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苏州能斯达电子在柔性传感器研发取得重大进展

2019-02-27
       
 
        随着柔性电子学、材料科学及微纳加工技术发展,柔性/可穿戴电子技术近年来成为电子器件研究的重要领域。其中,能够实现对外界信号精确感知的高性能柔性传感器是其中的基础性核心元器件之一。由于具有良好曲面共形特征及轻、柔、韧等特性,柔性传感器在人机交互、智能机器人、人工智能、可穿戴设备、医疗监测及运动健康等战略新兴领域具有广阔的应用前景。目前,科研人员们在柔性电子器件研究中做出了很多创新性的工作,且该领域吸引了越来越多研究者的关注。

        苏州能斯达电子科技有限公司是由中科院苏州纳米所知名海归科学家张珽团队创立的一家国家级高新技术企业,公司致力于柔性压力传感器的研发和产业化,开创了国内柔性智能感知技术和印刷电子的领先品牌。同时作为国内首批创业板上市公司汉威科技集团(股票代码300007)旗下成员企业,公司将柔性感知传感器与智能终端紧密结合,打造柔性传感智能化平台。

        苏州能斯达电子科技有限公司研发生产的柔性压力传感器是基于压阻效应导致电导率信号发生变化的传感器,具有功耗低,压力测试范围广,形态多样,易于读取和简单的器件结构及制造工艺,已经得到批量的生产和应用。通常,压阻传感材料主要集中在具有导电性能的填料,如导电聚合物(CPs),金属颗粒,碳纳米管(CNTs)和还原氧化石墨烯(rGO)加入弹性体〔如聚氨酯(PU)和PDMS〕的复合材料。此外,导电纤维,金属纳米线和薄膜也可以用作压阻传感器的感测材料。但是,大多数使用基于平面结构的复合弹性体的压阻型传感器表现出较差的感测性能,在低压状态下无法感知。因此,深入研究一些新材料作为替代方案,对实现人机交互和电子皮肤的实际应用具有很大希望。
 
        近日,中国科学院苏州纳米所张珽研究员课题组在Accounts of Chemical Research上发表了题为“Materials, Structures, and Functions for Flexible and Stretchable Biomimetic Sensors”的受邀综述文章,从仿生角度阐释了本课题组和相关团队最近几年在柔性传感器领域所涉及的纳米敏感材料、微纳结构及新型智能器件等方面的研究工作,体现了仿生柔性传感器技术是实现“(机器)人-信息-物理系统”高效融合的必备途径(图1),并探讨了该研究领域存在的问题和发展方向。(Acc. Chem. Res. 2019, 52, 288-296,Inside Cover, 第一作者为李铁博士,通讯作者为张珽研究员)


图1、仿生柔性传感器综述发表于Accounts of Chemical Research (2019, 52, 288-296, Inside Cover)
 
        皮肤组织是生物体最大的感知器官,具有力学、温湿度、触觉等多种综合感知能力,作者从最具代表性的柔性仿生传感器-仿生“电子皮肤(Electronic skin)”出发,首先分析指出通过构建具有特殊功能或复合性能的新型敏感材料,能赋予传感器多功能的感知能力。例如,通过吸附水(Bound water)的吸脱附,敏感高分子膜能实现光、湿度双重响应同时通过材料形变来将信号响应“可视化”。另外,在信号响应基础上,通过功能材料能赋予器件特殊性能。例如,利用蚕丝(Silk)等天然物质或可降解材料构筑生物相容或可溶解传感器、利用聚合物氢键作用机理的具有类“皮肤”自修复功能的柔性传感器、基于超疏水能力智能涂层的多功能可拉伸传感器等。另外,为提高柔性传感器的性能及适用范围,作者分析指出可通过设计和构筑多种仿生微纳敏感结构来实现器件的高性能。例如,通过对自然界中动物(蜘蛛等)、植物(荷叶、花瓣等)中仿生微纳结构的复形,构筑了能实现宽的感知范围或选择性方向响应特性的柔性传感器(图2 a-b);基于仿织物条纹微纳结构组装的柔性器件(图2d),能实现对微小压力(0.6 Pa)的快速响应(10 ms);另外,通过对自然界中自不稳定态(Instabilities,如波浪、云层、沙丘等)的模仿,可实现柔性传感器高延展性;例如,采用预应力拉伸方法所组装的具有“wave”结构的一维纤维状/二维平面状柔性器件具备超延展(最大>1000 %拉伸形变)的特性(图2c)。通过柔性器件与异形曲面如人体器官等表界面的紧密贴合,进一步拓宽了柔性传感器件在人体、轻量化装备等方面的应用。


                 图2、(a)基于碳材料裂纹结构具有方向选择性响应柔性传感器;
                           (b)基于荷叶表面微纳结构仿生的宽响应范围柔性传感器;
                (c)具有“wave”结构的一维纤维状超拉伸柔性传感器;
           (d)基于仿织物条纹微纳结构组装的柔性传感器。
 
        生物体尤其是人体的五官(触觉、听觉、嗅觉、视觉及味觉),是实现其对外界信息感知与交互的重要基础性功能。张珽研究团队从生物体感官功能角度出发,构建了多种新型柔性仿生器件的设计构建,如柔性仿生电子皮肤传感器(E-skin)、柔性仿生指纹结构传感器(Electronic Fingerprint)、和柔性仿生电子耳膜(Electronic Eardrum)等(图3),实现了对脉搏、心跳及血管微压的高灵敏检测(图3a),对表面剪切力、织物条纹及盲文字母的精确检测(图3b),以及对宽频振动信号(20-13000 Hz)的高信噪比(∼55 dB)、高稳定响应(150000 cycles)(图3c)。结合课题组研制的气体传感器(嗅觉)及可穿戴汗液传感器(味觉)等其他传感器件,这些器件将赋予仿生机器人等系统具有更加“智能”的类生物器官感知功能。基于上述新型功能柔性传感器件的研制,类皮肤多参数感知特性的多功能柔性传感器系统将逐渐成为现实。


    图3、(a)柔性仿生电子皮肤传感器(“E-skin”);
                             (b)柔性仿生指纹传感器(“Electronic fingerprint”);
                                  (c)柔性振动传感器-“电子耳膜(Electronic eardrum)”
 
         作者从材料设计、系统集成及应用场景的角度浅析了该领域未来发展方向,包括通过将形状记忆合金材料、金属有机框架材料及非传统的分子机器、细胞有机体等引入器件设计之中,开发具有新的仿生物体功能的柔性传感器件;及通过系统设计,构筑低功耗仿生鱼、仿生鸟等智能柔性传感-驱动一体化系统等。希望以上的研究工作和分析将对研制出下一代新型仿生柔性传感器及其智能系统提供一些思路。

         目前苏州能斯达电子研发和生产的柔性压力、温、湿度传感器及智能感知方案已经在压力感知开关、医疗健康领域的呼吸、心率、人体机能恢复的检测终端,智能运动装备、电子货架、机器人及各种智能控制终端等方面取得了广泛的应用。


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