Что такое гибкий датчик?

Привет, я Роуз. Сегодня я познакомлю вас с гибкими датчиками. В этой статье представлены его особенности, классификация и распространенные материалы.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Характеристики и классификация гибких датчиков

Ⅱ. Распространенные материалы для гибких датчиков

Ⅲ. Общие гибкие датчики

Многие интеллектуальные устройства обнаружения сейчас используют огромное количество различных датчиков, и их применение уже распространилось на такие отрасли, как производство, морские исследования, охрана окружающей среды, медицинская диагностика, биотехнологии, освоение космоса и умные дома. Ожидания и потребности в идеализации многочисленных критериев эффективности, таких как диапазон, точность и стабильность измеряемой информации, постепенно растут по мере роста требований к приложениям информационного века. Обычные датчики сталкиваются с дополнительными трудностями, когда речь идет об измерении газа, давления и влажности в уникальных условиях и с уникальными сигналами.

В условиях растущего числа уникальных сигналов и сред новые сенсорные технологии развиваются и включают следующие тенденции: разработка новых материалов, процессов и датчиков; реализация интеграции датчиков и интеллекта; и реализация аппаратной системы и элемента сенсорной технологии. Датчики для кросс-интеграции с различными областями; микроминиатюризация устройств. При этом датчик должен быть прозрачным, гибким, выдвижным, свободно сгибаемым или даже складным, легким и пригодным для ношения. Гибкие датчики, отвечающие характеристикам вышеупомянутых разнообразных тенденций, появляются по мере того, как время требует разработки гибких матричных материалов.

Фигура. 1 тонкопленочный гибкий датчик давления

Ⅰ. Характеристики и классификация гибких датчиков

1. Особенности гибких датчиков

Термины «гибкие материалы» и «жесткие материалы» взаимозаменяемы. Мягкость, низкий модуль упругости и легкость деформации – характеристики гибких материалов. Распространены поливиниловый спирт (ПВА), полиэстер (ПЭТ), полиимид (ПИ), полиэтиленнафталин (ПЭН), бумага, текстильные материалы и другие гибкие материалы.

Термин «гибкий датчик» относится к датчику, изготовленному из гибких материалов, который является гибким, пластичным и может свободно сгибаться или складываться. Конструкция адаптируема и разнообразна, и ее можно сконфигурировать любым образом в соответствии с условиями измерения. Найдены сложные меры. Электронная кожа, здравоохранение, электроника, электротехника, спортивное оборудование, текстиль, аэрокосмическая промышленность, мониторинг окружающей среды и другие области — все используют новые гибкие датчики.

2. Классификация гибких датчиков.

Гибкие датчики бывают самых разных форм и размеров, и методы категоризации также различаются.

Гибкие датчики давления, гибкие датчики газа, гибкие датчики влажности, гибкие датчики температуры , гибкие датчики деформации, гибкие магнитоимпедансные датчики и гибкие датчики теплового потока — все это примеры гибких датчиков.

Гибкие датчики подразделяются на гибкие резистивные датчики, гибкие емкостные датчики, гибкие пьезомагнитные датчики и гибкие индуктивные датчики, в зависимости от механизма обнаружения.

Ⅱ. Распространенные материалы для гибких датчиков

1. Гибкая подложка

Свойства, включая тонкость, прозрачность, гибкость и растяжимость, а также изоляционную и коррозионную стойкость, стали важнейшими показателями гибких подложек, отвечающих требованиям гибких электронных устройств.

Полидиметилсилоксан (ПДМС) занял первое место в списке гибких субстратов. Легкая доступность, химическая стабильность, прозрачность и термическая стабильность — это лишь некоторые из его преимуществ. Уникальные свойства клейкой и неклейкой зон позволяют поверхности легко прилипать к электронным компонентам, особенно под воздействием ультрафиолета. Многие гибкие электронные устройства приобретают большую гибкость за счет уменьшения толщины подложки; тем не менее, эта стратегия ограничена практически плоскими поверхностями подложки. С другой стороны, растягивающаяся электроника может полностью прикрепляться к сложным и неровным поверхностям. В настоящее время существует два подхода к достижению растяжимости носимых датчиков. Первый метод предполагает приклеивание тонких проводящих материалов с низким модулем Юнга непосредственно к гибким подложкам. Гаджет также можно собрать с использованием эластичных по своей природе проводников. Обычно его изготавливают путем сочетания проводящих материалов с эластичной матрицей.

