柔性材料与可穿戴电子传感器前景资料报告

柔性材料与可穿戴电子传感器前景资料报告 通信 班何昌帮 通过这个学期的学习我对柔性材料和电子传感器有了一些了解。 一柔性与柔性材料 柔性材料的定义 柔性英文为 ，也可解释为挠性，是相对刚性而言的一种物体特性。 挠性是指物体受力后变形， 作用力失去之后物体自身不能恢复原来形状的一种物 理性质。而刚性物体受力后，在宏观来看其形状可视为没有发生改变。 弹性是指 物体受力后变形， 作用力失去之后物体自身能恢复原来形状的一种物理性质。 其 侧重物体的变形结果，而挠性侧重物体自身性质。因而柔性材料是指可伸缩，弯 曲，扭转，变形而不失去性能的材料。通过这一性能我们可以得到许多延展性及 曲度很高的电子材料。 在查阅资料的过程中我还了解到了一种与本课题有关的但 是处于初步阶段的电子技术柔性电子技术。 柔性材料的发展前景 柔性电子可概括为是将有机 无机材料电子器件制作在柔性 可延性塑料或 薄金属基板上的新兴电子技术，以其独特的柔性 延展性以及高效、低成本制造 工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景， 如柔性电子显示器、 有机发光二极管 、印刷 、薄膜太阳能电池板、电子用表面粘贴 等。与传统 技术一样，制造工艺和装备也是柔性电子技术发展的主 要驱动力。 柔性电子制造技术水平指标包括芯片特征尺寸和基板面积大小， 其关 键是如何在更大幅面的基板上以更低的成本制造出特征尺寸更小的柔性电子器 件。 柔性电子技术有可能带来一场电子技术革命， 引起全世界的广泛关注并得到 了迅速发展。美国科学杂志将有机电子技术进展列为年世界十大科技 成果之一，与人类基因组草图、生物克隆技术等重大发现并列。美国科学家艾伦 黑格、 艾伦 马克迪尔米德和日本科学家白川英树由于他们在导电聚合物领域的 开创性工作获得 年诺贝尔化学奖。西方发达国家纷纷制定了针对柔性电子 的重大研究计划，如美国 计划、日本 计划、欧盟第七框架计划中 和计划等， 仅欧盟第七框架计划就投入数十亿欧元的研发经费， 重点支持柔性显示器、聚合物电子的材料 设计 制造 可靠性、柔性电子器件批 量化制造等方面基础研究。 在最近的 年间，康奈尔大学、普林斯顿大学、哈佛大学、西北大学、剑 桥大学等国际著名大学都先后建立了柔性电子技术专门研究机构， 对柔性电子的 材料、 器件与工艺技术进行了大量研究。柔性电子技术同样引起了我国研究人员 的高度关注与重视， 在柔性电子有机材料制备、 有机电子器件设计与应用等方面 开展了大量的基础研究工作， 并取得了一定进展。 中国科学院长春应用化学研究 所、中国科学院化学研究所、中国科学技术大学、华南理工大学、清华大学、西 安电子科技大学、天津大学、浙江大学、武汉大学、复旦大学、南京邮电大学、 上海大学等单位在有机光电（高）分子材料和器件、发光与显示、太阳能电池、 场效应管、场发射、柔性电子表征和制备、平板显示技术、半导体器件和微图案 加工等方面进行了颇有成效的研究。近年来，华中科技大学在 封装和卷到 卷制造、厦门大学在静电纺丝等方面取得了研究进展。在 上也有 着一些相关的文献。 二可穿戴的电子传感器 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。 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，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。 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、低成本制造 和复杂信号检测仍然是一个很大的挑战。 柔性可穿戴电子传感器机械力信号转换 有效地将外部刺激转化为电信号是柔性可穿戴电子传感器监测身体健康状 况的关键技术。 柔性可穿戴电子传感器的信号转换机制主要分为压阻、电容和压 电三大部分。 压阻压阻传感器可以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。 电容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 和平行板间距 来探测不同的力 例如压力，剪切力等。电容式 传感器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。 鲍哲楠等在弹性基底上制备了电容型透明可拉伸的碳纳米管传感器 对压力和拉 力同时有响应。 压电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。 柔性可穿戴电子的常用材料 有机材料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 型 空穴 场效应晶体管和型 电子 场效应晶体管。 传统上用于场效应晶体管研究 型聚合物材料主要是噻吩 类聚合物， 其中最为成功的例子便是聚己基噻吩体系。 萘四酰亚二胺 和苝四酰亚二胺显示了良好的 型场效应性能， 是研究最为广泛的 型半导体材料， 被广泛应用于小分子 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 型和型碳纳米管晶体管的设计可用来调节 阈值电压。 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， 比表面利用率可达的特点。 石墨烯具有轻薄透明，导电导热性好等特点。 在传感技术、移动通讯、信息技术和电在碳纳米管的应用上，等利用多臂碳 纳米管和银复合并通过印刷方式得到的导电聚合物传感器，在的拉伸下， 导电性仍然高达 在碳纳米管和石墨烯的综合应用上，等制备了可 以高度拉伸的透明场效应晶体管，其结合了石墨烯 单壁碳纳米管电极和具有褶 皱的无机介电层单壁碳纳米管网格通道。 由于存在褶皱的氧化铝介电层， 在超过