人工知能の発展により、環境を知覚し、人間と機械にシームレスに接続されたより柔軟なセンサーをますます実現することが可能になりました。多くのフレキシブルセンサーの中で、最も広く研究されているのは電子スキンです。電子皮膚は、生物学的な皮膚センシング環境を模倣したセンサーアレイ(圧力センサー、温度センサー、湿度センサー、ひずみセンサーなどを含む)です。シンプルな構造で、表皮や機器の表面に取り付けることができます。



生体の皮膚には、さまざまな形状、質感、温度変化、圧力を感知し、これらの複雑な信号を電気信号に変換することができる複数の種類の組織や神経があります。これらの電気信号が中枢神経系によって処理された後、生物は 環境刺激 相互作用。生物学的皮膚の動作原理に基づいて、外部刺激を電気信号に変換するためのさまざまな伝導方法を使用することは、電子皮膚研究の基本的な理論的基礎です。

電子スキンは、一般に、電極、誘電体材料、活物質、およびフレキシブル基板で構成されています。アクティブ機能層は、環境刺激を検出可能な点信号に変換します。誘電体材料は通常、電気信号を送受信するための活性機能層の両側の電極層として使用され、柔軟な基板は、生物学的な皮膚を確保しながら電子皮膚を運ぶ役割を果たします。または、他の材料の互換性。



電子スキンの原理は複雑ではありませんが、外部コンポーネントとしての電子スキンは損傷しやすく、頻繁な変形特性の影響を受けるため、電子スキンは材料選択において大きな課題に直面しています。柔軟な基板と活物質は、電子皮膚の開発と選択に不可欠です。
 
フレキシブル基板
従来のセンサーは通常、無機シリコンをベースにしています。フレキシブルセンサーに使用されるフレキシブル基板は、無機シリコン基板の絶縁性に加えて、透明で柔らかく、美的で複雑な機械的変形を実現する必要があります。既存のフレキシブル基板には、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリイミド(PI)、ポリエチレン(PE)、ポリウレタン(PU)などがあります。電子スキンは、基板としてPDMSとPIを採用しています。これは、PDMSが柔軟性と柔軟性に優れており、PDMSが電子材料との接着性に優れているためです。PDMSは、構造要件を満たすために特定の幾何学的形状に準備できます。PIは断熱性と化学的安定性に優れているだけでなく、強力な曲げ特性を持ち、大きなストレス条件下でも物理的な損傷がないため、PIは電子皮膚に広く使用されています。




アクティブ機能レイヤー
活性機能層は、電子皮膚の最も重要なコンポーネントです。温度、湿度、圧力などの環境刺激を電気信号で定量的に表現し、電子皮膚に環境を知覚する能力を与えます。高精度のフレキシブルセンサーの中には、人間の皮膚よりもさらに感度が高く、わずかな空気の変動と呼吸による心拍の振動を区別できるものがあります。



電子皮膚機能層の研究では、圧力機能層で最も広く研究されている触覚クラスは、圧力電子皮膚または触覚電子皮膚と呼ばれます。機能層の原理により、圧力電子スキンはピエゾ抵抗型、圧力容量型、圧電型、摩擦電型に分けられます。


ピエゾ抵抗タイプ: 外力は抵抗の変化(印加圧力の平方根に比例)に変換されるため、電気試験システムを使用して外力の変化を間接的に検出することが容易になります。導電性材料間の導電経路の変化は、ピエゾ抵抗センシング信号を得るための一般的なメカニズムです。これらのセンサーは、シンプルなデバイスと信号読み出しメカニズムにより広く使用されています。
圧力容量性タイプ:静電容量は、平行なプレート間で電荷を保持する能力を測定する物理量です。従来の静電容量センサーは、対向する領域sと平行なプレート間隔dを変化させることにより、圧力、せん断力などのさまざまな力を検出します。圧力容量の主な利点は、力に敏感であり、小さな静的力を検出するために低い静的エネルギーを達成できることです。

圧電タイプ: 圧電材料は、機械的な圧力で電荷を生成できる特殊な材料です。この圧電特性は、存在する電気双極子モーメントによって引き起こされます。電気双極子モーメントは、配向性非中心対称結晶構造、または電荷が細孔内に持続する多孔質エレクトレットの変形によって得られます。圧電係数は、圧電材料のエネルギー変換効率を測定する物理量です。圧電係数が高いほど、エネルギー変換の効率が高くなります。高感度、高速応答、高電圧の電気圧電材料は、圧力を電気信号に変換するセンサーに広く使用されています。

カーボンナノチューブ(CNT)とグラフェンは、優れた機械的特性と化学的安定性を備えています。また、電子輸送能力も非常に高く、電子移動度は10,000cm2に達します V-1S-1~20000 cm2 V-1S-1 優れたピエゾ抵抗および圧電特性を持ち、ピエゾ抵抗および圧電活性機能層の優れた材料です。単純なシリコン(Si)、酸化亜鉛(ZnO)、ガリウムヒ素(GaAs)、およびセレン化カドミウム(CdSe)は、エラストマー(PDMS、スポンジ)で使用できる場合、大面積のフレキシブル電子電子スキンでの使用が困難です。、多孔質材料)有機物配合は、それを効率的な活物質にすることです。



概要
材料科学、フレキシブルエレクトロニクス、ナノテクノロジーの急速な発展に伴い、電子皮膚の感度、範囲、サイズ、空間分解能の基本性能は、人間の皮膚を超えて急速に向上しています。同時に、力、熱、湿度、ガス、生物学、化学、その他の多刺激分解能のセンシング要件に適応するために、デバイスの設計はよりコンパクトになり、統合スキームはより成熟しています。生体適合性、生分解性、自己修復、自己エネルギー、視覚化などの実用的な機能を備えたスマートセンサーデバイスも登場しています。さらに、電子スキンも統合に向かっており、つまり、タッチセンサーは、特定のアプリケーションに関連する機能コンポーネント(電源、無線トランシーバーモジュール、信号処理、アクチュエータなど)と効果的に統合され、優れた柔軟性、スペース適応性、機能的なウェアラブルプラットフォームを生み出します。これらの課題に対処することは、新たな機会をもたらし、関連する材料調製、デバイス処理、およびシステム統合の将来の方向性を示しています。電子皮膚がより柔軟で、より薄く、インテリジェントで、多機能で、人間化されることは間違いありません。