【柔性传感器的分类与应用概述2800字】

柔性传感器的分类与应用概述1.1.1柔性传感器的分类随着科技水平的不断发展，智慧科技不断地改善人们地生活水平，智能互联与人体监测以及日常生活的联系变得紧密，智能电子产品随处可见，其中柔性可穿戴电子产品作为最贴合我们身体的工具，能够连续、严密地监视人体释放的生理标志和物理化学信号ADDINNE.Ref.{AA4D56AC-3BDB-496C-B31C-9876B9ED43AF}[1]，在我们生活中起着至关重要的作用，使得人们对柔性传感器有着广泛的关注ADDINNE.Ref.{6836FBB8-5063-4575-AF17-CB71881A6F15}[2]。其具有便携性、无创性、生物适应性、保形性、实时监控等优点，在各个方面的应用广泛ADDINNE.Ref.{D2632AFB-78E4-4DE9-9B1E-E94B7A546ACD}[3]。柔性可穿戴传感器主要由柔性基材、功能填料构成ADDINNE.Ref.{23040E3A-1D51-488C-A8DE-0AA7306B058B}[4]。对柔性可穿戴传感器进行不断地创新与探索，对于医学水平的提高以及保健防护等领域意义非凡，有利于促进可穿戴传感器在个人健康管理和家庭诊断中的应用ADDINNE.Ref.{D2632AFB-78E4-4DE9-9B1E-E94B7A546ACD}[5]。图1-1用于监测人体活动和个人健康的柔性可穿戴力学传感器ADDINNE.Ref.{DB90CB23-1A2B-4F5D-BF1F-704A22F86F62}[2]传统的柔性可穿戴传感器所需的供电系统规模较大、功率有限，难以实现安装在设备上的持续且稳定的电力供给ADDINNE.Ref.{4F6FA638-177F-4643-BBED-A2B1C0E19C55}[6]。因此通过开发具备能源设备的自供电式传感器，能够维持长期的监测性能，在运动和疾病的监测中具有更加长效、方便和实用的意义ADDINNE.Ref.{4F6FA638-177F-4643-BBED-A2B1C0E19C55}[7]。柔性传感器可以将压力、弯曲、扭转和剪切等作用力按一定的规律转化为电信号并能记录和输出该类信号，所以在智能可穿戴设备领域，传感技术至关重要。柔性可穿戴传感器是依据获得的物理信号电参数的相对变化而变化的，根据工作原理分为压阻式ADDINNE.Ref.{DDF6C888-4900-4C03-93CA-B3E4A1D73A2D}[8]、压电式ADDINNE.Ref.{0252EE0B-2375-4325-B7BB-71D658400F77}[9]、电容式ADDINNE.Ref.{8D2FC330-0210-42B1-8FEB-EC3F454ACF45}[10]和摩擦发电式ADDINNE.Ref.{E5A8309F-3A82-4CDD-8A2E-0CD08D5C5232}[11]等，如图1-2所示。压阻式传感器受到外界压力时，会导致压阻材料发生形变，使得材料间的接触面积发生改变，根据作用面积调整，电阻发生相应的改变，所以可通过电阻的变化情况来反映传感器所受外界压力大小；电容式传感器通过将被测物的一些行为转化为电信号，并设立一定的联系，由两个平行极板和电介质组成，在不同的压力作用下，通过获得不同的电容变化率，从而反应被测物的行为，并得到数值显示；压电式传感器压力检测基于压电效应，主要作用为施加作用力的方式使特殊传感材料发生形变，在材料内部会发生电荷的转移，正负电荷相互交换位置，从而产生极化现象。此时，垂直于外力的材料两个相对表面会产生极性相反的电荷，从而形成内部电势，当压力相反时产生的电势也相反；摩擦电式传感器的工作原理是将两种摩擦层进行不同程度的摩擦，由于不同的摩擦层在接触过程中会失去或是得到电子，使得不同的材料带有正反相反的两种电荷，在两者之间产生电势差，既通过摩擦起电和静电感应原理产生电流，从而传输信号。