【導(dǎo)讀】柔性可穿戴電子設(shè)備主要由柔性壓阻傳感器材料、柔性傳感器框架、電極連接、信號(hào)采集和處理電路組成。 其中最重要的部分就是對(duì)柔性壓阻傳感器材料的測(cè)試，對(duì)于用于制造壓阻式傳感器的材料 , 需要全面評(píng)估其電學(xué)、機(jī)械、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和環(huán)境穩(wěn)定性等多方面性能指標(biāo) , 以確保材料能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。
柔性可穿戴電子設(shè)備主要由柔性壓阻傳感器材料、柔性傳感器框架、電極連接、信號(hào)采集和處理電路組成。 其中最重要的部分就是對(duì)柔性壓阻傳感器材料的測(cè)試，對(duì)于用于制造壓阻式傳感器的材料 , 需要全面評(píng)估其電學(xué)、機(jī)械、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和環(huán)境穩(wěn)定性等多方面性能指標(biāo) , 以確保材料能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。
對(duì)于柔性材料，其中電學(xué)需要測(cè)試其導(dǎo)電性能，測(cè)試材料的電導(dǎo)率和電阻率，和材料中導(dǎo)電填料的分散性和接觸性能，材料的電導(dǎo)率和電阻率決定了傳感器的基本電學(xué)特性, 影響傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度，導(dǎo)電填料的分散性和接觸性能決定了材料的整體導(dǎo)電性能。
對(duì)于柔性設(shè)備，還需要循環(huán)測(cè)試材料在不同彎曲程度下的輸出電壓，查看其結(jié)果是否為一個(gè)穩(wěn)定值，以此來(lái)評(píng)價(jià)其是否穩(wěn)定。
柔性可穿戴電子設(shè)備的測(cè)試方案
吉時(shí)利作為小信號(hào)領(lǐng)域的測(cè)試專家，提供豐富的產(chǎn)品助力柔性可穿戴電子設(shè)備的研究。吉時(shí)利靜電計(jì)用于精確的高電阻和低電流測(cè)量。5位半6514型和6517B型靜電計(jì)提供1fA靈敏度、>200TΩ 電壓測(cè)量輸入阻抗和低至10fC的電荷測(cè)量。其低噪聲和漂移性能使其成為研究柔性材料及其設(shè)備應(yīng)用測(cè)試的理想選擇。
雙通道 2182A 型納米電壓表經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可進(jìn)行穩(wěn)定、低噪聲的nA級(jí)別電壓測(cè)量，并可靠、可重復(fù)地表征低電阻材料和器件。與其他低壓測(cè)量解決方案相比，它提供更高的測(cè)量速度和明顯更好的噪聲性能。它提供簡(jiǎn)化的 delta 模式，可用于與反向電流源（如 6220 或 6221 型）結(jié)合進(jìn)行電阻測(cè)量。
6220型直流電流源和6221型交流直流電流源兼具易用性和極低電流噪聲的特點(diǎn)。低電流源對(duì)于從研發(fā)到生產(chǎn)的測(cè)試環(huán)境中的應(yīng)用至關(guān)重要。 6220 和 6221 型具有高源精度和內(nèi)置控制功能，非常適合霍爾測(cè)量、使用增量模式的電阻測(cè)量、脈沖測(cè)量和差分電導(dǎo)測(cè)量等應(yīng)用。
SMU源表系列從2400到2600系列具有高精度10nV電壓0.1fA電流測(cè)試，具備分析儀、曲線追蹤儀和 I-V系統(tǒng)功能，成本更低。它提供高度靈活的4象限電壓和電流源/載荷，以及精密的電壓和電流儀器。這個(gè)一體化儀器可以用作 : 精密電源，具有電壓和電流回讀功能；真正電流源； 數(shù)字多用表、測(cè)量直流電壓、電流、電阻和功率，分辨率6? 數(shù)位；精密電子載荷；觸發(fā)控制器。
案例一：基于天然橡膠的軟質(zhì)可穿戴壓阻式傳感器采用定制的增材制造工藝
本案例基于天然橡膠制造的軟質(zhì)可穿戴壓阻傳感器 , 采用定制的基于浸漬的增材制造工藝進(jìn)行制造。該研究強(qiáng)調(diào)了壓阻傳感器在監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)以預(yù)防和治療傷害方面的重要性。通過(guò)將天然橡膠與乙炔黑相結(jié)合 , 并利用基于立體光刻的增材制造 , 傳感器能夠成功檢測(cè)到微小應(yīng)變。該研究比較了模具鑄造和增材制造生產(chǎn)的傳感器 , 結(jié)果顯示后者提供了更均勻的導(dǎo)電填料分布。這些傳感器表現(xiàn)出良好的靈敏度、廣泛的檢測(cè)范圍和靈活性 , 使其適用于監(jiān)測(cè)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。使用可再生材料天然橡膠以及增材制造工藝 , 可以拓展軟性柔性電子在生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中的應(yīng)用。
