柔性電子應(yīng)變傳感器的研究與應(yīng)用

竇建淇

（山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000）

1 可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器存在的問題

雖然當(dāng)前的可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)與研究技術(shù)得到了顯著的發(fā)展，但是其中依然存在有個(gè)別問題亟待商榷與研究。其中，主要問題有以下幾點(diǎn)：如何對(duì)可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的應(yīng)用材料進(jìn)行合理選擇；如何對(duì)壓阻效應(yīng)做深入的分析與研究；如何針對(duì)光學(xué)效應(yīng)設(shè)計(jì)可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器；如何結(jié)合其他影響因素和效應(yīng)對(duì)可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化；如何通過對(duì)器件集成系統(tǒng)的輸出情況分析與判斷實(shí)現(xiàn)對(duì)可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的綜合性設(shè)計(jì)和開發(fā)。

2 各類材料的選擇與應(yīng)用

相比較傳統(tǒng)模式下的半導(dǎo)體電子應(yīng)變傳感器的材料應(yīng)用來分析，可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器材料應(yīng)用的需求更加嚴(yán)格，且對(duì)于應(yīng)用材料的柔韌性和拉伸性也提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。在此，若想實(shí)現(xiàn)對(duì)可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的有效設(shè)計(jì)，首先要從可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的材料應(yīng)用方面入手，選擇合適的材料，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件的滿足和保障[1]。

例如：在對(duì)材料進(jìn)行選擇的時(shí)候，首先要對(duì)基底材料做有效分析。在基底材料的應(yīng)用中，務(wù)必要保證材料具有高度的變形性能和可塑性能。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)模式下的半導(dǎo)體電子應(yīng)變傳感器中，基底材料大多為氧化硅材料，因此其可塑性較差。所以，在對(duì)可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器進(jìn)行全新設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以選擇可塑性更好的相交材料和高韌性硅膠材料。這樣，能夠改變傳統(tǒng)模式下半導(dǎo)體電子應(yīng)變傳感器的粗糙感，且能夠提升可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的穿戴效果。其次需要對(duì)介電材料進(jìn)行合理的選擇。在此，可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器務(wù)必要與傳統(tǒng)模式下的半導(dǎo)體電子應(yīng)變傳感器做區(qū)分，盡可能地采用現(xiàn)代晶體管和電容式觸覺傳感器對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣，能夠在后續(xù)的傳感器應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對(duì)介電常數(shù)的有效控制，且能夠穩(wěn)定電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流密度的合理控制和放電速度的有效保證。

3 壓阻效應(yīng)的研究與分析

在可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器中，需要對(duì)壓阻效應(yīng)做重點(diǎn)分析與研究，同時(shí)需要對(duì)壓阻效傳感器進(jìn)行外部刺激，以此起到壓阻傳感器相關(guān)器件之間的電阻值轉(zhuǎn)化效應(yīng)以及電阻值電信號(hào)的輸出效應(yīng)。選擇對(duì)壓阻效應(yīng)的有效分析與研究，主要是因?yàn)閴鹤鑲鞲衅骶邆漭^高的應(yīng)用效能，且結(jié)構(gòu)相對(duì)而言較為簡單，因此在可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的整體設(shè)計(jì)與應(yīng)用中占有較大的優(yōu)勢(shì)。在此，需要針對(duì)壓阻傳感器進(jìn)行集成效能的輸出數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化，以此來完成對(duì)可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的有效設(shè)計(jì)。

例如：在對(duì)可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的壓阻效應(yīng)進(jìn)行研究與分析的過程中，需要針對(duì)以下幾個(gè)因素做關(guān)鍵性的分析和解讀。第一是需要對(duì)敏感元器件的幾何結(jié)構(gòu)變化做有效分析與解讀；第二是需要對(duì)半導(dǎo)體能帶隙的變化狀況做有效的分析與解讀；第三是需要對(duì)敏感元器件幾何結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體能帶隙的變化狀況進(jìn)行材料之間的電阻變化效能設(shè)計(jì)與開發(fā)；第四是需要針對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用對(duì)其中的中粒子間距變化做深入研究和分析。通過對(duì)上述四個(gè)板塊的設(shè)計(jì)，能夠提升壓阻傳感器在可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的應(yīng)用效能與應(yīng)用質(zhì)量，且能夠有效地計(jì)算得出敏感材料的電阻率，以及電阻的具體應(yīng)用數(shù)據(jù)。同時(shí)，還可以結(jié)合電阻率的常數(shù)值對(duì)電阻的變化狀況占來體積的設(shè)計(jì)與研究。基于此，整個(gè)可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的壓阻效應(yīng)靈敏度得到提升和發(fā)展，且能夠?qū)⒅脩?yīng)變系數(shù)有效地表示出來。這對(duì)于可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的不受應(yīng)力材料的初始電阻值設(shè)計(jì)有一定的幫助，同時(shí)對(duì)于受應(yīng)力的材料變量也能起到一定的支撐作用和保障效果。除此之外，在傳統(tǒng)模式下的半導(dǎo)體電子應(yīng)變傳感器中，由于相關(guān)活性材料的應(yīng)用成本和制作成本較低，所以在材料的拉伸變形能力方面只具備極小的空間，但是在應(yīng)用了幾何體變化特征的壓阻傳感器之后，這一數(shù)據(jù)將實(shí)現(xiàn)根本性的變化，且能夠進(jìn)一步提升活性材料的變形空間。在此，可以應(yīng)用的材料有石墨烯材料、碳納米材料、硅材料。

