5-1 柔性传感器件在线视频

柔性显示屏

是大家最熟悉的柔性电子器件

但实际上

柔性电子器件的应用非常广泛

在能源 传感

通信

健康监测等各个领域

柔性电子技术

都在驱动着科技变革

比如柔性超薄压电器件

可以直接贴附在心脏上

监测心脏数据

而将软体机器人

应用在工业生产中

则可以在大幅提高生产效率的

同时

构建更为安全的人机协作方式

正是因为柔性电子器件

可以在不同的应用场景下

实现人 信息和物体之间的高效

融合

并实现智能功能的拓展

因此

柔性的力量

将带给我们一个更加美好的未来

大家好

我是来自清华大学的冯雪

柔性电子技术

改变了

传统信息器件

刚性的物理形态

因此在不同的领域

有着广泛的应用

今天我给大家介绍一下

柔性器件

它的应用以及对应的场景

柔性器件

包含柔性传感器件

柔性集成电路

柔性显示器件

柔性能源器件等等

这些柔性器件

在不同的领域

有着极大的应用

比如它可以与人体结合

当与人体表面结合的时候

可以去测量人体的各种生理指标

也可以这些器件

与人体内部的组织相结合

不但起到监测作用

还可以起到治疗的作用

那么这些器件

也可以和重大装备进行结合

监测重大装备的健康运行状态

同时去执行一些特定的功能

我们以软体机器人为例

可以让机器人做成柔性

它对应的传感处理电路

也是柔性一体化

这些柔性的器件

将会赋予机器人强大的功能

以及它的生命力

下面我给大家介绍一下

柔性传感器件

柔性传感器件

根据它对不同物理量的测量

会有很多种分类

包括

柔性压力传感器件

柔性应变传感器件

柔性光电传感器件

等等

对于力的测量

是我们物理世界

一种最基本的参数

我首先介绍一下

柔性压力传感器件

柔性压力传感器件

顾名思义

是将所受到的力变成电信号

从而对整个的信息

进行一种获取

将力的传感器件

变成柔性化

将会具有很多的优点

比如它轻薄柔软

可以去适应各种不同的

异形空间

可以和不同的物体

或者人体进行集成

当我们把压力传感

器件柔性化以后

我们可以去推广出去

我们可以用这个柔性的压力传感器件

做人机交互

做各种的健康监测

也可以把它给现有的机器人进行集成

使它让机器人具备与人类似的

触觉功能

从传感器的本身来讲

基于它不同的原理

我们可以分为

压阻式压力传感器

电容式压力传感器

以及压电式压力传感器

将这些不同的传感器柔性化以后

我们可以对它在不同的领域之内

去做各种各样的应用和推广

其实我们人类的皮肤系统

就是一个很好的柔性传感器

当我们去触摸物体的时候

可以感知它的软硬

当我们用针刺它的时候

人就会（立刻）感觉到很疼痛

所以当我们把这些信息

给它反映到传感器性能的时候

我们会得到这样一些不同的参数

比如会有压力的灵敏性

我们对多大的范围

能够感知出来

会给出它的测量范围

它的测量极限

以及动态的响应时间

当我们来制备传感器的时候

我们同样还要关注到

它的线性和重复度

以及它的回滞特性

所以

基于这样的一个理解

我们在设计柔性压力传感器的时候

我们要针对传感器本身的

物理特性

能够考虑到

它在柔性环境下的应用

能给出一个完整的参数的设计

针对压阻式柔性压力传感器件

它的敏感材料

会受到外部不同压力时

会导致

敏感材料的电阻率发生变化

利用这一原理

我们可以测量出来

对应外界的压力变化

它具备机制简单

信号获取容易 制备简单

而且可以得到极大的推广应用

目前我们在工业界

有相当一部分的压力传感器

是基于这一原理

进行相应的制备而得到的

利用这一压阻原理

实际上我们可以做出更多形式的传感器件

比如

我们利用压阻特性

可以和微纳制备相集成

来做出

具有柱形、半球形和金字塔形的微结构

将这些微结构

与相应的

导电颗粒相结合

可以来探测不同响应频率下

不同探测范围之内的

压力传感器件

比如

我们利用PDMS可以在其表面

制备出来

柱形的微结构

在这微结构中间

我们注入导电颗粒

当受到外力作用时

这些微柱的话

它的电阻会发生变化

利用这一微弱的电阻变化

我们可以去探知

外界施加的压力

利用这一方式

我们可以获得极高的灵敏度

以及它对应的很高的探测极限

同样利用类似的原理

我们可以把PDMS在表面做出

半球形的微结构

在半球形的微结构中间

我们注入碳纳米管

碳纳米管是一种导电的材料

当受到外界的压力时

这些半球形的PDMS将会

感受到外界压力的变化

从而导致它的阻值发生变化

利用这一变化

我们可以探测到外界的压力

另外我们还可以把微结构做成

金字塔形

在金字塔形PDMS的微结构中间

我们也注入相应的导电颗粒

也起到类似的作用

所以利用这些微纳结构

和导电颗粒的结合

能够实现不同形式的

压阻式压力传感器

我们还有很多方法

去制备出不同的压阻材料

比如我们可以利用静电纺丝的方式

针对碳材料做出多孔的压阻材料

它具有极高的压力敏感性

当它有外界压力变化时

在内部形成的多孔材料

会形成不同的接触点

随着接触点增多的话

它整体的电阻率会发生变化

因此它具有极高的灵敏性

和极大的适用范围

这一压阻材料的话

具有天然透气

制备简单和成本低的特点

利用这一压阻材料

我们可以制备出

极其灵敏的压力传感器件

比如我们可以利用这种材料制备的

压力传感器件

将它贴附于我们的喉咙

当我们说话的时候

声音所带来的压力变化

会导致这一压阻材料的电阻会发生变化

我们可以去探测出

我们的声音

比如我们在说一个字的时候 (比如)“word”

