電子智能紡織品用柔性器件研究進(jìn)展

1、電子智能紡織品用柔性器件研究進(jìn)展張瑞1、前言1.1 智能紡織品概述 智能紡織品是基于仿生學(xué)概念，能夠模擬生命系統(tǒng)，并且具有對外界刺激感知和反應(yīng)的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)自檢測、自診斷、自調(diào)節(jié)和自修復(fù)等多種特殊功能的一種高科技紡織產(chǎn)品。1.2 工作過程 電子智能紡織品的核心要素是感知、反饋、響應(yīng)，當(dāng)紡織品所處的外界環(huán)境發(fā)生變化時，傳感器及時感知到其變化，并將變化所產(chǎn)生的信號通過信息處理器作出判斷處理，再將處理后的信息傳輸給驅(qū)動部分，最后驅(qū)動部分根據(jù)得到的信息對紡織品材料作出相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化。1.3 技術(shù)構(gòu)成2、柔性器件 柔性電子器件是電子智能紡織品的基本組成，目前對于柔性器件的研究主要，根

2、據(jù)其功能的不同，大致可以分為柔性傳感器、柔性顯示器、柔性鍵盤、柔性電池和其他柔性器件幾大類。2.1 柔性傳感器 應(yīng)力傳感器是柔性電子器件中應(yīng)用最為廣泛的一種柔性傳感器，因其柔軟而具有彈性的特性成為許多柔性電子器件的重要組成部分。其工作原理是通過各種介質(zhì)在受力后物理化學(xué)性能的變化，將所受力的大小轉(zhuǎn)化為電信號，輸入處理器中。用應(yīng)力傳感器做手指彎曲度檢測 侯玉群等人先用液相化學(xué)還原法制備了直徑為80nm，長度為330m的納米銀線。然后以聚二甲基硅氧烷（PDMS）為彈性襯底，采用相紙?jiān)还袒绞綄⒅谱鞒鰪椥噪姌O。最后利用聚二甲基硅氧烷分子之間的范德華力，將兩片電極貼合在一起，電極之間以高分子薄膜作為介

3、電層，制備出新型柔性壓力傳感器。 據(jù)報道該方法制成的應(yīng)力傳感器，傳感靈敏度高達(dá)3.78kPa-1 ，能夠檢測到最低52mg（3.4Pa）的壓力。（a）銀納米線應(yīng)力傳感器概念圖銀納米線應(yīng)力傳感器（b）銀納米線應(yīng)力傳感器實(shí)體圖 Gereon H. Bscher等人研發(fā)了一種觸覺傳感手套。先用氯化鐵溶液蝕刻出手套形狀的外電極層，再將54個壓電生物傳感器嵌進(jìn)電極層中，最后將安有傳感器的電極層織入手套中，制得觸覺傳感手套。（a）手握蘋果（b）檢測到應(yīng)力大小觸覺傳感手套做握持蘋果實(shí)驗(yàn)觸覺傳感手套2.2 柔性顯示器 柔性顯示器主要是應(yīng)用柔性電子技術(shù)，用有機(jī)材料取代以前的無機(jī)材料，將柔性顯示介質(zhì)電子元件與材料

4、安裝在有柔性或可彎曲的基板上，使得顯示器能夠彎曲或卷曲成任意形狀，在厚度上變薄，質(zhì)量上變輕，外觀多變且隨意，真正實(shí)現(xiàn)方便攜帶和柔軟可彎曲等。筆狀可卷曲顯示器 Fern M. Kelly等人先將苯胺單體附著到黏膠或PET非織造布（黏膠或聚丙烯晴）的表面，然后使其固化得到聚苯胺非織造布復(fù)合材料。再將復(fù)合材料夾在上下電極之間形成三明治結(jié)構(gòu)。當(dāng)給電致變色兩端加上3V的電壓時，可以觀察到聚苯胺非織造布復(fù)合材料從綠色到藍(lán)色的可逆的顏色變化。PET/ITO復(fù)合材料導(dǎo)電玻璃聚苯胺-非織造布復(fù)合材料銀或炭黑沉積的PET織物基板柔性有機(jī)電致變色器件 三層復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖2.3 柔性觸控裝置 柔性觸控裝置是一種交互式

