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柔性温度传感器研究进展

   发布时间:2017-11-28   [点击量:718]  


摘要:通过对比国内外研究状况,对现阶段常用的柔性基底作了简单介绍,并从制作材料及结构、传感器与柔性衬底材料的结合方式、应用现状等方面介绍了柔性温度传感器,并对柔性温度传感器今后的发展趋势进行了展望。
  
  关键词: 柔性基底; 传感器; 温度传感器
  
  0 引言
  
  柔性电子产品的发展可追溯到19世纪60年代,第一个柔性太阳能电池阵列便是由薄膜单晶硅制成后再装配在塑性基底上;到 80 年代初期,又出现了柔性钢钎材料和有机聚合物基底材料的太阳能电池。
  
  1968年第一个柔性薄膜晶体管(thin-film transistor,TFT)制作在以纸板为基底的材料上,随后又有人将TFT 制作在聚酯薄膜,聚乙烯和电镀铝箔等柔性基底材料上,在 2006 年研究者又制作出一种带有全彩色和全运动的柔性有机发光二极管( organiclight-emitting diode,OLED),将多晶硅TFT 背面板制作在钢箔薄板上。
  
  柔性温度传感器,即保持原有柔软、易变形等特性,并通过监测温度信号转换为电信号,根据不同的使用环境(如用在医疗健康监测、运动、通信、航空航天、消防等不同领域),将温度传感器与不同的柔性基底材料结合,制作成传感装置。
  
  本文讨论了柔性电子产品的发展和传感技术的特点及应用;论述了柔性基底材料的发展状况以及与温度传感器结合的制作与应用;对柔性温度传感器作了总结与展望。
  
  1 柔性基底材料
  
  柔性基底材料具有可弯曲,形变均匀,有弹性,轻便,不易破坏,可制成卷轴式或大面积制作,满足柔性器件对机械性能的要求,即其具有低弹性模量,在折叠和弯曲的情况下不易发生物理损坏。
  
  应用于柔性电子产品的基底材料主要有3种类型:
  
  1) 金属箔片:厚度低于125μm时是制作发射型或反射型显示器最有吸引力的柔性材料,其不再需要透明的基底材料。
  
  不锈钢薄片耐化学腐蚀性好,耐高温,不易变形,不易氧化,一般较塑性材料和玻璃薄片耐用,但器件上存在其他金属时,必须在表面覆盖一层绝缘材料提供电路保护。
  
  2)玻璃板:厚度在几百微米时通常表现出柔性材料的性质,例如:30 μm 厚的玻璃薄片即具有玻璃的优点,同时亦具有易碎和难以制作的缺点。
  
  3)有机聚合物材料:具有良好的柔韧性且价格便宜,易制成卷状结构,但在热和尺寸方面较有玻璃基底材料的稳定性差并且容易氧化。作为柔性基底的一些聚合物材料包括:聚酰亚胺(polyimide,Kapton),聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK),聚醚砜(polyethersulphone,PES),聚醚酰亚胺(polyetherimide,PEI),聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate,PEN),聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)。
  
  2 柔性温度传感器
  
  2.1 喷墨/ 碳纳米管薄膜温度传感器
  
  由于柔性温度传感器柔韧性好,易于集成于电子产品中,使其越来越受到研究者的青睐,例如用于采集体温参数监视人体状况的温控系统。Dankoco M D 等人用一种以银为主要成分的复合物的热敏电阻器,通过喷墨印刷的方法淀积在聚酰亚胺薄膜上,制成了一种可测量人体表温度的柔性温度传感器。
  
  Karimov K S 等人制作了一种基于碳纳米管的柔性温度传感器,其将碳纳米管淀积在一种具有粘性的聚合物胶带上,并将其封装形成管状。多壁碳纳米管的直径在10~30 nm之间,淀积的碳纳米管层的厚度在300~430μm之间,内部电极的距离(即两个电极的间距)和其表面的宽度分别在4~6mm和3~4 mm 之间。通过试验得出这种传感器的电阻-温度关系:当温度从20℃升到70℃时,传感器直流电阻值20℃时为70℃时的1.4倍。该研究团队还制作了基于碳纳米管薄膜的温度传感器,传感器的电阻值随温度的上升而下降,将这种温度传感器粘于纸板基底上,性能表现良好。
  
  2.2 仿生皮肤温度传感器
  
  一些适用于电子皮肤(E-skin)和电子穿戴产品,具有良好的柔韧性、延展性的基底材料也是最近几年研究比较感兴趣的课题。郭小辉等人为实现电子仿生皮肤的模块化设计,以聚酰亚胺为柔性基底,将石墨烯纳米片薄膜温度传感单元和电容式压力传感单元交错设计成正六边形模块化阵列结构,每个正六边形触觉模块的周边均预留扩展接口,可以灵活地拼接成不同大小与形状的人工皮肤,实现可穿戴、大面积复合触觉感知功能。黄英等人报道了一种应用于智能机器人皮肤对三维力和温度检测的柔性多功能触觉传感器,其基于碳黑-硅橡胶显着的压阻效应设计了四电极对称结构的三维力传感器。
  
