柔性溫度傳感器研究進(jìn)展

潘小山，范 維， 周子冠， 賀 苗

(1.中國(guó)科學(xué)院 微電子研究所，北京 100029；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力公司 電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；3.北京國(guó)網(wǎng)電力技術(shù)有限公司，北京 100176；4.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司 檢修公司，陜西 西安 710000)

綜述與評(píng)論

柔性溫度傳感器研究進(jìn)展

潘小山1，范 維2， 周子冠3， 賀 苗4

(1.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京100029；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力公司電力科學(xué)研究院，遼寧沈陽110006；3.北京國(guó)網(wǎng)電力技術(shù)有限公司，北京100176；4.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司，陜西西安710000)

通過對(duì)比國(guó)內(nèi)外研究狀況，對(duì)現(xiàn)階段常用的柔性基底作了簡(jiǎn)單介紹，并從制作材料及結(jié)構(gòu)、傳感器與柔性襯底材料的結(jié)合方式、應(yīng)用現(xiàn)狀等方面介紹了柔性溫度傳感器,并對(duì)柔性溫度傳感器今后的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

柔性基底； 傳感器； 溫度傳感器

0 引 言

柔性電子產(chǎn)品的發(fā)展可追溯到19世紀(jì)60年代，第一個(gè)柔性太陽能電池陣列便是由薄膜單晶硅制成后再裝配在塑性基底上；到80年代初期，又出現(xiàn)了柔性鋼釬材料和有機(jī)聚合物基底材料的太陽能電池。1968年第一個(gè)柔性薄膜晶體管(thin-film transistor,TFT)制作在以紙板為基底的材料上，隨后又有人將TFT制作在聚酯薄膜，聚乙烯和電鍍鋁箔等柔性基底材料上，在2006年研究者又制作出一種帶有全彩色和全運(yùn)動(dòng)的柔性有機(jī)發(fā)光二極管(organic light-emitting diode,OLED)，將多晶硅TFT背面板制作在鋼箔薄板上[1]。

柔性溫度傳感器，即保持原有柔軟、易變形等特性，并通過監(jiān)測(cè)溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)不同的使用環(huán)境(如用在醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)、通信、航空航天、消防等不同領(lǐng)域)，將溫度傳感器與不同的柔性基底材料結(jié)合，制作成傳感裝置[2]。

本文討論了柔性電子產(chǎn)品的發(fā)展和傳感技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用；論述了柔性基底材料的發(fā)展?fàn)顩r以及與溫度傳感器結(jié)合的制作與應(yīng)用；對(duì)柔性溫度傳感器作了總結(jié)與展望。

1 柔性基底材料

柔性基底材料[3,4]具有可彎曲，形變均勻，有彈性，輕便，不易破壞，可制成卷軸式或大面積制作，滿足柔性器件對(duì)機(jī)械性能的要求，即其具有低彈性模量，在折疊和彎曲的情況下不易發(fā)生物理損壞。

應(yīng)用于柔性電子產(chǎn)品的基底材料主要有3種類型：1)金屬箔片：厚度低于125μm時(shí)是制作發(fā)射型或反射型顯示器最有吸引力的柔性材料，其不再需要透明的基底材料。不銹鋼薄片耐化學(xué)腐蝕性好，耐高溫，不易變形，不易氧化，一般較塑性材料和玻璃薄片耐用，但器件上存在其他金屬時(shí)，必須在表面覆蓋一層絕緣材料提供電路保護(hù)。2)玻璃板：厚度在幾百微米時(shí)通常表現(xiàn)出柔性材料的性質(zhì)，例如：30μm厚的玻璃薄片即具有玻璃的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)亦具有易碎和難以制作的缺點(diǎn)。3)有機(jī)聚合物材料：具有良好的柔韌性且價(jià)格便宜，易制成卷狀結(jié)構(gòu)，但在熱和尺寸方面較有玻璃基底材料的穩(wěn)定性差并且容易氧化。作為柔性基底的一些聚合物材料包括：聚酰亞胺(polyimide,Kapton),聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK),聚醚砜(polyethersulphone,PES)，聚醚酰亞胺(polyetherimide,PEI)，聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate,PEN)，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)，聚合物材料比較見表1[5]。

表1 可用于薄膜淀積制作塑性襯底材料的特性比較

2 柔性溫度傳感器

2.1 噴墨/碳納米管薄膜溫度傳感器

由于柔性溫度傳感器柔韌性好，易于集成于電子產(chǎn)品中[6]，使其越來越受到研究者的青睞，例如用于采集體溫參數(shù)監(jiān)視人體狀況的溫控系統(tǒng)。Dankoco M D等人用一種以銀為主要成分的復(fù)合物的熱敏電阻器，通過噴墨印刷的方法淀積在聚酰亞胺薄膜上，制成了一種可測(cè)量人體表溫度的柔性溫度傳感器[7]。

