可穿戴式柔性电子应变传感器-蔡依晨

2017年第62卷第7期：635~649引用格式:蔡依晨,黄维,董晓臣.可穿戴式柔性电子应变传感器.科学通报,2017,62:635–649CaiYC,HuangW,DongXC.Wearableandflexibleelectronicstrainsensor(inChinese).ChinSciBull,2017,62:635–649,doi:10.1360/N972015-01445©2016《中国科学》杂志社《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESS自然科学基金项目进展专栏评述可穿戴式柔性电子应变传感器蔡依晨1,2,黄维1,2*,董晓臣1,2*1.南京工业大学,江苏省柔性电子重点实验室,南京211816;2.南京工业大学海外人才缓冲基地(先进材料研究院),国家级“江苏先进生物与化学制造协同创新中心”柔性电子研究部,南京211816*联系人,E-mail:[e-mail];[e-mail]2016-09-29收稿,2016-10-20修回,2016-10-22接受,2016-12-30网络版发表国家杰出青年科学基金(61525402)和国家重点基础研究发展计划(2014CB660808)资助摘要传统的电子应变传感器大多基于金属和半导体材料,其便携性、柔韧性和可穿戴特性差.随着柔性电子材料和传感技术的快速发展,柔性应变传感器在电子皮肤和机器人等领域的应用引起人们越来越广泛的关注.由于生物相容性好,同时兼具可穿戴性、实时监测、非侵入式等一系列优点,高弹性和可拉伸性应变传感器的开发逐渐成为研究热点.本文综述了近年来可穿戴式柔性电子应变传感在材料发展、传感机理、集成输出及潜在应用等方面的研究进展,对可穿戴式柔性电子传感器所面临的挑战做了简单讨论,提出了一系列可能的优化及解决方案,并对其未来的发展方向进行了展望.关键词可穿戴式,柔性电子,应变传感,电子器件近年来,柔性电子应变传感器件的发展非常迅速,可以用来检测各种人体生理活动,包括较大幅度的手、胳膊和腿的弯曲移动以及较小幅度的呼吸、吞咽、发声时肌肉震动、血压和眼压等[1,2].可穿戴电子传感器以信号传导的形式将生理活动信号转换为可视的电信号,在人体临床诊断、健康评估、健康监控、虚拟电子、柔性触摸屏、柔性电子皮肤,甚至工业机器人等领域[3~5]拥有很大的应用潜力.传统的应变电子传感器件大多基于金属和半导体材料[6~8],其拉伸性和敏感性受到很大限制,不适用于检测人体活动.与传统的电子应变传感检测器相比,柔性电子应变传感器克服了易脆的缺点,并且具较好的生物相容性、可拉伸性、透明性及可穿戴性和连续检测等优势[9,10].目前报道的柔性电子应变传感器常用的材料包括:纳米粒子、纳米线、碳纳米管、石墨烯和有机材料等,其中基于有机材料的柔性电子应变传感器的发展昀为迅速,在敏感性方面甚至可以和人体的皮肤相媲美[11~13].因此,通过将柔性电子器件集成并形成活性感知矩阵可以用于制备电子皮肤,甚至包括人工智能机器人、仿生假体、人机互动系统等更多的人造智能系统.在柔性电子传感众多应用中,研究昀为广泛的是电子皮肤.然而人类的皮肤是一个非常敏感的器官,它具有集成化、可伸缩的网络传感功能,能够将外界的温度、湿度和触觉等刺激信号传递到大脑并接收大脑发送的指令做出反馈,使我们能够避开危险或感受环境变化.人们期待将柔性电子传感技术用于可穿戴式电子皮肤并期望其可以像人的皮肤一样感受外界的温度、压力、形变或纹理等复杂信号,并且通过电子皮肤将外界刺激转化为可传输的电信号来输出甚至传达大脑的命令[14~16].为了模拟人类皮肤的功能,常用的方法是通过柔性电子传感器的多功能化来提高自身性能,例如:结合化学和物理传感特性、提高生物降解性、增加自供电能力等,通过不2017年3月第62卷第7期636断的完善和发展提高其实际应用潜力,进而制备可穿戴的电子皮肤.