利用这个传感器件

我们就获取到

说这句话的时候

所有声音的频率

针对这一声音的频率重构

我们可以对声音进行相应的分析

其实这些技术

我们可以用于去对一些

喉癌病人术后的

声音重建

比如我们可以想获取

他想说话的频率

把这个频率我们重构出来

新的语言信息

通过这一方面

我们也可以体现出来

柔性压力传感器件

在不同的领域

有广泛的应用

针对电容式

柔性压力传感器

它是基于

电容受到外力的作用

会发生改变

这一基本原理

而进行相应的设计和制备

电容器一般是由电极和介电质构成

当我们施加外界压力的时候

会导致上下电极之间的距离发生变化

那就导致了电容的变化

因此通过测量电容的变化

我就可以反推知道

外界的压力

同时如果我们外界的压力

改变了

上下两个电极相对的位置（偏移）

也会导致相对应电容的变化

所以对于这种情况

我们不但可以去测量出来

法向的压力

还可以去对它的受力

进行这个方向的识别

基于电容式的压力传感器

它具备一个很好的优点

低功耗

同时它的控制方式非常简单

我只要能够测量出来

相对应的电容

我就可以建立起很好的线性关系

我们利用这个原理

可以做一些很有趣的

电容式压力传感器

比如说我们在自然界

会有很多的物质

是一种介电质 不导电的

我可以利用这种物质

作为

我电容器中间的介电质

只要加上两个电极片

它就可以构成一个电容器

比如我们自然界中间的花瓣

我们自然界中间的树叶

我可以做两个电极

包在花瓣的上下

这就构成了一个电容器

或者包在一个树叶的上下两侧

当我有微风吹过的时候

会影响这个距离的变化

从而引起它电容的变化

因此我可以把树叶

可以把

花瓣

变成一个

电容式的压力传感器件

而且这一器件的话

会具有极高的灵敏性

还可以去针对很大的变形

能给出很好的这个测量

所以把这种电容式的

柔性压力传感器件

进行相互的集成

我们就可以获得

很多复杂姿态

复杂变形的一些识别

比如在这个基础之上

我们可以把微纳结构

引入到

这个基本原理上面

我们可以在介电质的表面上

做出各种微纳的结构

通过电极与其集成

构成我们电容式

压力传感器件

利用这一方法的话

我们来可以模拟人的触觉系统

人的触觉系统的话

对于力的传感

实际上是有两种

一种是法向力的传感

一种的话是切向力

就是摩擦力的传感

所以当我们用手去摸一个东西的时候

我们能感知它一个法向的力

还有一个滑动的力 一般来讲

我们去测量滑动的力

难度是比较高

所以我们可以利用电容式的

压力传感器件

就可以很好的实现这两种力的测量

针对柔性压电式压力传感器件

主要是利用了压电原理

当传感材料

采用压电材料时

压电材料受到外载的作用

就会产生电信号

我们测量电信号

就可以建立起来

电信号与所受压力之间的关系

这类器件的话

它有很明显的优点

比如它会有很好的

动态压力测量的特性

响应时间很快

最重要的是

由于在压力情况下

它自己产生电信号

因此它可以做成无源传感器件

不需要进行供能

我们利用这一原理

可以制备出柔性的

压电式压力传感器件

在一大类

应用非常广泛的压电材料里面

（有）一种

我们称之为PZT压电陶瓷

我们可以把压电陶瓷

做成MEMS器件

在硅衬底上

我们生长一层PZT的压电薄膜

将它刻蚀

而形成我们所需要的功能单元