4 光學(xué)效應(yīng)的研究與分析

在可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)光學(xué)效應(yīng)的分析與研究能夠提升相關(guān)器件的觸感輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換能力，且能夠?qū)⒐庾鳛橹饕獞?yīng)用介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)觸感輸入信號(hào)的有效控制和管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)輸出效能的發(fā)揮以及電信號(hào)輸出頻率的有效控制。這對(duì)于可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的應(yīng)用效能提升有著重要的幫助和支撐作用，同時(shí)對(duì)于光學(xué)效能的深入解讀和分析也有著一定的幫助。

例如：在當(dāng)前的大量計(jì)算機(jī)設(shè)備、智能手機(jī)設(shè)備以及平板電腦設(shè)備中，對(duì)于光學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用非常普遍，光壓傳感器對(duì)電子設(shè)備器件的有效控制和管理實(shí)行了對(duì)傳輸介質(zhì)的檢測效能提升，且?guī)?dòng)了電子設(shè)備的敏感度，實(shí)現(xiàn)了電子設(shè)備的柔性提升和光強(qiáng)度與光波長的發(fā)展。在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，若想實(shí)現(xiàn)可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的有效設(shè)計(jì)，務(wù)必要將光壓傳感器融合帶其中進(jìn)行應(yīng)用，通過對(duì)波導(dǎo)管的安裝，實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管的有效工作，同時(shí)還需要對(duì)光電檢測器件做有效設(shè)計(jì)，以此提升器件工作的靈敏度，促進(jìn)器件工作和器件變形的能力。

5 其他效應(yīng)的研究與分析

在可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)中，除了需要對(duì)應(yīng)用材料、壓阻效應(yīng)以及光電效應(yīng)進(jìn)行研究之外，還需要對(duì)其他相關(guān)效應(yīng)展開深入分析和探索。如，設(shè)計(jì)到的重要效應(yīng)有以下幾點(diǎn)：第一是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)基底材料聚二甲基硅氧烷的正確應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)的有效支撐；第二是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)基地設(shè)備聚酰亞胺材料的應(yīng)用，以此提升可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器工作的穩(wěn)定性和可靠性；第三是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)基底材料聚乙烯和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇脂的正確應(yīng)用，以此實(shí)現(xiàn)可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的可塑性和輕便型提升；第四是如何對(duì)活性材料中的碳納米管基活性材料、石墨烯基活性材料和彈性符合結(jié)構(gòu)活性材料做有效應(yīng)用；第五是如何對(duì)電極材料中做有效應(yīng)用并提升可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的穩(wěn)定性；第六是如何對(duì)可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器傳感機(jī)理中的檢測機(jī)理、觸覺機(jī)理、電容效應(yīng)機(jī)理、電壓效應(yīng)機(jī)理等做深入分析與研究。

6 器件集成與輸出的狀況

為了賦予可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器多功能測試的能力，我們?cè)趯?duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究的過程中務(wù)必要對(duì)器件中一些簡單的、獨(dú)立的敏感元件進(jìn)行有機(jī)結(jié)合與搭配，以此來實(shí)現(xiàn)可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的矩陣模式構(gòu)建，這是單一制備對(duì)多種制備的有效保障，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)刺激信號(hào)對(duì)可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器正確響應(yīng)的最佳方法。

例如：我們可將可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器表面用金納米線修飾的棉紙夾在兩片PDMS中間，然后再利用這種夾層結(jié)構(gòu)制備可穿戴的壓力傳感，通過該方法的應(yīng)用能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力和彎曲以及扭轉(zhuǎn)性能的區(qū)別檢測。但是，可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的器件要區(qū)別不同類型和不同部位的輸入信號(hào)仍有較高的難度，因此需要將可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的特別模塊做有效提取，然后針對(duì)不同模塊展開針對(duì)性的數(shù)據(jù)信息分析與研讀，只有這樣才能保證可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器器件的集成能力和輸出能力均衡。

7 結(jié)語

隨著信息化時(shí)代的發(fā)展和社會(huì)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)前社會(huì)對(duì)于可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的應(yīng)用非常普遍，且發(fā)展速度超乎了我們的現(xiàn)象。由于可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器相比較傳統(tǒng)模式下的電子應(yīng)變傳感器具有更多的優(yōu)勢(shì)和更全面的應(yīng)用功能，因此受到了人們的廣泛青睞與認(rèn)可，且由于可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器具備與人體力學(xué)和人體運(yùn)動(dòng)學(xué)相符合的需求，因此可穿戴柔性電子應(yīng)變傳感器的應(yīng)用更加符合人在心理方面和生理方面的現(xiàn)實(shí)需求。