Karimov K S等人制作了一種基于碳納米管的柔性溫度傳感器[8]，其將碳納米管淀積在一種具有粘性的聚合物膠帶上，并將其封裝形成管狀。多壁碳納米管的直徑在10～30 nm之間，淀積的碳納米管層的厚度在300～430 μm之間，內(nèi)部電極的距離(即兩個(gè)電極的間距)和其表面的寬度分別在4～6 mm和3～4 mm之間。通過試驗(yàn)得出這種傳感器的電阻—溫度關(guān)系：當(dāng)溫度從20 ℃升到70 ℃時(shí)，傳感器直流電阻值20 ℃時(shí)為70 ℃時(shí)的1.4倍。該研究團(tuán)隊(duì)還制作了基于碳納米管薄膜的溫度傳感器[9]，傳感器的電阻值隨溫度的上升而下降，將這種溫度傳感器粘于紙板基底上，性能表現(xiàn)良好。

2.2 仿生皮膚溫度傳感器

一些適用于電子皮膚(E-skin)和電子穿戴產(chǎn)品，具有良好的柔韌性、延展性的基底材料也是最近幾年研究比較感興趣的課題。郭小輝等人為實(shí)現(xiàn)電子仿生皮膚的模塊化設(shè)計(jì)，以聚酰亞胺為柔性基底，將石墨烯納米片薄膜溫度傳感單元和電容式壓力傳感單元交錯(cuò)設(shè)計(jì)成正六邊形模塊化陣列結(jié)構(gòu)，每個(gè)正六邊形觸覺模塊的周邊均預(yù)留擴(kuò)展接口，可以靈活地拼接成不同大小與形狀的人工皮膚，實(shí)現(xiàn)可穿戴、大面積復(fù)合觸覺感知功能[10]。黃英等人報(bào)道了一種應(yīng)用于智能機(jī)器人皮膚對(duì)三維力和溫度檢測(cè)的柔性多功能觸覺傳感器，其基于碳黑—硅橡膠顯著的壓阻效應(yīng)設(shè)計(jì)了四電極對(duì)稱結(jié)構(gòu)的三維力傳感器[11]。

Lee Gwo Bin等人報(bào)道了一種制作柔性皮膚溫度傳感器陣列的新方法[12]，用鉑(Pt)做傳感材料，聚亞胺做基底材料，利用MEMS技術(shù)，將鉑電阻層夾在兩層聚亞胺中間做成三明治結(jié)構(gòu)。這種柔性皮膚溫度傳感器陣列具有很高的機(jī)械柔韌性，并且很容易鑲嵌在彎曲度很大的表面，探測(cè)極小區(qū)域溫度分布。日本制造出以聚亞酰胺做基底的壓力和溫度傳感器，這種傳感器一致性、柔韌性好，并且傳感網(wǎng)格分布區(qū)域大[13]。通過將壓力網(wǎng)狀傳感器和溫度傳感器壓合在一起，實(shí)現(xiàn)了溫度和壓力同時(shí)獲取的功能，將來可能集成于含有多種功能傳感器的電子皮膚中。

2.3 應(yīng)用在航天領(lǐng)域的柔性溫度傳感器

隨著航天技術(shù)的發(fā)展,飛行器的速度越來越快,其外形和結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。在測(cè)量表面熱流率時(shí),受限于傳感器的尺寸無法使被測(cè)點(diǎn)的間距更小,并且由于薄膜電阻溫度傳感器的基底材料為玻璃和陶瓷等固體材料,傳感器的測(cè)量端面與模型表面重合得相對(duì)不好,造成測(cè)量結(jié)果不夠精確。如果傳感器具有柔性基底,在一定程度上可以解決復(fù)雜形面模型表面熱流率測(cè)量的問題,不僅可以使傳感器的安裝更加方便,測(cè)量端面和模型表面重合更好,而且還可以增加被測(cè)點(diǎn)的密度,更加清晰地獲得模型表面關(guān)鍵區(qū)域的熱流分布情況。為此，中科院力學(xué)所徐多等人用聚酰亞胺做基底材料，制造了一種在平板表面測(cè)試瞬態(tài)熱流率的溫度傳感器[14]。