5、智能紡織品，它對電子產(chǎn)品在紡織品和服裝中功能的實(shí)現(xiàn)、柔軟化目前傳統(tǒng)的硬接口以及機(jī)器人的傳感等方面的應(yīng)用有著積極的意義。 典型的柔性觸控裝置有織物鍵盤和柔性開關(guān)。 織物鍵盤主要分為三層，上層和下層為核心電路層，上面排列著和鍵盤按鍵順序相同的電極。中間層為絕緣層，留有鏤空的孔眼，孔眼與上下層電極的位置相對應(yīng)，保證在按壓時為上下層提供導(dǎo)電通道，上下電極層都與外接的觸控裝置相連。除了主要的三層結(jié)構(gòu)，還可以在上層電極的外層增加一層有凸起按鍵的覆蓋層，在下層電極的外層增加一層覆蓋層，用來保護(hù)電極?？椢镦I盤織物鍵盤結(jié)構(gòu)圖 王旗等用光固化聚合物材料（NOA），結(jié)合半導(dǎo)體工藝制備得到了硅基脊形波導(dǎo)器件和馬赫-曾

6、德爾（M-Z）型熱光開關(guān)器件。據(jù)報道，在1550nm波長下，硅基脊形波導(dǎo)的插入損耗為8.3dB；M-Z型硅基熱光開關(guān)器件的消光比為11dB，驅(qū)動功率為85mW，開關(guān)上升時間為1.085ms，下降時間為489.5s。柔性開關(guān) 柔性熱光開關(guān)器件實(shí)物圖2.4 柔性電池 柔性電池作為電子產(chǎn)品的儲能器件，是電子智能紡織品的重要組成部分。因?yàn)殡娮又悄芗徔椘窙]有持續(xù)供電電源，所以人們希望攜帶的電池能儲存足夠多的電量，來保證工作的順利完成。當(dāng)前，國內(nèi)外研究人員主要將研究重點(diǎn)放在柔性電池超級電容器的開發(fā)上。 超級電容器主要由正負(fù)電極、隔膜和電解液組成。兩電極之間充滿電解液，而電介質(zhì)被隔膜（一種能阻止電子傳輸?shù)?/p>

7、許離子通過的半透膜）取代。 陳萬軍等人用3D石墨烯制備了如圖13所示柔性超級電容器。首先用化學(xué)氣相沉積（CVD）法生長石墨烯，進(jìn)一步得到3D石墨烯，然后用氣相沉積法在石墨烯的表面沉積MnO2制備柔性的3DG/ MnO2復(fù)合電極。最后，將復(fù)合電極夾于聚合物隔膜兩側(cè)，外圍用PET塑料包裹，制得了對稱超級電容。柔性對稱超級電容器示意圖及光學(xué)照片 Goli Nagaraju等人用電化學(xué)沉積將Co3O4納米片陣列（NPAs）沉積在柔性襯底上，再通過一個簡單的熱處理工藝，制備得到柔性導(dǎo)電織物（FCFs）。據(jù)報道，Co3O4納米片陣列覆蓋的導(dǎo)電織物表現(xiàn)出良好的電容特性，在1A/g的電流密度下，導(dǎo)電織物的比電

8、容最高為145.6F/g；在3A/g的電流密度下，經(jīng)過1000次循環(huán)充放電后，仍具有優(yōu)異的電勢保持能力。Co3O4 NPAs柔性導(dǎo)電織物2.5 其它柔性器件 李冰等人以特殊方法制得的鍍銅層作為輻射層，純棉機(jī)織斜紋織物作為絕緣介質(zhì)層，裁剪成一定規(guī)格的銅箔作為接地層，將三層用粘膠粘結(jié)后，插入SMA接頭并固定，制得柔性微帶天線。據(jù)報道，該方法制得的微帶天線可工作在 2.45GHz 頻率上，并且介質(zhì)層厚度的變化，對微帶天線回波損耗的影響較小。柔性微帶天線組裝示意圖微帶天線3、結(jié)語 集成電路技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及復(fù)合材料研發(fā)技術(shù)的成熟，使作為信息載體的各種微電子器件都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了柔性化，用于電子智能紡織品柔性器件的種類越來越多，穩(wěn)定性也越來越好。相信隨著納米技術(shù)和生物技術(shù)的發(fā)展，柔性器件將逐漸向微小化，可植入的方向發(fā)展，電子智能紡