20000 cm2 V-1S-1,具有优异的压阻和压电特性,成为了压阻和压电活性功能层的优异材料。单纯的硅(Si)、氧化锌(ZnO)、砷化镓(GaAs)和硒化镉(CdSe)很难在大面积的柔性电子电子皮肤中,当可以将这些材料与弹性体(PDMS、海绵、多孔材料)有机复合是使其成为高效的活性材料.

 小结

    随着材料科学、柔性电子和纳米技术的飞速发展,电子皮肤的灵敏度、量程、规模尺寸以及空间分辨率等基础性能提升迅速,甚至超越了人的皮肤。同时,为了适应对力、热、湿、气体、生物、化学等多刺激分辨的传感要求,器件设计更加更精巧,集成方案也更加更成熟。具有生物兼容、生物可降解、自修复、自供能及可视化等实用功能的智能传感器件也应运而生。此外,电子皮肤也朝着集成化方向发展,即针对具体应用将触觉传感器与相关功能部件(如电源、无线收发模块、信号处理、执行器等)有效集成,打造具有良好柔性、空间适应性和功能性的穿戴式平台。应对这些挑战将带来新的机遇,为相关材料制备、器件加工及系统集成指明未来的发展方向。毫无疑问,电子皮肤将朝向更加柔性化、薄型化,智能化、多功能化、人性化方向发展。

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