北京航空航天大學(xué)的夏怡等人，選用適于做成貼合復(fù)雜表面的大面積傳感檢測(cè)陣列的薄膜鉑電阻作為前端敏感元件，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種與之相匹配的基于高速柔性薄膜電子的CMOS溫度傳感器，該溫度傳感器能夠完成測(cè)溫功能且線性度良好，可測(cè)量-50～90 ℃范圍內(nèi)的溫度，靈敏度為4.8 mV/℃，精度為0.12 %，在電源電壓為1.8 V時(shí)功耗為2.04 mW[15]。

2.4 基于微制造技術(shù)的柔性溫度傳感器陣列

國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)研制的柔性溫度傳感器陣列的溫度熱敏材料采用在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中填充石墨粉作導(dǎo)電材料，并用聚酰亞胺作基底。利用微制造技術(shù)制成的溫度傳感器陣列在4 cm×4 cm上有64個(gè)傳感單元。這種傳感器與其他用碳填充作導(dǎo)電材料的傳感器相比，具有更高的溫度敏感性和穩(wěn)定性[16]。上海交通大學(xué)的王文君等人設(shè)計(jì)了一種基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)制造技術(shù)，制備在柔性聚酰亞胺基底上的雙熱線結(jié)構(gòu)微型熱剪切應(yīng)力傳感器陣列，可用于復(fù)雜形狀物體表面所受剪切應(yīng)力的矢量化測(cè)量[17]。上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所肖素艷等人針對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域中的非平面物體多維溫度場(chǎng)分布的實(shí)時(shí)檢測(cè)需要,提出了一種利用液態(tài)旋涂聚酰亞胺柔性基底的方法，成功研制出8×8陣列鉑薄膜熱敏電阻溫度傳感器[18]。

西北工業(yè)大學(xué)的徐延光等人借助MEMS工藝研發(fā)了一種聚酰亞胺基底的Ni薄膜熱敏傳感器陣列，該方法利用Ni材料高電阻溫度系數(shù)及聚酰亞胺柔性的特點(diǎn),提高了傳感器的靈敏度,并使陣列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了全柔性化，可貼附于各種非平面的幾何體表面進(jìn)行分布測(cè)量，由于聚酰亞胺基底的熱絕緣性良好,傳感器獲得了較快的熱響應(yīng)速度[19]。

2.5 電阻型溫度探測(cè)器

電阻型溫度探測(cè)器(RTD)體積小，精度高，響應(yīng)時(shí)間短，制造簡(jiǎn)單且可批量制造，測(cè)溫能力較傳統(tǒng)的熱電偶更有效[20[21]。華東師范大學(xué)的徐驍雯等人采用噴墨打印技術(shù)，在柔性聚酰亞胺襯底上成功制備了銀溫度傳感器，設(shè)計(jì)得到的這種銀電阻型溫度探測(cè)器可被廣泛應(yīng)用于柔性電子的原位溫度探測(cè)中[22]。

3 結(jié)束語

國(guó)內(nèi)外針對(duì)柔性電子材料制備、柔性電子器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用等方面已開展了大量的基礎(chǔ)研究工作，柔性電子與傳統(tǒng)電子技術(shù)最根本的區(qū)別在于以柔性基板代替剛性基板,隨著柔性微型電路需求增加，人們更多關(guān)注可運(yùn)用于可穿戴系統(tǒng)、環(huán)境、健康等領(lǐng)域的智能器件，需滿足低功耗、低成本、柔性可彎曲等要求。由此可見，柔性溫度傳感器在機(jī)器人傳感系統(tǒng)、可折疊電子器件、生物技術(shù)、航空動(dòng)力學(xué)等特殊應(yīng)用場(chǎng)合中有重要應(yīng)用前景。

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Researchprogressofflexibletemperaturesensor

PAN Xiao-shan1， FAN Wei2， ZHOU Zi-guan3， HE Miao4

(1.InstituteofMicroelectronics，ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China;2.ElectricPowerResearchInstitute,StateGridLiaoningElectricPowerCompany,Shenyang110006,China;3.BeijingStateGridElectricPowerTechnologyCoLtd,Beijing100176,China;4.MaintenanceCompany,StateGridShaanxiElectricPowerCompany,Xi’an710000,China)

By contrast domestic and international study situations,the commonly used flexible substrates at present is briefly introduced,and the flexible temperature sensor is introduced from materials and structures,combining ways of sensors and flexible substrate materials and application status are introduced.Future development trend of flexible temperature sensor is prospected.

flexible substrate; sensor; temperature sensor

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0001—03

2017—08—29

TP 212.9

A

1000—9787(2017)10—0001—03

潘小山(1988-)，女，通訊作者,碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ξ锫?lián)網(wǎng)，E—mail:panxiaoshan@ime.ac.cn。