2. Металлические материалы

Металлы, как правило, представляют собой материалы с проводимостью, такие как золото, серебро и медь, которые в основном используются для изготовления электродов и проводов. Проводящие наночернила, в состав которых входят наночастицы и нанопроволоки, являются наиболее распространенными проводящими материалами, используемыми в современных методах печати. Металлические наночастицы могут быть спечены в тонкие пленки или проволоки, помимо того, что они обладают сильной электропроводностью.

3. Неорганические полупроводниковые материалы.

Благодаря своим сильным пьезоэлектрическим свойствам неорганические полупроводниковые материалы , такие как ZnO и ZnS, продемонстрировали значительный потенциал применения в области носимых гибких электронных датчиков.

Разработан гибкий датчик давления, основанный на прямом преобразовании механической энергии в оптические сигналы. В данной матрице использованы механолюминесцентные характеристики частиц ZnS:Mn. В основе электролюминесценции лежит излучение фотонов, вызванное пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрический эффект наклоняет электронную энергетическую полосу пьезоэлектрика ZnS под давлением, что может увеличить возбуждение Mn2+ и последующий процесс девозбуждения, который генерирует желтый свет (около 580 нм).

Этот процесс преобразования механолюминесценции позволяет получить датчик с быстрым откликом (менее 10 мс) и пространственным разрешением 100 м благодаря процедуре фотолитографии сверху вниз. Этот датчик может сканировать двумерное плоское распределение давления, получая кривую интенсивности излучения в режиме реального времени, и регистрировать динамическое давление при скольжении в одной точке, что может быть использовано для распознавания почерка подписывающего лица. Все эти свойства делают неорганические полупроводниковые материалы одними из наиболее многообещающих будущих кандидатов в области материалов для датчиков давления с высоким разрешением и быстрым откликом.

4. Органические материалы

Крупномасштабные массивы датчиков давления имеют решающее значение для разработки носимых датчиков в будущем. Перекрестные помехи возникают в датчиках давления, основанных на пьезорезистивном и емкостном механизмах передачи сигналов, что приводит к неточным измерениям. Это стало одной из самых сложных трудностей при разработке носимых датчиков.

Использование транзисторов позволяет снизить перекрестные помехи благодаря их безупречному преобразованию и усилению. В результате крупномасштабные гибкие пьезотранзисторы находятся в центре внимания многих исследований в области носимых датчиков и искусственного интеллекта.

Исток, сток, затвор, диэлектрический слой и полупроводниковый слой составляют обычный полевой транзистор. Его можно разделить на полевые транзисторы p-типа (дырочные) и полевые транзисторы n-типа (электронные) в зависимости от типа основных носителей.

Полимеры тиофена являются наиболее распространенными полимерными материалами p-типа, используемыми в исследованиях полевых транзисторов , причем наиболее эффективным примером является система поли (3-гексилтиофена) (P3HT). Наиболее часто исследуемые полупроводниковые материалы n-типа, нафталинтетрамин (NDI) и перилентетрамин (PDI), демонстрируют хорошие полевые свойства n-типа и широко используются в малых молекулах полевых транзисторов n-типа.

Подвижность несущей, рабочее напряжение и коэффициент тока включения/выключения — все это общие свойства транзисторов . Органические полевые транзисторы (OFET) обладают преимуществами высокой гибкости и низкой стоимости изготовления по сравнению с неорганическими полупроводниковыми архитектурами, но они также имеют низкую подвижность носителей и высокое рабочее напряжение.

5. Углеродный материал

Углеродные нанотрубки и графен — два широко используемых углеродных соединения для гибких носимых электрических датчиков. Углеродные нанотрубки обладают высокой кристалличностью, хорошей электропроводностью, большой удельной поверхностью, а размер микропор можно регулировать в процессе синтеза, при этом коэффициент использования удельной поверхности составляет 100%.

Фигура. 2

Легкость, тонкость, прозрачность, высокая электро- и теплопроводность — все это особенности графена. Сенсорные технологии, мобильная связь, информационные технологии и электромобили имеют чрезвычайно важные и широкие перспективы применения.

Проводимость проводящего полимерного датчика, полученного путем объединения многоплечих углеродных нанотрубок и серебра и печати, по-прежнему достигает 20 См² при 140-процентном растяжении при применении углеродных нанотрубок.

Совместным применением углеродных нанотрубок и графена созданы высокорастяжимые прозрачные полевые транзисторы с электродами из графена/одностенных углеродных нанотрубок и морщинистым неорганическим диэлектрическим слоем, сетью одностенных углеродных нанотрубок, каналом сетки. После тысячи циклов растяжения-релаксации амплитудой 20% не происходит изменения тока стока из-за наличия морщинистого диэлектрического слоя оксида алюминия, что указывает на высокую устойчивость.