根据四种工作原理制备的柔性传感器在生活生产中广泛应用，其各自的优缺点如下表所示。图1-2柔性应力可穿戴传感器工作原理ADDINNE.Ref.{48C34913-F319-4BAF-8413-EC8B24B56C9C}[8]ADDINNE.Ref.{E0550BD1-EEAF-4D4E-9700-C47D88F2C976}[9]ADDINNE.Ref.{9191CEF4-FFB6-4DBB-B15C-BFAFD6FFAEB2}[10]ADDINNE.Ref.{3BECB7D8-B916-436C-A23D-E015C9E81F80}[11]表1-1柔性应力可穿戴传感器的特点ADDINNE.Ref.{0F9DBE31-8EE9-4047-B9C3-F05A88CE9EBA}[12]电学原理优势缺陷压阻式电容式压电式摩擦电式可测量动态、静态压力信号，响应范围广测量精度高，测量频带宽，动态响应特性好灵敏度高、响应速度快、能耗低材料可选择种类多样化，输出电压幅值高，易加工;滞后现象较为严重，制作工艺复杂，成本高信号采集电路复杂，易受生物电容干扰材料可选择种类较少，生物兼容性差易受外界电磁干扰1.1.2柔性传感器的应用（1）压阻式柔性传感器压阻式柔性传感器可将外部刺激转换成电信号的变化，Wang等ADDINNE.Ref.{A66C4D80-27A8-4777-A5EB-6832BA98B599}[13]通过在脂肪族芳香族无规共聚酯基体中加入磁性还原型氧化石墨烯和镍纳米线两种导电填料，制备了高透明度、柔性渗透型压阻式压力传感器。Lee等ADDINNE.Ref.{052CCC23-D354-4EE0-A446-AA8DF65AEA3A}[14]利用低模量PU弹性体与海胆状金属基纳米颗粒制备了一个高度敏感、透明耐用的压阻式柔性传感器,在人体健康检测、智能互联以及家用器具等应用方面前景开阔。图1-3压阻式压力传感器ADDINNE.Ref.{A8441A9F-E230-47DF-B3C8-9D7C5A5FD029}[14]（2）电容式柔性传感器当有不同的力作用电容式传感器时，其相对面积以及传感器内部间距会发生变化，从而产生电信号，Pang等ADDINNE.Ref.{8F317BBC-D1B7-4080-805A-9F9EB5E61A57}[15]将金字塔微结构修饰的PDMS电介质层与微柱结构修饰的粘附层相结合，制备了高灵敏度和高柔韧性的柔性电容式压力传感器。Wan等ADDINNE.Ref.{E4EA4737-8A28-4F48-BB70-67793618B38D}[16]以荷叶为模板，在PDMS柔性基底表面制作了仿荷叶的微图案。基于荷叶微结构的电容式传感器如图1-4所示。其研究表明，在医学、保健、电子产品等应用方面具有很好的应用前景。图1-4基于荷叶微结构的电容式压力传感器ADDINNE.Ref.{F2AF7053-A62F-4AB7-BD07-65305876B9D7}[15]（3）压电式柔性传感器当对压电式柔性传感器进行一定的压力时，会发生不同电荷的转移，Park等ADDINNE.Ref.{2ECC4819-4E47-42BC-BF6C-FEFBFA6C5945}[17]人通过在PVDF和Gr组成的铁电聚合物材料中采用仿指纹表皮图案，并同时使用交叉式微结构，制作特制柔性压力传感器，如图1-5所示。Chu等ADDINNE.Ref.{D4568A12-1BB5-423F-ACC0-55A53640D49A}[18]利用具有高效压电效应的高分子聚合物制备了基于“三明治”结构的压电复合体，能够监测人体信号，同时反馈人体脉搏情况。图1-5互锁式阵列微结构柔性压力传感器ADDINNE.Ref.{DE596000-E1E0-409F-B338-001AE1E8CC8C}[17]（4）摩擦电式柔性传感器摩擦电式柔性传感器可根据不同的工作模式应用在多种场景中。Jin等ADDINNE.Ref.