柔性電子應變傳感器的研究與應用

竇建淇

（山東大學機械工程學院，山東 濟南 250000）

1 可穿戴柔性電子應變傳感器存在的問題

雖然當前的可穿戴柔性電子應變傳感器設計與研究技術得到了顯著的發(fā)展，但是其中依然存在有個別問題亟待商榷與研究。其中，主要問題有以下幾點：如何對可穿戴柔性電子應變傳感器的應用材料進行合理選擇；如何對壓阻效應做深入的分析與研究；如何針對光學效應設計可穿戴柔性電子應變傳感器；如何結(jié)合其他影響因素和效應對可穿戴柔性電子應變傳感器進行系統(tǒng)的優(yōu)化；如何通過對器件集成系統(tǒng)的輸出情況分析與判斷實現(xiàn)對可穿戴柔性電子應變傳感器的綜合性設計和開發(fā)。

2 各類材料的選擇與應用

相比較傳統(tǒng)模式下的半導體電子應變傳感器的材料應用來分析，可穿戴柔性電子應變傳感器材料應用的需求更加嚴格，且對于應用材料的柔韌性和拉伸性也提出了更高的標準。在此，若想實現(xiàn)對可穿戴柔性電子應變傳感器的有效設計，首先要從可穿戴柔性電子應變傳感器的材料應用方面入手，選擇合適的材料，以此實現(xiàn)對可穿戴柔性電子應變傳感器設計基礎條件的滿足和保障[1]。

例如：在對材料進行選擇的時候，首先要對基底材料做有效分析。在基底材料的應用中，務必要保證材料具有高度的變形性能和可塑性能。因為在傳統(tǒng)模式下的半導體電子應變傳感器中，基底材料大多為氧化硅材料，因此其可塑性較差。所以，在對可穿戴柔性電子應變傳感器進行全新設計的時候，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)模式下半導體電子應變傳感器的粗糙感，且能夠提升可穿戴柔性電子應變傳感器的穿戴效果。其次需要對介電材料進行合理的選擇。在此，可穿戴柔性電子應變傳感器務必要與傳統(tǒng)模式下的半導體電子應變傳感器做區(qū)分，盡可能地采用現(xiàn)代晶體管和電容式觸覺傳感器對其進行設計。這樣，能夠在后續(xù)的傳感器應用中實現(xiàn)對介電常數(shù)的有效控制，且能夠穩(wěn)定電流，實現(xiàn)對電流密度的合理控制和放電速度的有效保證。

3 壓阻效應的研究與分析

在可穿戴柔性電子應變傳感器中，需要對壓阻效應做重點分析與研究，同時需要對壓阻效傳感器進行外部刺激，以此起到壓阻傳感器相關器件之間的電阻值轉(zhuǎn)化效應以及電阻值電信號的輸出效應。選擇對壓阻效應的有效分析與研究，主要是因為壓阻傳感器具備較高的應用效能，且結(jié)構(gòu)相對而言較為簡單，因此在可穿戴柔性電子應變傳感器的整體設計與應用中占有較大的優(yōu)勢。在此，需要針對壓阻傳感器進行集成效能的輸出數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化，以此來完成對可穿戴柔性電子應變傳感器的有效設計。

例如：在對可穿戴柔性電子應變傳感器的壓阻效應進行研究與分析的過程中，需要針對以下幾個因素做關鍵性的分析和解讀。第一是需要對敏感元器件的幾何結(jié)構(gòu)變化做有效分析與解讀；第二是需要對半導體能帶隙的變化狀況做有效的分析與解讀；第三是需要對敏感元器件幾何結(jié)構(gòu)和半導體能帶隙的變化狀況進行材料之間的電阻變化效能設計與開發(fā)；第四是需要針對復合材料的應用對其中的中粒子間距變化做深入研究和分析。通過對上述四個板塊的設計，能夠提升壓阻傳感器在可穿戴柔性電子應變傳感器的應用效能與應用質(zhì)量，且能夠有效地計算得出敏感材料的電阻率，以及電阻的具體應用數(shù)據(jù)。同時，還可以結(jié)合電阻率的常數(shù)值對電阻的變化狀況占來體積的設計與研究。基于此，整個可穿戴柔性電子應變傳感器的壓阻效應靈敏度得到提升和發(fā)展，且能夠?qū)⒅脩兿禂?shù)有效地表示出來。這對于可穿戴柔性電子應變傳感器的不受應力材料的初始電阻值設計有一定的幫助，同時對于受應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)模式下的半導體電子應變傳感器中，由于相關活性材料的應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)將實現(xiàn)根本性的變化，且能夠進一步提升活性材料的變形空間。在此，可以應用的材料有石墨烯材料、碳納米材料、硅材料。