近年来,柔性电子传感器的应用越来越广泛,例如自主人工机器人技术,赋予了机器人特殊的接收和发射信号的能力,达到了照顾年老体弱人群的目标;通过物理和化学修饰制备的多功能电子传感器可以应用于电子鼻、电子眼等,实现对温度、湿度、压力等外界刺激的监控;将电子传感集成化和模块化制备而成了电子芯片,并将其用于电子触摸屏和智能手环等.柔性电子应变传感器的发展非常迅速,更多的功能和实际应用还需要更进一步的研究和探索.下面分别从柔性电子应变材料、传感机理、器件集成及可穿戴式电子传感的应用等方面对柔性应变电子传感器的发展进行了总结和比较.1柔性电子应变传感材料相对于普通半导体传感器,材料的柔韧性和可拉伸性,同时在应力下不会产生物理损坏是制备柔性电子应变传感器的关键.其中可穿戴电子应变传感设备,如电子皮肤,要求材料能够满足人类皮肤柔韧性和拉伸性的基本要求,同时还需要具有可自愈功能以及较长的使用寿命.为了制备性能优异的柔性电子应变传感器,一些具有优异电学和力学性能、能够利用典型的传导机理实现传感器对外部刺激实时检测的功能材料是我们探索和研究的重点.在结构方面,柔性电子应变传感器通常包括基底层、介电层、活性层和电极几个部分,如图1所示.1.1基底材料对于柔性电子应变传感器,基底材料是决定其弹性形变性能的关键因素.传统电子传感器通常以硅或氧化硅等作为基底材料,而柔性电子设备需要基底材料具有高柔韧性和相对低的粗糙度.近几年的研究结果表明:许多商业化的聚合物材料都可以用来作为柔性基底,构建柔性电子应变传感器,例如聚二甲基硅氧烷(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[17~19].柔性基底在应用时有许多形变类型并具有能量储存和收集的作用,其中常见形变类型有弯曲、塑形、单轴拉伸、双轴拉伸以及射线状拉伸(图2(a)).在器件制备过程中,为了使器件具有拉伸性能,通常采用的处理方法有:(1)将柔性基底做成薄的薄膜;(2)将弹性体或聚合物做成网状结构;(3)将柔性电路与基底聚合物贴合拉伸(图2(b)).聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性电子传感器常用材料主要是因为其具有以下优点:第一,杨氏模量低,具有很好的柔韧性和拉伸性;第二,耐腐蚀性强,在广泛的使用温度范围内具有很好的透明性和稳定性,可用于大面积透明柔性电子器件或者热稳定性器件的基底材料[20];第三,容易与电子材料相结合,使电子材料固定于其表面[21],并且可以根据需要将PDMS制备成具有一定几何形状的结构来提高其延展性能,满足共平面结构要求[22];第四,制备过程简单易操作[10].聚酰亚胺同样是一种性能优异的柔性电子器件基底材料.它不仅具有出色的稳定性、绝缘性和机械性质,而且其耐温性能比较好,可以适应较大范围内的温度变化,同时还具有很好的抗腐蚀性.此外,聚酰亚胺薄膜具有超强的可弯曲能力,即使超薄的聚酰亚胺薄膜在较大的机械压力下也不会产生物理损坏,使其成为柔性电子传感器件的优选基底材料[23].此外,还有更多的柔性基底材料被用于电子应变传感器的实际应用中[22].例如,聚乙烯(PE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)也是常用的柔性电子传感器件的基底材料,利用超薄(1m)的PE基底制备的超图1(网络版彩色)柔性有机场效应传感器结构示意图Figure1(Coloronline)Structurediagramofflexibleorganicfieldeffecttransistor637评述图2(网络版彩色)柔性电子传感基底材料的形变(a)和应用类型示意图(b)[19]Figure2(Coloronline)Theschematicimagesofdeformations(a)andapplicationsforflexibleelectronicsensorssubstrates(b).Imagesrepro-ducedwithpermissionfromref.