美科学家研制出高灵敏度“电子皮肤”(图)

伤我心太深

　据国外媒体12月16日报道，美研究人员利用碳纳米管溶液成功研制柔软有弹性的“电子皮肤”，该电子皮肤传感器能够感受到触摸的感觉，灵敏度是以前的纳米丝为基础的电子皮肤的三倍。此技术使科学家未来有望制造成本低廉的柔软而有弹性的智能型塑料电子设备。
　　许多行业都希望创造出柔软而有弹性的电子产品，但要制造这类设备，首先要有合适的底板。如果将电子电路压印在柔韧和有弹性的底板上，将彻底改变一些行业，并使“智能设备”无处不在。其中已设想的应用包括，可以检测变质与否的食品包装;可以治疗感染的医用绷带;可以监视表面裂缝和其它结构损坏的涂料;可以像纸一样折叠起来的电子屏;从太阳能到起搏器，到服装，这些智能应用就是所谓的“塑料电子”：柔软而有弹性。合适的底板必须以具有成本效益的方式大规模生产。
　　美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究人员已经开发出一种新的可行性技术，能以较低成本大规模地生产柔性底板。新技术利用半导体浓缩碳纳米管溶液生成了具有优良电属性的薄膜晶体管网。研究人员用浓缩到99%的半导体单壁碳纳米管溶液作底层，再结合一种高弹性的聚酰亚胺聚合物作基底，基底用激光切成边长3.3毫米的六边形蜂窝图案，然后将硅和氧化铝层沉积到基底上，底板就做成了。为了证明他们的碳纳米管底板的效用，研究人员还制造了一个电子皮肤传感器，能够感受到触摸的感觉。
　　加州大学伯克利分校的电气工程和计算机科学系教授阿里·杰维(Ali Javey)说：“我们研制了柔软有弹性的底板，将完全钝化、高度统一的薄膜晶体管阵列，均匀地覆盖在约56平方厘米的底板上。这项技术再与金属喷墨打印相结合，在未来可制造成本低廉的柔韧而有弹性的电子设备。”
　　随着塑料电子产品的需求增加，过去十年中在这方面的研究和发展一直在紧锣密鼓地进行着。出现了单壁碳纳米管，作为塑料电子产品的顶级半导体材料，主要是因为它们具有流动性高的电子，可衡量一个半导体导电的速度有多快。然而，单壁碳纳米管可以采取半导体或金属的形式，一个典型的单壁碳纳米管包括三分之二的半导体和三分之一的金属管。这种混合产生的纳米管网显示比较低的开/关电流比率(on/off ratio )，这成为电子应用领域的重大问题。此项研究报告的首席作者塔卡哈斯(Takahashi) 说：“在电子设备中，要求开/关电流比率越高越好，这样传感器的像素就越清晰。而99%的高纯度提供了高达100的开/关电流比率。”
　　为了研制底板，该研究小组采用了单壁碳纳米管的解决方案。高强度的聚合物具有卓越的柔韧灵活性，激光切割的基板，以及可拉伸的六边形孔蜂窝图案。塔卡哈斯说：“在某种程度上基板可以拉长60%。在未来，伸展性和方向性的程度，应通过改变孔的大小或优化网格设计的可调参数。”由此产生的单壁碳纳米管薄膜晶体管底板被用来创建电子皮肤。电子皮肤由96个传感器像素阵列组成，每个像素由一个单一的薄膜晶体管控制，能感知24平方厘米范围的空间压力分布。该电子皮肤可觉察0—15千帕的压力。
　　塔卡哈斯说：“该电子皮肤的灵敏度比该实验室去年研发的纳米线电子皮肤传感器提高了三倍，这是因为提高了单壁碳纳米管设备的灵敏度，在未来，我们应该能够提高我们的底板技术，通过添加各种传感器或其它功能组件来拓展这种底板的应用，有望研发多功能的人造皮肤。此外，单壁碳纳米管的底板可用于研制柔性显示器。”