Ⅲ. Общие гибкие датчики

1. Гибкий датчик газа

На поверхности электрода гибкого газового сенсора нанесен газочувствительный пленочный материал. Субстрат легкий, гибкий и может производиться на обширной территории. Кроме того, пленочный материал имеет более высокую чувствительность и очень простой способ изготовления. Здесь много внимания. Этот датчик газа отвечает требованиям портативности и низкого энергопотребления в уникальных ситуациях и преодолевает недостатки более ранних датчиков газа, такие как неполный диапазон измерения, малый диапазон и высокая стоимость. Обнаружение простое и точное, и оно привлекло много внимания.

2. Гибкий датчик давления.

Фигура. 3

Умная одежда, умный спорт и «кожа» робота — все используют гибкие датчики давления. В качестве базовых материалов гибких датчиков давления широко используются поливинилиденфторид, кремнийорганический каучук, полиимид и другие полимеры. Они отличаются от датчиков нагрузки, в которых используются металлические тензодатчики, и обычных датчиков диффузии давления, в которых используются полупроводниковые чипы n-типа. Гибкость, проводимость и пьезорезистивные характеристики датчика превосходны.

3. Гибкий датчик влажности.

Датчики влажности делятся на две категории: резистивные и емкостные. Влагочувствительный резистор отличается тем, что подложка покрыта влагочувствительным слоем. Удельное сопротивление и значение сопротивления элемента изменяются, когда водяной пар из воздуха адсорбируется на влагочувствительной пленке. Влажность – это то, что можно измерить. Полимерные пленки обычно используются в конденсаторах, чувствительных к влаге. Обычно используются полистирол, полиимид, ацетат масляной кислоты и другие полимерные соединения.

Датчики влажности быстро развиваются от простых датчиков влажности до интегрированных интеллектуальных многопараметрических датчиков. Традиционные гигрометры с мокрым и сухим термометром, а также волосковые гигрометры больше не соответствуют требованиям современных технологий. Гибкие датчики влажности привлекли большое внимание из-за их низкой стоимости, низкого энергопотребления, простоты изготовления и использования в производстве интеллектуальных систем. Материалы подложки, используемые для изготовления этого типа гибкого датчика влажности, аналогичны материалам, которые используются для изготовления других гибких датчиков, а чувствительные к влажности пленки могут быть изготовлены с использованием различных процессов, включая покрытие погружением, центрифугирование, трафаретную печать и струйную печать. .

Гибкая структура датчика является гибкой и разнообразной, ее можно произвольно расположить в соответствии с условиями измерения, что позволяет легко и точно измерять особые условия и специальные сигналы, а также решать проблемы миниатюризации, интеграции и разработки интеллектуальных датчиков. Эти новые гибкие датчики меняют правила игры. Электронная кожа, биомедицина, носимая электроника и самолеты — все это выиграет от этого. Однако технический уровень подготовки материалов для гибких датчиков, таких как углеродные нанотрубки и графен, все еще незрел, и все еще существуют такие вопросы, как стоимость, область применения и срок службы. Обычно используемые гибкие подложки имеют тот недостаток, что они не устойчивы к высоким температурам, что приводит к высоким напряжениям и слабой адгезии между гибкой подложкой и пленочным материалом. Технология сборки, расположения, интеграции и упаковки гибких датчиков также нуждается в дальнейшем совершенствовании.

Frequently Asked Questions

1. Что такое гибкий датчик?

Гибкие датчики можно беспрепятственно наносить на мягкие поверхности неровной формы, такие как человеческая кожа или текстильные материалы. Это полезно для приложений, которые полагаются на совместимость, таких как умные татуировки, искусственная кожа и мягкие роботы.

2. Как работает гибкий датчик?

Проводящие чернила, напечатанные на датчике, служат резистором. Это сопротивление составляет около 25 кОм, когда датчик прямой. Проводящий слой растягивается при изгибе датчика, в результате чего поперечное сечение становится меньше (представьте, что вы растягиваете резиновую ленту).

3. Где можно использовать гибкие датчики?

Гибкие датчики можно найти в различных технических приложениях, включая автомобильные и промышленные средства управления, компьютерную периферию, джойстики и измерительные приборы. Их также можно найти в оборудовании для фитнеса, музыкальных инструментах и современных автомобильных вспомогательных технических системах.