【“源”察秋毫系列】柔性可穿戴電子設(shè)備材料的導(dǎo)電測試

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、信號采集和處理電路組成。其中最重要的部分就是對柔性壓阻傳感器材料的測試，對于用于制造壓阻式傳感器的材料，需要全面評估其電學、機械、動態(tài)響應(yīng)和環(huán)境穩(wěn)定性等多方面性能指標，以確保材料能夠滿足實際應(yīng)用的需求。

對于柔性材料，其中電學需要測試其導(dǎo)電性能，測試材料的電導(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。

對于柔性設(shè)備，還需要循環(huán)測試材料在不同彎曲程度下的輸出電壓，查看其結(jié)果是否為一個穩(wěn)定值，以此來評價其是否穩(wěn)定。

柔性可穿戴電子設(shè)備的測試方案

吉時利作為小信號領(lǐng)域的測試專家，提供豐富的產(chǎn)品助力柔性可穿戴電子設(shè)備的研究。吉時利靜電計用于精確的高電阻和低電流測量。5位半6514型和6517B型靜電計提供1fA靈敏度、>200TΩ電壓測量輸入阻抗和低至10fC的電荷測量。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)用測試的理想選擇。

雙通道2182A型納米電壓表經(jīng)過優(yōu)化，可進行穩(wěn)定、低噪聲的nA級別電壓測量，并可靠、可重復(fù)地表征低電阻材料和器件。與其他低壓測量解決方案相比，它提供更高的測量速度和明顯更好的噪聲性能。它提供簡化的delta模式，可用于與反向電流源（如6220或6221型）結(jié)合進行電阻測量。

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。低電流源對于從研發(fā)到生產(chǎn)的測試環(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，非常適合霍爾測量、使用增量模式的電阻測量、脈沖測量和差分電導(dǎo)測量等應(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行制造。該研究強調(diào)了壓阻傳感器在監(jiān)測人體運動以預(yù)防和治療傷害方面的重要性。通過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、廣泛的檢測范圍和靈活性，使其適用于監(jiān)測人體關(guān)節(jié)運動。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)學設(shè)備中的應(yīng)用。

在動態(tài)拉伸實驗中，研究人員使用Keithley 2450源表測量了電阻的變化。在準靜態(tài)拉伸實驗中，同樣使用了Keithley 2450源表測量了電信號響應(yīng)。此外，在手指運動監(jiān)測實驗中，研究人員將傳感器條件在3D打印的柔性TPU原型上，并測量了手指彎曲和伸展時的電信號響應(yīng)。

案例二：用于可穿戴、自供電TENG的魚鱗

本案例是一項基于魚鱗的自供電三摩擦納米發(fā)電機（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發(fā)自供電TENG的優(yōu)勢，解決了某些基于聚合物的可穿戴設(shè)備產(chǎn)生的電子垃圾問題。

本案例使用Keithley 6517B靜電計測量了魚鱗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50N恒定壓力下，TENG的輸出電流保持穩(wěn)定，約為0.18μA。這一項測試需要測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卷（R2R）印刷方法，用于在柔性基底（如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、紙和鋁箔）上制造大面積（8cm×14cm）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?；趕c-SWCNT薄膜制造的p型薄膜晶體管（TFTs）具有優(yōu)異的電學性能，包括高載流子遷移率、高開關(guān)比、小遲滯和小亞閾值擺幅，工作電壓低。

本案例通過使用Keithley 2636B和Keithley 4200分析儀在空氣中進行了SWCNT TFT和CMOS反相器的所有電氣測量，偏壓（VDS）為-0.25V（或0.25V），掃描步長為-0.01V（或0.01V）。使用上述儀器來測量制備的SWCNT薄膜晶體管的電學特性，如載流子遷移率、開關(guān)比、遲滯和亞閾值擺幅等，來評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1/10mm-1）下表現(xiàn)出穩(wěn)定的磁阻性能。該傳感器在平坦狀態(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10μA的直流電流，通過兩個電極“I+”和“I-”沿著易軸方向傳遞電流。使用Keithley 2182A則連接到另外兩個電極“U+”和“U-”，用于測量由于外部磁場作用而產(chǎn)生的電壓變化。這樣可以得到AMR比率。

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