基于柔性电感的风速传感器的研究文献综述

文献综述（或调研报告）：

今年年初，三星和华为相继推出折叠屏手机，加之近几年可穿戴设备的兴起，柔性电子技术得到了全世界的关注，它很有可能带来一场新的电子技术革命。美国《科学》杂志曾将有机电子技术进展列为2000年后的世界十大科技成果之一，许多国家和组织投入巨大的精力和财力制定了针对柔性电子的研究计划，如美国的FDCASU计划、日本的TRADIM计划、欧盟的PolyApply和SHIFT计划等^[1]。柔性电子同样引起了我国的高度关注与重视，国内各大高校和研究机构在柔性电子有机材料制备、平板显示技术、半导体器件和微图案加工、有机电子器件设计与应用等方面开展了大量的基础研究工作，并取得了一定的进展。

柔性电子器件相对于传统的硬质电子器件具有以下独特的优势：结构轻薄，可弯曲变形，并可附着到任意的弯曲表面上，例如，柔性导电织物键盘、柔性压力监测鞋垫、笔状可卷曲显示器等^[2,3]。随着生活水平的提高，人们对于健康生活的需求与日俱增，由此许多柔性可穿戴医疗器件应运而生，比如人体皮肤、可穿戴心脏除颤器、可穿戴心电呼吸传感器等，并且性能上相对于传统的器件有显著的优势^[4]。此外, 柔性电子器件在运动健身、生物医学，图像传感等领域也展示出了巨大的应用前景；其机械稳定性高，受到外界冲击时受到影响更小，因此可应用于汽车电子领域以及航空航天领域，在汽车和航空航天设备遇到突发情况时保证稳定工作，确保乘客以及设备的安全^[5]；可根据需要进行弯曲和折叠，易于保存及运输；具有更轻的重量以及低廉的生产成本，因此可以大大降低柔性电子器件的制造成本，进一步促进产业的快速发展。这些独特的优势决定了柔性电子器件具有广阔的发展前景，并使柔性电子学成为一门综合电子、材料、机械、力学以及生物医学等多领域的新型交叉学科^[6]。

目前，柔性电子器件主要有两种制作方式。

一种是通过研究各种新型材料，再基于传统器件结构制造出柔性电子器件^[7]。例如，碳纳米管不仅具有良好的电气性能，还具有良好的机械柔韧性和光学性能，可以用碳纳米管代替单晶硅；此外，石墨烯也是柔性显示的基础材料，中科院重庆绿色智能技术研究院的研究人员研究出了具有超强透光性和柔性的单层石墨烯产品。由于现阶段研究相对比较成熟的柔性材料的电子迁移率都很低，因此柔性电子材料现阶段主要应用在低速的柔性显示上。目前主要的柔性显示材料大致可分为三种：电子纸（或柔性电泳显示）、柔性OLED和柔性液晶等。电子纸主要有E-ink的电子墨水，柔性OLED主要有三星电子的柔性有机EL面板与清华大学和北京维信诺公司合作推出的全彩色OLED显示屏，而柔性液晶主要有韩国汉阳大学的柔性LCD等^[8]。

另一种制作方式是在已有的非柔性材料上引入柔性结构来制造柔性器件^[9]。最常见的是在柔性衬底上制作电路以达到柔性目的，主要采用丝网印刷方法。丝网印刷是指印刷时通过刮胶挤压，使油墨通过图案化的网孔转移到承印物上，形成与丝网上一样图案的一种印刷方法^[10]。丝网印刷最早起源于中国，距今已经有两千多年的历史，因具有操作简单、成本低、环境污染小、容易图案化等优点，而被广泛应用于印刷纺织品、广告、日历等的商业生产。近年来随着印刷电子快速发展，丝网印刷在光电器件的印刷中得到了越来越多的应用，主要体现在印刷太阳能电池、有机发光二极管、有机场效应晶体管、无线射频标签、电化学器件等方面^［11］。丝网印刷按照印刷方式的不同，主要可分为平面平压法、平面圆压法、圆面圆压法三种^［12］。平面平压法所使用的平台和承印物材料均处于平面，印刷时平台、承印材料和丝网均被固定，用刮胶使油墨通过图案化的网孔而印到承印物材料上；平面圆压法只有刮胶是固定的，丝网在水平方向上移动，通过转动滚筒将油墨转移到承印材料上去；而圆面圆压法丝网被固定在滚筒上，承印材料处于水平面，带有丝网的滚筒和承印材料一起移动，就可以将油墨印到承印材料上去。

丝网印刷作为一种发展最为成熟的印刷方法，在柔性电子器件的制备中已经得到了广泛应用。关于丝网印刷制备高性能柔性器件，我们主要面临三个问题：有机小分子溶液由于黏度低，很难通过丝网印刷印出比较好的图案；由于网孔大小和线宽的限制，很难印刷出像喷墨打印那样得到的比较清晰的小图案；目前用丝网印刷制备的器件阵列尺寸普遍较小，而印刷大尺寸的器件阵列难度较大。考虑到本课题对于印制图案的形状和精度要求一般，丝网印刷可以满足实验要求，故采取丝网印刷在柔性PET衬底上印制螺旋电感。

到目前为止，人们基于微机电系统（MEMS）技术已经研究了多种风速传感器。1974年，A.F.P.Van等人提出了一种基于热原理的风速传感器^[13,14]。后续人们在此基础上进行了许多研究，旨在通过各种方法降低功耗，提高灵敏度和扩展动态范围^[15-20]。1992年，S.T.Cho等人提出了一种基于压力测量电容变化的微流量传感器^[21] 。2003年，Y.M.Kim等人提出了一种基于压电电阻的风速传感器^[22,23]，风使支架弯曲，改变了压电电阻器的电阻。2007年，Y.K.Tan提出了一种使用PZT压电材料的风速传感器^[24,25]。2018年，Y.Kessler等人报道了一种基于静电检测驱动的双稳态微机械梁的流速测量技术^[26]。