利用前面我们所介绍的

转印的知识

我们可以利用转印技术

将PZT的功能单元

转移

印制到柔性的衬底上

从而构成我们柔性的

PZT压力传感器

这一器件的话

可以和人体的组织相集成

去探测组织的变形过程

和所受到的压力

比如我们利用这一方法

所做出的柔性

PZT压力传感器件

可以与心脏集成去探测

去测量心脏跳动过程的变形

以及它对应的变化速率

我们利用这一方法的话

可以成功地将

柔性压力传感器件

与心脏集成

可以在线、动态、实时去测量出来

每一次心跳 心脏的变化过程

从而能够对心脏的整个跳动过程

进行一个动态实时的监测

应变是表征变形的物理量

传统的应变传感器

是将应变栅制备在衬底上

当物体发生变形的时候

会引起应变栅电阻的变化

从而可以获得对应的变形量

我们可以利用这一基本原理

将应变传感器

做成柔性应变传感器

那么利用这一基本原理的话

它具有很大的优势

线性度非常好

然后制备工艺比较简单

我们将这一技术

与柔性电子相结合

可以制备出像皮肤一样

又薄又柔的

超薄超柔的应变传感器

我们首先

利用微纳加工的方式

获得具有很多微纳孔洞的

衬底材料

这种衬底材料

可以透气

可以防水

像皮肤一样

同时我们利用转印技术

在硬质的衬底上

做出我们所需要的应变栅

将应变栅转移印制到

这个像皮肤一样的柔性衬底上

通过封装

我们可以形成类皮肤的

应变传感器

这一传感器的话

可以很好的与人体

实现一个自然的融合

包括我们可以贴在人体的任意部位

我可以贴在手指上

可以贴在脉搏附近

可以贴在我的关节附近

当我任何有发生变形的时候

这一传感器件

将会给出它对应的响应

那么我们用这种方法

其实可以去做很多疾病的

早期监测

比如针对早期的帕金森症

在早期帕金森症的时候

没有明显的症状

但是目前认为

在早期的帕金森症表现中间

有一种手指会出现低频的抖动

所以如果我们把这个

类皮肤的柔性器件

与手指集成的时候

当手指出现抖动变形的时候

我们可以把这微弱的变形信号获取到

从而对它进行评判

比如我们贴在手指上

我们手指可以慢速的变化

快速的变化

和极快速的变化

我们通过这个可以看出

这一传感器

给出很好的响应

利用这一技术

我们可以探测出来

手指的各种运动 变形

通过这个有可能会对早期的

帕金森症的检测

带来一个重要的手段

我们还可以利用其他的敏感材料

来制备/实现

超大应变的

柔性应变传感器

比如我们可以将导电的材料

石墨烯

与柔性可延展的聚合物

PDMS相结合

来实现这一超大应变测量的

柔性应变传感器

它的优点是可以有很好的延展性

然后有很大的

灵敏系数

这一传感器件的话

可以在人体

实现大变形的情况下

去测量

比如说在关节的地方

在肘关节

或者是膝关节

发生很大的运动

变形

我可以给出很好的测量

温度也是我们一个

最基本的

重要的物理量

温度传感器

也是所有传感器中间

一个基本的传感器

我们可以把温度传感器

做成柔性

温度传感器也有

基于几种不同的机理

比如说温阻效应

温度的变化

会导致电阻的变化

从而我可以去测量出来

对应的温度

那么我们还会有

这个红外检测的方式

我们还会有其他一些方式

去对温度进行相应的测量

温阻式的传感器

同样 它具备

原理简单

成本比较低这一特点