4 光學效應的研究與分析

在可穿戴柔性電子應變傳感器的設計過程中，對光學效應的分析與研究能夠提升相關器件的觸感輸入信號轉(zhuǎn)換能力，且能夠?qū)⒐庾鳛橹饕獞媒橘|(zhì)，實現(xiàn)對觸感輸入信號的有效控制和管理，進而實現(xiàn)電信號輸出效能的發(fā)揮以及電信號輸出頻率的有效控制。這對于可穿戴柔性電子應變傳感器的應用效能提升有著重要的幫助和支撐作用，同時對于光學效能的深入解讀和分析也有著一定的幫助。

例如：在當前的大量計算機設備、智能手機設備以及平板電腦設備中，對于光學效應的應用非常普遍，光壓傳感器對電子設備器件的有效控制和管理實行了對傳輸介質(zhì)的檢測效能提升，且?guī)恿穗娮釉O備的敏感度，實現(xiàn)了電子設備的柔性提升和光強度與光波長的發(fā)展。在現(xiàn)實環(huán)境中，若想實現(xiàn)可穿戴柔性電子應變傳感器的有效設計，務必要將光壓傳感器融合帶其中進行應用，通過對波導管的安裝，實現(xiàn)發(fā)光二極管的有效工作，同時還需要對光電檢測器件做有效設計，以此提升器件工作的靈敏度，促進器件工作和器件變形的能力。

5 其他效應的研究與分析

在可穿戴柔性電子應變傳感器的設計中，除了需要對應用材料、壓阻效應以及光電效應進行研究之外，還需要對其他相關效應展開深入分析和探索。如，設計到的重要效應有以下幾點：第一是如何實現(xiàn)對基底材料聚二甲基硅氧烷的正確應用，實現(xiàn)對可穿戴柔性電子應變傳感器設計的有效支撐；第二是如何實現(xiàn)對基地設備聚酰亞胺材料的應用，以此提升可穿戴柔性電子應變傳感器工作的穩(wěn)定性和可靠性；第三是如何實現(xiàn)對基底材料聚乙烯和聚對苯二甲酸乙二醇脂的正確應用，以此實現(xiàn)可穿戴柔性電子應變傳感器的可塑性和輕便型提升；第四是如何對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)活性材料做有效應用；第五是如何對電極材料中做有效應用并提升可穿戴柔性電子應變傳感器的穩(wěn)定性；第六是如何對可穿戴柔性電子應變傳感器傳感機理中的檢測機理、觸覺機理、電容效應機理、電壓效應機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變傳感器多功能測試的能力，我們在對其進行設計與研究的過程中務必要對器件中一些簡單的、獨立的敏感元件進行有機結(jié)合與搭配，以此來實現(xiàn)可穿戴柔性電子應變傳感器的矩陣模式構(gòu)建，這是單一制備對多種制備的有效保障，同時也是實現(xiàn)刺激信號對可穿戴柔性電子應變傳感器正確響應的最佳方法。

例如：我們可將可穿戴柔性電子應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，通過該方法的應用能夠有效實現(xiàn)對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仍有較高的難度，因此需要將可穿戴柔性電子應變傳感器的特別模塊做有效提取，然后針對不同模塊展開針對性的數(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

隨著信息化時代的發(fā)展和社會科學技術的進步，當前社會對于可穿戴柔性電子應變傳感器的應用非常普遍，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變傳感器相比較傳統(tǒng)模式下的電子應變傳感器具有更多的優(yōu)勢和更全面的應用功能，因此受到了人們的廣泛青睞與認可，且由于可穿戴柔性電子應變傳感器具備與人體力學和人體運動學相符合的需求，因此可穿戴柔性電子應變傳感器的應用更加符合人在心理方面和生理方面的現(xiàn)實需求。