柔性傳感器的基底材料是構建電子皮膚的基礎。它們不僅需要具備足夠的柔韌性以適應不同的彎曲和伸展,還必須保持耐用性,以承受反復的機械應力。此外,基底材料應具有良好的生物相容性和導電性,以便無縫地集成到電子皮膚的電路中。
傳統的基底材料如硅膠和聚酰亞胺已經被廣泛研究和使用,因其優異的機械特性和化學穩定性。硅膠提供了優良的柔韌性和伸縮性,而聚酰亞胺則以其高溫穩定性和電絕緣性著稱。除了這些傳統材料,最新研究還在探索使用生物降解材料,如聚乳酸和聚己內酯,以提高環境可持續性并減少電子廢物。
隨著材料科學和微加工技術的發展,柔性傳感器的結構和材料選擇日益多樣化。新材料如石墨烯和導電高分子正在被研究以提高靈敏度和信號傳輸效率。同時,為了實現更好的模擬人類皮膚的觸覺反饋,研究人員也在致力于將溫度和濕度傳感功能集成到電子皮膚中。
4.柔性傳感器分類
按照轉換信號原理的不同,柔性傳感技術主要分為電容型、電阻型、壓電型等。
(1)電容型
原理是將單個觸元的上、下電極嵌入電極層,通過間隔層隔開,形成平行板電容器。當通過觸點與外界接觸,兩電極間隔發生改變并且生成電容信號,經過解算可得知整個觸覺傳感器上表面的受力情況。
(2)電阻型
原理是將壓力變化轉換成電阻或者電流的變化,目前柔性傳感技術較為成熟的一種,應用領域也更加廣泛。根據檢測原理,可以細分為壓阻式柔性傳感和電阻應變式柔性傳感兩種機制。①壓阻式:利用單晶硅材料壓阻效應制成,主要用于檢測壓力、拉力以及可以轉變為力的變化的其他物理量;②應變式:以電阻應變計為轉換元件的傳感器,將工程構件上的應變(即尺寸變化)轉換成為電阻變化的變換器,由彈性元件和敏感單元組成,敏感單元是核心。
(3)壓電型
原理為壓電材料在受壓力時產生正負相反的電荷,且電荷數量與材料所受到的力呈正相關,也就是該種觸覺傳感器可以自發電,這使其具有廣泛的應用前景。描述壓電材料壓電性能最重要的參數是壓電常數,體現壓電材料將機械能轉化為電能或者將電能轉化為機械能的能力,越大越好。
5.柔性傳感器制造技術
柔性傳感器制造技術主要為印刷法。每種工藝都涉及某種印刷方法,包括使用導電油墨和基底形成不同的設計。除了下面提到的印刷技術外,還有一些其他技術可歸類為接觸式和非接觸式印刷技術。所有這些技術的優點包括制造成本低、生產速度快。以下是詳細介紹的幾種主要的柔性傳感器制作技術:
(1)絲網印刷
絲網印刷是一種古老的技術,以其在不同類型基材上的易定制性、操作簡便、高質量印刷、圖案的高耐用性和墨水的高動態性而著稱。例如,利用這種技術在紙基上印刷石墨烯納米片,制作用于低成本射頻識別和感應應用的偶極天線。這些設備小巧、結構簡單,具有較高的電導率。另一項研究使用絲網印刷技術在PET基材上印刷銀墨水,制作應變傳感器,這些傳感器對于分析動態特性表現出卓越的應變感應結果和高穩定性。
(2)噴墨打印