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正在从基础研究向产业化方向发展,柔性传感器未来将彻...

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发表于 2022-8-9 09:19:30 | 显示全部楼层 |阅读模式

  “柔性时代”已然来临,作为柔性电子设备的重要组成部分,柔性传感器正在从基础研究向产业化方向发展。利用柔性传感器和导电体,科学家可以将外界的受力或受热情况转换为电信号,传递给机器人的电脑进行信号处理,这样就可以制作成透明、柔韧、可延展、可自由弯曲折叠、可穿戴的电子皮肤,以便实时精准的监测出人体各项指标。

  一、柔性电子、柔性传感器

  柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器,具有良好的柔韧性、延展性、弯折性等,由于材料和结构灵活,柔性传感器可以根据应用场景任意布置,比如柔性纤维应变传感器能够被用于制作衣物,这种衣物具有健康监测功能,可以对人身体的脉搏、呼吸、震颤和肢体动作等信息随时捕捉,有助于推动健康评估与疾病诊断技术向智能化、远程化、高效化、精准化等方向发展。

  柔性电子是将有机或无机材料电子器件制作在柔性或可延性基板上的一种新兴电子技术。柔性电子具有优异的灵活性、柔软性以及延展性,可保证电子产品在弯曲、折叠、卷曲、压缩、拉伸等状态下正常运行。柔性电子产品具有轻薄、柔软、便携、透明等特点,其可与人工智能、泛物联网、数据科学等信息技术深入融合,实现信息科技、航空航天、显示、智慧医疗、办公教育、智能家居等领域的创新变革。

  柔性电子不仅保持了电子产品的光电性能和可靠性,还扩展了电子产品的适用范围。柔性电子在厚度、重量、色彩、耐用性方面具有明显优势,但同时柔性电子对柔性基底材料的要求较高,目前常见的柔性材料有聚乙烯醇(PVA)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酯乙二醇酯(PEN)、聚酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。

  柔性传感器的优势让它有非常好的应用前景,包括在医疗电子、环境监测和可穿戴等领域。例如在环境监测领域,科学家将制作成的柔性传感器置于设备中,可监测台风和暴雨的等级;在可穿戴方面,柔性的电子产品更易于测试皮肤的相关参数,因为人的身体不是平面的。

  二、目前应用较多的柔性传感器

  柔性图像感应阵列

  柔性电子设备的光敏性是柔性成像传感系统,生物健康监测和遥控的技术核心。设计具有新材料和结构的柔性平台来开发高感测性能光电探测器是十分必要的,为了实现快速响应和宽带宽,低维度材料得到认可,包括纳米线、纳米带、2D材料和纳米复合材料。这些基于纳米材料的可穿戴式光电探测器在感测平台上是可拉伸,可弯曲,重量轻和透明的,并且由于它们在将来的人性化应用中的潜在价值受到极大关注。

  柔性气体传感器

  柔性气体传感器在电极表面布置对气体敏感的薄膜材料,其基底是柔性的,具备轻便、柔韧易弯曲,可大面积制作等特点,薄膜材料也具备更高的敏感性和相对简便的制作工艺而备受关注。这很好地满足了特殊环境下气体传感器的便携、低功耗等需求,打破了以往气体传感器不易携带、测量范围不全面、量程小、成本高等不利因素,可对乙醇气体进行简单精确的检测。

  柔性湿度传感器

  湿度传感器主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻器特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜,当空气中的水蒸汽吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值都发生变化,利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容器一般是用高分子薄膜制成,常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酞亚胺、酪酸醋酸纤维等。湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化。

  柔性湿度传感器以低成本、低能耗、易于制造和易集成到智能系统制造等优点已被广泛研究。制作该类柔性湿度传感器的基底材料与其他柔性传感器类似,制造湿度敏感膜的方法也有很多,包括浸涂 、旋转涂料 、丝网印刷和喷墨印刷等。

  柔性压力传感器

  柔性压力传感器在智能服装、智能运动、机器人“皮肤”等方面有广泛运用。聚偏氟乙烯、硅橡胶、聚酞亚胺等作为其基底材料已广泛用于柔性压力传感器的制作,它们有别于采用金属应变的测力传感器和采用n型半导体芯片的扩散型普通压力传感器,具有较好的柔韧性、导电性及压阻特性。

  三、柔性传感器前景广阔

  由于出色的产品特性,目前柔性传感器引起了科学界和工业界的广泛关注,在众多应用领域已经展开了实质性的应用。

  先看医疗领域,柔性传感器一般被制备成为电子皮肤,对患者进行监测。2019年,约翰·罗杰斯(John Rogers)和同事们推出了一种贴膏大小的无线传感器,其实就是柔性传感器的典型应用,这种无线传感器不仅取缔了测量线,而且柔性的特征让其能够贴合在重症患儿的脚底,让父母在陪护器件更容易抱起小孩。

  从产品形态来看,柔性传感器在医疗领域可用于打造智能创可贴、智能绷带、柔性血氧计等。我们以智能创可贴展开看一下,区别于普通的创可贴,智能创可贴将柔性传感器、药物和医用胶带融合在一起,可以通过检测患者伤口部位的pH值,判断伤口的愈合程度以及发炎情况,避免发生感染。

  智能衣物是柔性传感器另一个典型的应用,让可穿戴设备彻底无感化。目前,已经有研究将纤维和柔性传感器编制在一起,这种实现方式是以纺织品作为基底,采用不同方式与传感材料或元件结合,制成的适应各类可穿戴设备需求的柔性传感器件。

  除了编制法,智能衣物的制作还有涂覆法和封装法。涂覆法是指将金属颗粒、碳基材料或高分子导电复合材料通过沉积、印刷或拼贴等方式附着于织物表面形成导电涂层织物,是现阶段最常见的柔性织物传感器制备方式。封装法则是将传感器件采用缝合或包埋等较为机械的方式加入到智能服装或设备中。

  从当前的市场前沿来看,功能性服饰和运动类服饰将会是柔性传感器率先突破的两大市场,比如针对沙漠环境工作人员穿着的智能服装,温度传感器及湿度传感器不仅能够检测工作人员的生命特征,也能对外部恶劣环境进行监测,利于工作人员随时掌握自身的健康状况及环境情况。

  当然,柔性传感器在工业、交通、航天和军事等领域也都具有广阔的应用前景。

  四、全球布局企业数量不断增加

  作为新一代电子技术,柔性电子市场发展潜力巨大,受到了美日韩等多个国家的高度关注。全球柔性电子研发热情较高,其中美国、中国大陆、日本关于柔性电子的专利数量位居全球前列。我国柔性电子行业起步较晚,目前仍处于发展初级阶段,但随着技术进步,我国柔性电子市场发展潜力巨大。

  在国际市场上,从事生产和研究柔性电子的大型企业有韩国三星、韩国LG、日本东芝、美国M-FIEX、日本夏普、谷歌等,其中三星、LG主要布局柔性显示屏领域,谷歌主要布局柔性传感器领域。在国内市场上,我国柔性电子相关企业有弘信电子、柔宇科技、京东方、华为等,目前本土企业与国际企业之间仍存在一定差距,因此在国际市场上我国企业竞争优势不足。

  我国柔性电子行业起步晚,目前市场仍处于发展初期阶段,但随着入局企业增加、政府扶持力度加大以及技术进步,我国柔性电子产业水平与国际先进水平的差距正不断缩小。

  主要来源:电子发烧友,新思界,全球物联网观察



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