{47BBD822-4F22-4109-8E0A-0B629B845B9E}[19]研制了基于TENG的自驱动实时运动检测传感器,将其固定在手上，该设备可以从手指的运动中获取机械能并转化成电信号，如图1-6（a）所示。Huang等ADDINNE.Ref.{B2A28C00-9E9C-439F-A960-3825634ED025}[20]报道了一种由基因工程重组蜘蛛丝蛋白和压电聚偏二氟乙烯装饰的PET层组成的摩擦纳米发电机，如图1-6（b）所示。这种设备通过与可穿戴式和可植入传感器的直接集成，成功构筑出自供电传感器。Lee等ADDINNE.Ref.{70DBD6EC-65D8-4643-B53C-09050807A255}[21]基于TENG，构建了具有优秀机械性能和拉伸下稳定电气性能条件的超薄网状结构拉伸压力传感器。如图1-6（c）所示，TENG采用单电极工作模式，是由Gr电极构成的PDMS带电层和聚对苯二甲酸乙二醇酯基板，通过不同的工作方式，从而实现传感器有效供电。如图1-6（d）所示，Fan等ADDINNE.Ref.{2802A5BE-8876-4B65-A124-BB96792B1B5F}[22]采用畦编的方法将导电尼龙纱线进行复合，构筑出可用于日常生活用品的全纺织品传感器,可使用在人体不同的部位，如脖子的颈带、手腕的护腕、脚踝处的袜子以及包裹手指的手套等，进行一定的生理监测。图1-6（a）自驱动实时运动检测传感器ADDINNE.Ref.{5A4313D7-3F8B-400D-B2CD-0E61036BAB5C}[19]（b）基于蜘蛛丝/PET/PVDF的压力传感器ADDINNE.Ref.{20A63B42-E9AE-4175-9670-AD06CD89DA76}[20]（c）自供电TENG触摸传感器ADDINNE.Ref.{C98273E0-C28D-4706-AF81-75262853BE39}[21]（d）全纺织品传感器ADDINNE.Ref.{6F4DBC04-0420-42B5-8E22-73D7DCBAA510}[22]1.1.3摩擦电式传感器摩擦纳米发电机（TENG），具有稳定性好、经济性好、适用性强、清洁环保等优势，可实现传感器的自供电功能ADDINNE.Ref.{22A47A35-8939-40D2-8DF4-6E6E04141A43}[23]。这种器件将摩擦纳米发电机的自供电的优点发挥的淋漓尽致，同时与柔性基材结合，材料来源广、制备方法简单，电输出功率较高，具备良好的生物相容性和可穿戴性，并且相较于传统的传感器需要外部能源供电、材料来源窄等缺点，摩擦电式传感器在自供能可穿戴传感器方面具有巨大潜力ADDINNE.Ref.{7112EAF0-7767-44F5-9676-17D5D9D8E594}[24]TENG是集微机械振动于一体的能量收集器，在能源保护、能源利用以及自供传感器设计等方面受到广泛的关注ADDINNE.Ref.{E9252B33-0E49-4546-AC51-5457A08FEAEE}[25]，随着智能互联的技术日趋完善，对于传感器网络节点的需求也日益增长，网络分布区域逐渐扩大，对于传感器的性能要求也越来越严格。TENG的设计原理ADDINNE.Ref.{9678290D-6A79-4B53-91FE-213E64E41599}[26]是两种摩擦材料采用介电系数较大的介电材料构成，当两者摩擦层受到外力的影响或是本身震动时，传感器的两者摩擦材料在外力作用下进行接触分离，并重复该过程多次。基于摩擦带电效应和静电效应，两种介质材料带有不同电荷，产生一定的电势差，在两者之间电场强度随之发生变化，从而形成微软电流。TENG可以将被测物不同的行为方式转变成不同的电学性能，使得其在自供电传感、环境保护与治理、纳米机械发电以及设备监控等方面有着巨大的可行性，可谓是现阶段智能电子设备的理想供能手段。TENG的主要工作原理是通过性能不同的两种