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柔性传感器

/flexible Sensor/
条目作者韩东祥

韩东祥

最后更新 2022-01-20
浏览 298
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采用柔性基底和薄膜材料制成的传感器。又称可拉伸传感器。

英文名称
flexible Sensor
所属学科
仪器科学与技术
又称
可拉伸传感器

具有良好的柔韧性,甚至能够随意卷曲或者弯折,且便于携带、可穿戴;结构形式灵活多样,可根据测量条件的要求任意布置,能适应更复杂的不平整表面,扩大了传感器的应用范围。在电子皮肤、医疗保健、电子电工、运动器材、纺织品、航天航空、环境监测等领域受到广泛应用。

随着工作环境不断趋于复杂多样化,因普通的刚性传感器无法测量复杂形状物体表面接触应力分布、温度等物理参数,已无法再满足人们的某些特殊的生产生活需求(人工皮肤等),至此柔性传感器逐渐进入了科学研究人员的视野中。普通传感器与柔性传感器对比分析见表。普通传感器硬脆的性质使电子器件难以进行弯曲或延展,一旦有较大变形将导致电子器件损坏,则会使测量范围受到较大影响。最先出现的柔性传感器是柔性压力传感器,20世纪80年代,人们开始了对检测压力分布的柔性压力传感器的研究。经过30年的发展,柔性压力传感器的研究已经在敏感材料、制造工艺以及多功能传感器等方面取得了较大进展。随着柔性基质材料的发展,各种柔性传感器应运而生,如柔性气体、压力、温度、湿度等传感器。

普通传感器与柔性传感器比较

种类

常用材料

可实现的柔性

工艺水平

适用范围

优点

缺点

普通

传感器

金属材料

约5%~10%

完善

机械、电磁传感器

导电性好、耐磨损、高温力学性能

易氧化、刚性材料不易弯曲

陶瓷材料

0%~1%

完善

气敏、湿敏、热敏、

红外敏等传感器

高硬度、高强度、价格低廉、耐腐蚀、耐高温、抗氧化

弹性模量高、无塑性、易断裂

传感器

半导体材料

20%~80%

较为完善

力敏、热敏、光敏、磁敏、射线敏等传感器

特殊环境与信号的测量范围扩大,拉、压、弯和扭等变形下能保持良好的性能,良好的便携性和适应性

相对介电常数、压电系数等较小导致其性能相对欠佳,使用时限偏低,成本偏高

有机材料

相对不成熟

气敏、热敏、力敏、湿度、气体、离子、有机分子等传感器

柔性传感器按照用途分有柔性压力传感器、柔性气体传感器、柔性湿度传感器、柔性温度传感器、柔性应变传感器、柔性磁阻抗传感器和柔性热流量传感器等;按照感知机理分有柔性电阻式传感器、柔性电容式传感器、柔性压磁式传感器和柔性电感式传感器等。

通常在柔性基底表面镀上敏感薄膜,根据敏感材料(薄膜)的力敏、热敏、光敏、磁敏、电敏等特性进行物理量、化学量或生物量的测量。

柔性基底通常采用柔性材料,是与刚性材料相对应的概念,具有柔软、低模量、易变形等属性,如高分子膜、高分子电解质和有机聚合物等,常见的柔性材料有聚乙烯醇(PVA)、聚酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、纸片、纺织材料等。

敏感薄膜根据被测量信息的不同而选取不同的薄膜,有金属薄膜、导电氧化物薄膜、无机半导体薄膜、纳米复合薄膜等。金属薄膜既可保留基底柔软、易弯曲等特性,还可明显改变其表面特性,赋予各种新的功能,如纤维传感器、导电膜等各种高技术与高性能的功能薄膜。在柔性基底上沉积金属膜制备各式功能薄膜法主要集中在化学电镀法、真空蒸镀法和磁控溅射法。透明导电氧化物薄膜,既具有可见光范围内的光学透明性,又具有良好的导电性,有可折叠、重量轻、不易碎、便于运输、易于大面积生产及设备投资少等优点,广泛应用于光电领域。最常用的铟锡氧化物薄膜具有高可见光透射率和高红外反射率,低电阻率。镓或铝掺杂ZnO(GZO或AZO)薄膜也被广泛地研究和应用在如平板显示器、太阳能电池、触摸屏和LED等器件方面。纳米复合薄膜最初是以超微颗粒为主,之后低维材料、阵列材料及其他组装材料的使用比重逐渐增大,如碳纳米粉复合膜、碳纳米管复合膜、碳纳米管/炭黑/硅橡胶复合阵列等。

柔性传感器结构形式灵活多样,能够非常方便地对特殊环境与特殊信号进行精确快捷测量,解决了传感器的小型化、集成化、智能化发展问题,例如基于石墨烯材料的柔性触觉传感器,实现了类似人体皮肤功能和仿人类触觉感知功能的人造柔性电子器件,可快速感知微小压力变化;基于柔性压力传感器的牙齿咬合力分析系统,为医生提供了牙齿间的接触状况、咬合时间和咬合强度等系列信息,在口腔临床的健康检查、诊断和治疗方面提供了科学、形象、直观、精准的数据支持。柔性传感器在电子皮肤、生物医药、医疗健康、可穿戴电子产品和航空航天等领域中有重要作用。

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  • 段建瑞,李斌,李帅臻.常用新型柔性传感器的研究进展.传感器与微系统,2015,34(11):1-4.

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