如果我们把温度传感器做成柔性

可以做成像类皮肤一样

我们就可以贴附在人体的皮肤上

去对人体的体温

进行相应的监测

基于这一想法

我们可以来做出

类皮肤的柔性温度传感器

我们同样先利用微纳加工的技术

在柔性的衬底上

做出多孔的结构

这些多孔的结构

一般都在微纳米级别

针对这一材料

它会具备像皮肤的特性

一样可以透气防水

这一功能的话

会保证当这一传感器件

与人体集成的时候

不会引起皮肤的过敏

从而可以使得这一器件

可以长期与人体相结合

进行长期的监测

我们同样针对这一器件的话

采用转印技术

将在硬质器件上制备好的

温度传感功能单元

通过剥离印制的方式

转移到这种类皮肤的柔性衬底上

进行封装

最终形成只有十几个微米厚的

柔性温度传感器件

这一温度传感器件的话

它既具备柔性

同时也保持了

温度传感器的优异的线性度

把这些传感器件

我们可以贴在人的胳膊上

贴在人的任何一个肢体

我们来进行体表温度的测量

同时它可以和人体

实现一个高度的共融

在这一过程中间

我们可以去洗澡

24小时之内

可以洗两次澡

洗完澡之后回来再去看

我发现这个器件依然在

由于它具有很薄的特征

利用界面的范德华力

就可以实现这一器件

与人体的自然贴合

不需要用胶

另一方面的话

它像皮肤一样

可以发生很大的变形

所以你揉搓它 它不会发生变化

那么把这一器件的话

我还可以贴在人的腋下

去对人的基础体温进行测量

腋下是一个复杂的环境

它是褶皱的

容易出汗的

这一器件的话刚好符合了

跟人体的皮肤高度共融

可以去解决这一复杂环境下

温度的测量

利用这一器件贴在腋下

可以加一个水银测温计

跟它同样的做对标

可以发现

这一柔性温度传感器件的话

和水银测温计

具有很高的温度一致性

因此利用这一温度传感器

我们可以做

比如对发烧儿童

做发烧的过程监测

对其他一些需要体温进行监测的病人

可以做一些长期的体温监测

所以通过这一技术

我们可以很好的展示出来

柔性器件与人体结合时候

产生出很独特的优势

我们利用类似的原理

我们可以针对这一类的

柔性温度传感器

进行新的优化

我们可以把中间的导线部分

变成一个蛇形导线

使得整个温度传感器

具有更好的可延展特性

和可拉伸特性

我们可以把这一温度传感器件

与伤口集成

用于去监测伤口的恢复过程

因为在伤口的恢复过程中间

如果受到了感染

它局部的温度会发生变化

利用这一柔性器件的话

可以动态实时去监测伤口的

愈合过程

湿度测量在健康医疗

农业和工业等不同领域

有广泛的需求

以健康医疗为例

我们皮肤的干燥

尤其是对一些皮肤的干燥症

我们需要去测量皮肤的含水量

如果我们能够把湿度传感器

做成柔性

像皮肤一样贴在皮肤上

贴在人的皮肤上

我们可以很好动态

实时去监测皮肤的水分

湿度通常有两种表示方法

绝对湿度 相对湿度

大多数湿度的测量应用中间

相对湿度的测量

比绝对湿度的测量更可取

相对湿度

在室内空气的质量

和人体舒适度问题上

往往更常用

对于绝对湿度

我们可以建立起来

单位体积

空气内水蒸气的质量

之间的关系

对于相对温度

我们可以给出单位体积内

水蒸气的压力

与同温度下

饱和水蒸气压力的比值

通过这一基本原理

我们可以去设计

柔性的湿度传感器

同样我们对于湿度传感器

我们可以有电容式

可以有电阻式