在動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用 Keithley 2450 源表測(cè)量了電阻的變化。在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)中 , 同樣使用了Keithley 2450 源表測(cè)量了電信號(hào)響應(yīng)。 此外 , 在手指運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，研究人員將傳感器條件在 3D 打印的柔性 TPU 原型上，并測(cè)量了手指彎曲和伸展時(shí)的電信號(hào)響應(yīng)。
案例二：用于可穿戴、自供電TENG的魚鱗
本案例是一項(xiàng)基于魚鱗的自供電三摩擦納米發(fā)電機(jī) (TENG) 的研究。魚鱗是一種生物質(zhì)材料 , 具有良好的生物相容性，使 TENG 成為一種靈活、可穿戴和自供電的設(shè)備，在醫(yī)療保健和身體信息監(jiān)測(cè)應(yīng)用中具有巨大潛力。該研究突出了使用天然和可降解材料魚鱗開(kāi)發(fā)自供電 TENG 的優(yōu)勢(shì)，解決了某些基于聚合物的可穿戴設(shè)備產(chǎn)生的電子垃圾問(wèn)題。
本案例使用 Keithley 6517B 靜電計(jì)測(cè)量了魚鱗 TENG 在不同壓力下的輸出電壓特性，以及魚鱗 TENG 在恒定壓力下的輸出電壓和電流穩(wěn)定性，在 50 N 恒定壓力下 ,TENG 的輸出電流保持穩(wěn)定 , 約為 0.18 μA。這一項(xiàng)測(cè)試需要測(cè)試儀器具有很高的電流分辨率以及極低的儀器底噪，才能測(cè)到這極小的穩(wěn)定值。
案例三：用于柔性碳基電子產(chǎn)品的大面積卷對(duì)卷印刷半導(dǎo)體碳納米管薄膜
本案例介紹了一種通用的卷對(duì)卷 (R2R) 印刷方法 , 用于在柔性基底 ( 如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、紙和鋁箔 )上制造大面積 (8 cm × 14 cm) 半導(dǎo)體單壁碳納米管 (sc-SWCNT) 薄膜。采用高濃度的 sc-SWCNT 墨水和交聯(lián)聚 -4-乙烯基酚 (c-PVP) 作為粘附層制備 sc-SWCNT 薄膜?；?sc-SWCNT 薄膜制造的 p 型薄膜晶體管 (TFTs) 具有優(yōu)異的電學(xué)性能 , 包括高載流子遷移率、高開(kāi)關(guān)比、小遲滯和小亞閾值擺幅，工作電壓低。
本案例通過(guò)使用Keithley 2636B和Keithley 4200分析儀在空氣中進(jìn)行了SWCNT TFT和CMOS反相器的所有電氣測(cè)量， 偏壓 (VDS) 為 -0.25 V ( 或 0.25 V), 掃描步長(zhǎng)為-0.01 V ( 或 0.01 V)。使用上述儀器來(lái)測(cè)量制備的SWCNT薄膜晶體管的電學(xué)特性，如載流子遷移率、開(kāi)關(guān)比、遲滯和亞閾值擺幅等，來(lái)評(píng)估材料在柔性電子器件中的應(yīng)用潛力。
案例四：高柔性各向異性磁阻傳感器，用于可穿戴電子產(chǎn)品
本案例介紹了一種用于可穿戴電子設(shè)備的高度柔性各向異性磁阻 (AMR) 傳感器的研究。研究人員在 Kapton 基板上沉積磁性金屬層 , 開(kāi)發(fā)了一種柔性 AMR 傳感器。該傳感器表現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能 , 即使經(jīng)過(guò) 500 次彎曲循環(huán) , 其靈敏度仍保持在 0.25 Oe-1。該傳感器在不同彎曲曲率 ( 從 1/3 到 1/10 mm-1) 下表現(xiàn)出穩(wěn)定的磁阻性能。該傳感器在平坦?fàn)顟B(tài)下具有約 1% 的 AMR 比和 0.25 Oe-1 的靈敏度 , 展示了其在可穿戴電子應(yīng)用中的潛力。
本文使用 Keithley 6221 提供了 10 μA 的直流電流，通過(guò)兩個(gè)電極 'I+' 和 'I-' 沿著易軸方向傳遞電流。使用 Keithley 2182A則連接到另外兩個(gè)電極 'U+' 和 'U-', 用于測(cè)量由于外部磁場(chǎng)作用而產(chǎn)生的電壓變化。這樣可以得到 AMR 比率。
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