轉自微信公眾號：柔性電子服務平台
作者：Lynn
電子皮膚技術應用於可連接皮膚的設備、機器人和假肢，觸覺感知是至關重要的。觸覺感知包括對各種刺激的檢測，如壓力、應變、溫度、剪切、彎曲、振動和滑動。對於可穿戴設備，觸覺傳感器，也叫電子皮膚物理傳感器，可用於檢測生命體徵(血壓、呼吸頻率等)，以及監測身體活動和位置(即本體感覺)。可以提供有用的信息，如健身、姿勢、步態異常或四肢突然顫抖。就機器人和假肢而言，觸覺傳感器將使機器人或截肢者能夠探測其物理環境，從而完成處理和操縱日常物品以及與他人互動等任務。對於機器人來說，本體感覺(對身體位置感知或運動感知)是機器人正常運行的重要特徵。特別是對於軟機器人，由於它們的形狀在外力作用下容易變形，因此監測本體感受尤其具有挑戰性。此外，由於軟機器人一般使用彈性體，往往具有非線性、滯後和粘彈性的特性，使得本體感覺的監測更加困難。
目前一些可拉伸的導體、半導體材料與器件，以及自癒合材料和生物相容材料已廣泛應用於電子皮膚物理傳感平台，包括應變和溫度傳感器、電子晶須和可穿戴設備。對於電子皮膚的有源矩陣背板，使用對齊的納米線陣列或SWCNT網絡薄膜的基於納米材料的電晶體陣列已經被用於切換功能，以選擇每個像素進行觸覺壓力讀數。圖1a顯示了一個基於對齊的Ge/Si核/殼納米線陣列電晶體的電子皮膚，其中納米線陣列用作電晶體通道。該電晶體表現出一個相對較高的場效應遷移率為20 cm2 v-1s-1，開關比約為100。重要的是，即使在2.5mm彎曲半徑和>2000次彎曲循環下，電晶體的機械性能也很穩定。將納米線電晶體陣列(18X19像素)集成到有源矩陣和導電壓敏橡膠(PSR)(圖1c)中，可以實現類似於人類皮膚的觸覺壓力映射(圖1d)。雖然導電型PSR用於此應用，其他類型的PSR使用電容變化或壓電檢測的機制也可以應用於電子皮膚。
除了傳感之外，用戶交互功能對未來的電子皮膚也極具吸引力。觸感壓力敏感的電子皮膚和有機發光二極體(OLEDs)可以集成為瞬時壓力可視化(圖1e)。由場效應遷移率為20 cm2 V -1
s-1的SWCNT網絡薄膜電晶體組成的有源矩陣電路用於讀取每個像素上的觸覺壓力(圖1g,h)。有機發光二極體的發射峰值波長可以通過改變有機發射材料來調節。設備配置為16X16像素，每個像素有一個SWCNT電晶體、一個PSR和一個OLED。如圖1j,k所示，當足夠的觸覺壓力作用在像素上時，由於PSR的電導率變化和OLED中相應的電流變化，OLED就會發光。
以上介紹的電子皮膚器件通常採用標準光刻和真空沉積技術製造。在實際應用中，包括電子皮膚在內的宏觀尺度柔性電子產品，應經濟地大規模製備。在這方面，諸如絲網印刷和凹印等印刷技術對未來的柔性電子產品有著巨大的前景。採用凹印輥到板的方法，在PET薄膜上實現了基於CNT的20X20陣列有源矩陣背板與觸覺壓力傳感器的集成。電晶體的單位寬度電流為4±2μA /mm，log(Ion/Ioff)為4±0.4，以及場效應遷移率為 0.8±0.3 cm2 V-1 s-1。這種列印技術對於展示面向柔性和可穿戴傳感的宏觀電子皮膚至關重要。
圖2a- c為印刷應變傳感器，即電子晶須(e-whiskers, e-whiskers)，是用碳納米管糊和AgNP油墨在聚二甲基矽氧烷(PDMS)薄膜上混合而成。應變感知機制監視AgNPs之間的隧道電流，如圖2c所示。當薄膜變形時，由於PDMS薄膜頂部表面的拉伸應變，使得AgNPs之間的距離增大，從而導致隧穿電流降低。氮氣(N2)氣體流動引起的拉伸(壓縮)應變下，當電阻率變化靈敏度為8%時，應變傳感膜的電阻增大(減小)(圖2d)。接下來，七個電子晶須被連接到一個帶有印刷銀互連電極的半球形PDMS物體上(圖2e)。在一側N2氣體流動的情況下，e晶須陣列可以成功地監測氣體的流動分布(圖2f)。需要指出的是，使用碳納米材料(碳納米管、石墨烯等)來演示高度敏感的應變或觸覺傳感器有不同的方法，這些材料由網絡或泡沫形狀等設備結構排列。這種列印的傳感器可以作為可穿戴醫療補丁。圖2g顯示了列印的柔性應變傳感器(作為一個三軸加速器)，與心電圖(ECG)、皮膚溫度和紫外線傳感器一起列印在PET薄膜上。這裡的心電圖傳感器是由絲網印刷的Ag電極製成的。該溫度傳感器由碳納米管和PEDOT:PSS組成。紫外傳感器由ZnO納米棒網絡薄膜製成。將可穿戴設備安裝在皮膚上，可以同時監測紫外線強度、皮膚溫度、心電信號和人類活動(圖2h)。
液體金屬基傳感器是一種新型的壓力應變傳感器，如圖3所示。研製了一種基於鎵銦錫合金填充微流體通道的柔性觸覺膜片壓力傳感器。膜片壓力傳感器的設計利用惠斯通電橋電路來測量施加的壓力引起的微小電阻變化。該裝置的超低檢測限低於100Pa，能夠檢測到低於50Pa的壓力變化(圖3b)。此外，安裝在膜片壓力傳感器上的惠斯通電橋還提供了20- 50 ℃工作範圍內的溫度自補償，考慮到溫度對電阻式壓力傳感器的性能有很大的影響，這對於實際使用是至關重要的。這種壓力傳感器在可穿戴式傳感方面的應用通過PDMS腕帶實時心率監測和PDMS手套的觸覺傳感進行了演示。為了實現液態器件和系統，受控異質結需要不同的液態元件(圖3c)，類似於傳統固態器件中的金屬半導體或半導體結。在液-液異質結中，防止液體異質介面的擊穿至關重要。基於這些考慮，開發了一個使用具有高度魯棒的液相異質結的鎵銦錫合金的溫度和濕度傳感系統(圖3d)。利用這種液相異質結和離子液體作為主動傳感元件，大大擴展了液相傳感器的種類。將柔性光刻等二維(2D)製作方法添加到使用液態金屬的三維(3D)列印方法中，實現了面向物理傳感的良好的系統級製作方法(圖3e)。將液態金屬用作電極的優點之一是，在固態電子元件(如集成電路、電阻和電容器)中，電極與電子元件之間的穩定接觸可以很容易地在三維空間中製造電氣互連。在液態金屬互連方面，只要優化電極微通道的電路設計，只需注入液態金屬。圖3f展示了一種基於3D嵌入式液態金屬微通道的單片印刷智能手套，該手套帶有電阻加熱器和可埋入式核心體溫傳感器。
參考文獻：
Wei Gao, Hiroki Ota, Daisuke Kiriya,Kuniharu Takei, and Ali Javey. Flexible Electronics toward Wearable Sensing.Acc. Chem. Res. 2019, 52, 523−533.
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