对于电容式湿度

传感器

环境湿度的变化

引起了介电常数的变化

从而引起了

传感器件电容量的变化

对于电阻式湿度传感器

是由于湿度的变化

对（导致）传感器材料的电阻率发生了变化

从而我可以建立起来

电阻与湿度之间的关系

基于这一原理

我们可以去发展

基于多孔离子膜的

柔性湿度传感器

我们把这一材料

与柔性的衬底相集成

进行最后的封装

可以得到我们最终的湿度传感器

这一湿度传感器的话

我们可以跟皮肤自然的融合

去用来监测皮肤中的含水量

通过这一技术的话

我们可以动态实时

而且在不同的环境下去（来）监测

包括针对我们一天的生活

比如从早上起来

然后

从这个喝水

洗脸等等这过程中间

都去监测整个皮肤含水量的变化

另外我们还可以基于

二硫化钨的透明材料

可以做出可拉伸的湿度传感器

它的敏感材料是采用二硫化钨

做出的传感器

可以去测量

呼吸

来测量呼吸中间所包含的水汽

用这种相对的湿度

可以去表征人在呼吸过程中间

整个呼吸系统的疾病情况

基于光电效应

来探测光信号的传感器件

我们称之为光电传感器

我们利用柔性电子技术

也可以设计和制备出

柔性光电传感器件

基于这一原理

我们可以制备出

柔性可变形的电子眼

我们都知道

在成像的时候

需要通过镜头和成像的感光单元

来构成一个完整的成像系统

但我们传统的成像系统

是通过改变镜头之间的距离

而进行相应的聚焦

而我们人眼是通过人眼曲率的改变

去形成聚焦

我们利用柔性电子技术

可以去仿照人眼的原理

去实现

柔性电子眼相机的过程

这一基本制作过程的话

是我可以在一个

可变形的柔性衬底上面

将能够成像的感光单元

集成上去

每一个感光集成单元之间

通过蛇形的互连线连接起来

当这个柔性衬底充气发生变形

导致它整体曲率变化的时候

这些感光单元

依然能够完好地

与整个衬底相集成

这一变形的过程

恰好去模拟了人眼

由于曲率变化

带来聚焦的变化过程

所以利用这一原理

我们可以很好的去实现

柔性的电子眼相机

不再是通过

改变镜头之间的距离

而是通过曲率

而实现整个成像系统的形成

利用这一原理

我们还可以制备出

柔性的光电传感器件

用于人体的血氧生理指标的测量

血氧测量的基本原理

是红光和近红外与血红蛋白

发生反应

当携带的氧浓度不同的时候

它的光强不同 利用这一原理可以

探测出

血氧的饱和度

因此对于血氧测量的话

我们需要一组发光的器件

再需要一组感光

光电传感器件

为了实现将血氧的探测器件

柔性化

我们需要来设计

针对人体的可变形

可活动的特点

这一器件的话

要实现与人体的高度贴合

而且要求在变形过程中间

我这一器件也能随着人体的变形

而相应的发生变形

所以我们在设计的时候

将发光单元和光电探测单元

放置于一个空腔中

在一个空腔中间

我们注入液体的PDMS

这一液体的PDMS会像一个海洋

相对应的

发光单元

和光电探测单元

会像一个小岛

漂浮在海洋上

所以当这一器件

发生拉伸

或弯曲变形的时候

这两个小岛之间的距离

不会发生变化

从而来解决

在人体变形的时候

不会去影响这个光电器件的响应

利用这一方法的话

我们就最终制备出

柔性的光电传感器件

它像皮肤一样

只有几十个微米

可以贴附于人体的任何一个位置

去进行血氧的探测

并且能够达到

很高的精度