[19].Copyright©2012MaterialsRe-searchSociety轻塑料电子传感器件可以将弯曲半径减少至5m,并可以像纸张一样褶皱和重复弯曲[18].1.2介电材料介电材料,又称电介质,是电的绝缘材料.柔性电子场效应晶体管的介电材料一般为传统的弹性材料,例如PDMS等[24].为了满足现代晶体管和电容式触觉传感器可拉伸需求,开发具备较高介电常数(k)、较低漏电流、更高偶极密度、更大电流密度、更大能量密度和快速放电以及较低损耗的介电材料,进而将这些材料通过旋、喷涂或浸涂等方式制备成为柔性电子器件的介电层成为研究热点.目前,获得具有高介电常数的介电材料主要从以下三个角度出发:一是化学结构设计;二是添加无机纳米粒子;三是填充导电材料.典型的化学结构设计是利用聚合物链修饰来增加其极性,例如引入氰基[25]或者含氟基团[26].Shankar等人[27]总结了各种弹性体的介电常数,发现有很多种无机纳米粒子可以作为高介电常数弹性体填充材料料,如二氧化钛[28]、铁电纳米粒子钛酸钡(BaTiO3)[29]、金属纳米粒子类[30]导电填充物、导电聚合物[31]以及碳纳米管[32]等.通过添加填充材料,可以使主体材料中的电子极化从而增加其介电常数.离子凝胶是聚合物和离子液体的复合物,当其形成两层导电层时具有很高的电容,而电容受介电层的厚度影响较小,受拉伸应变的影响较大,因此也可以作为拉伸应变传感的介电层材料[33].1.3活性材料柔性电子应变传感器昀重要的组成部分是活性层,而具有优异的机械性能和电子特性的活性材料是决定活性层性能的关键,常见的活性材料主要分为以下三大类:自身具有高导电能力材料、高弹性导电复合材料和压电材料,在不同的制备条件和制备工艺下,由各种类型活性材料制备的柔性应变传感器通常表现出不同的传感性能.下面将对昀常见的几种柔性应变传感器的活性材料进行详细阐述和说明.(ⅰ)碳纳米管基活性材料.碳纳米管是一种由石墨烯卷曲形成的一维碳基纳米材料,具有优异的导电和机械性能,同时还具有很好的化学稳定性.无结构缺陷的碳纳米管具有非常高的电子传输能力,其电子迁移率高达10000cm2V1s1[18],因此,碳纳米管可以作为高性能柔性电子应变传感器的活性材料.目前,碳纳米管有多种制备方法,已经可以实现规模化和连续化,这对于柔性电子应变传感器的构建具有非常重要的意义.在碳纳米管批量化合成基础上,大规模碳纳米管薄膜的制备通常利用操作简单的溶液沉积法,比较常用的包括真空抽滤法[34]、旋涂法[35]、喷涂法[36]和喷墨打印等方法[37].在实际应用中,为了优化器件的性能,还可以通过Langmuir-Blodgett(LB)法[38]、机械剪切以及接触和卷曲打印技术[39]等技术来大规模制备碳纳米管均匀分布的薄膜或阵列,改善电子的传输性能.Wang等人[40]将单壁碳纳米管薄膜放置在两层柔性PDMS薄膜之间,制备了非常灵敏和稳定的三明治结构的柔性电子皮肤,实现了对人体生理活动信号的灵敏检测(图3(a));Sekitani等人[41]采用印刷的方法将单壁碳纳米管与橡胶相结合,制备了弹性导体并将其用于主动矩阵有机发光二极管(图3(b));Ryu等人[42]制备了可穿戴的碳纳米管应变传感器,其形变可达到900%,在重复数万次拉伸情况下其形变保持稳定,并实现人体活动生理信号的检测(图3(c)).(ⅱ)石墨烯基活性材料.石墨烯是由单层碳原子组成的蜂窝状晶格结构,具有很好的光学性能、机械性能、导热性能以及非常高的载流子迁移率(~20000cm2V1s1)[43],是构建柔性电子应变传感2017年3月第62卷第7期638图3(网络版彩色)基于碳纳米管的柔性电子传感器.(a)单壁碳纳米管薄膜和PDMS复合的电子皮肤;(b)印刷方法制备的弹性导体;(c)基于碳纳米管纤维的柔性应变传感器[40~42]Figure3(Coloronline)Theschematicimagesofflexibleelectroni