  Lee Gwo Bin 等人报道了一种制作柔性皮肤温度传感器阵列的新方法,用铂(Pt) 做传感材料,聚亚胺做基底材料,利用 MEMS 技术,将铂电阻层夹在两层聚亚胺中间做成三明治结构。这种柔性皮肤温度传感器阵列具有很高的机械柔韧性,并且很容易镶嵌在弯曲度很大的表面,探测极小区域温度分布。日本制造出以聚亚酰胺做基底的压力和温度传感器,这种传感器一致性、柔韧性好,并且传感网格分布区域大。通过将压力网状传感器和温度传感器压合在一起,实现了温度和压力同时获取的功能,将来可能集成于含有多种功能传感器的电子皮肤中。
  
  2.3 应用在航天领域的柔性温度
  
  传感器随着航天技术的发展,飞行器的速度越来越快,其外形和结构越来越复杂。在测量表面热流率时,受限于传感器的尺寸无法使被测点的间距更小,并且由于薄膜电阻温度传感器的基底材料为玻璃和陶瓷等固体材料,传感器的测量端面与模型表面重合得相对不好,造成测量结果不够精确。如果传感器具有柔性基底,在一定程度上可以解决复杂形面模型表面热流率测量的问题,不仅可以使传感器的安装更加方便,测量端面和模型表面重合更好,而且还可以增加被测点的密度,更加清晰地获得模型表面关键区域的热流分布情况。为此,中科院力学所徐多等人用聚酰亚胺做基底材料,制造了一种在平板表面测试瞬态热流率的温度传感器。
  
  北京航空航天大学的夏怡等人,选用适于做成贴合复杂表面的大面积传感检测阵列的薄膜铂电阻作为前端敏感元件,设计实现了一种与之相匹配的基于高速柔性薄膜电子的 CMOS 温度传感器,该温度传感器能够完成测温功能且线性度良好,可测量-50~90℃ 范围内的温度,灵敏度为4.8 mV/℃ ,精度为0.12% ,在电源电压为1.8V时功耗为2.04 mW.
  
  2.4 基于微制造技术的柔性温度
  
  传感器阵列国立台湾大学研制的柔性温度传感器阵列的温度热敏材料采用在聚二甲基硅氧烷(PDMS)中填充石墨粉作导电材料,并用聚酰亚胺作基底。利用微制造技术制成的温度传感器阵列在4cm×4cm上有64个传感单元。这种传感器与其他用碳填充作导电材料的传感器相比,具有更高的温度敏感性和稳定性。上海交通大学的王文君等人设计了一种基于微机电系统(MEMS)制造技术,制备在柔性聚酰亚胺基底上的双热线结构微型热剪切应力传感器阵列,可用于复杂形状物体表面所受剪切应力的矢量化测量。上海微系统与信息技术研究所肖素艳等人针对微机电系统领域中的非平面物体多维温度场分布的实时检测需要,提出了一种利用液态旋涂聚酰亚胺柔性基底的方法,成功研制出8×8阵列铂薄膜热敏电阻温度传感器。
  
  西北工业大学的徐延光等人借助 MEMS 工艺研发了一种聚酰亚胺基底的 Ni 薄膜热敏传感器阵列,该方法利用Ni材料高电阻温度系数及聚酰亚胺柔性的特点,提高了传感器的灵敏度,并使阵列结构实现了全柔性化,可贴附于各种非平面的几何体表面进行分布测量,由于聚酰亚胺基底的热绝缘性良好,传感器获得了较快的热响应速度。
  
  2.5 电阻型温度探测器
  
  电阻型温度探测器(RTD)体积小,精度高,响应时间短,制造简单且可批量制造,测温能力较传统的热电偶更有效。台湾元智大学用 MEMS 工艺制作出一种集成在锂离子电池内的柔性电阻型温度探测器用于原位监测电池充电时的温度。华东师范大学的徐骁雯等人采用喷墨打印技术,在柔性聚酰亚胺衬底上成功制备了银温度传感器,设计得到的这种银电阻型温度探测器可被广泛应用于柔性电子的原位温度探测中。
  
  3 结束语
  
  国内外针对柔性电子材料制备、柔性电子器件设计与应用等方面已开展了大量的基础研究工作,柔性电子与传统电子技术最根本的区别在于以柔性基板代替刚性基板,随着柔性微型电路需求增加,人们更多关注可运用于可穿戴系统、环境、健康等领域的智能器件,需满足低功耗、低成本、柔性可弯曲等要求。由此可见,柔性温度传感器在机器人传感系统、可折叠电子器件、生物技术、航空动力学等特殊应用场合中有重要应用前景。

  参考文献:

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  [3]段建瑞,李斌,李帅臻。常用新型柔性传感器的研究进展[J].传感器与微系统,2015,34(11):1-4.
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