柔性压力传感器的原理及应用（上）

传感器作为一种信息检测与传递的装置，能够把被测量的信息按一定规律和方式转换成电信号或其他形式的信号输出，从而实现信息的收集、传输、处理、分析、显示等。压力传感器是将外界的压力信号转换成其他便于检测的物理信号（如电阻、电压、电容等），以测试绝对压力值或压力变化。压力传感器在触觉感知 、指纹识别、医疗监护、人机界面、物联网等领域有着广泛的应用前景。传统压力传感器以金属、半导体、压电晶体等为主，这些材料大多属于刚性材料。虽然采用这些材料制备压力传感器的技术已经十分成熟， 能够精确测量较大范围内的压力值，但是随着科技的发展和人类需求的提高，其缺点也越来越明显，例如器件体积较大、较重，不能承受较大的形变等。这些缺点阻碍了它们在柔性人机交互、便携式检测、智能机器人等场景下的应用。

柔性与刚性是相对的概念。一般来说，柔性材料具有可弯曲、可变形的特点。其中，一些软的柔性材料还具有弹性模量低、可拉伸性好、共形能力良好的特点。在柔性压力传感器的主要性能指标中，除了柔性，之前研究者们普遍关注的是器件的灵敏度、响应速度、检测限、性能稳定性等。但是随着柔性压力传感器研究的深入，压力响应范围、可拉伸性能、压力分辨率和空间分辨率等也成为了近些年来大家评估性能的重要参数。目前，已经有很多综述对柔性压力传感器的原理、种类、制备材料、性能、应用领域等进行了十分详尽和系统的阐述 ，但是在性能方面，大多数研究及综述论文主要关注器件的灵敏度、线性度、响应速度、稳定性、拉伸性能等，而对压力响应范围、压力分辨率和空间分辨率较少提及。在本篇综述中，关于这些新的性能指标的研究将一一呈现。

柔性压力传感器在许多方面有广泛的应用。例如它可以用于可穿戴电子设备中，监测人体的脉搏、心跳等生理信号。同时，它还是机器人具备触觉感知能力的重要元件。在假肢表面贴附柔性压力传感器，有望使肢体残疾人士恢复触觉。还可以把传感器和衣物相结合，既能够实时监测人体的健康和运动信号，又简化了使用过程。本文将从传感原理、传感性能及器件应用几个方面来阐述，并重点关注器件传感性能及其与材料和结构之间的关联。

1 柔性压力传感器的传感机制和常用材料

1.1 电容型压力传感器

电容型压力传感器一般由电极和介电层组成，它属于一种平行板电容器，其电容值 C为

其中，ε0真空介电常数，εr为相对介电常数，A为电极有效面积，d 为极板间距。对于由软材料构成的器件，这3个变化量都容易受到压力的影响，可根据电容信号的改变测得压力的大小。

电容型压力传感器能够检测静态力。普通的柔性电容型压力传感器具有能量消耗小，信号漂移小，响应重复性高等优点。介电层是电容型压力传感器提升灵敏度和压力响应范围等的重要优化对象。由于软材料具有不可压缩性，因此如果不引入特殊结构，器件的灵敏度非常低。所以，通过形成特殊的微结构，如球状、柱状、锥状，引入第二相 ，使用高弹性材料，引入气隙，将介电材料制成多孔的泡沫状等方式，都可以显著地改善电容型压力传感器的灵敏度。例如 Luo 等用聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS） 制备了不含微结构和有竖直微柱结构的介电层， 在同样压力条件下灵敏度提升了近3个数量级（0.626 MPa–1—0.033 kPa–1）。此外，采用软材料也能提高灵敏度，但也容易导致响应速度的下降。电容型传感器还存在易受外部电源和外场干扰的缺点。

最近，一类基于双电层（electric double layer，EDL）的电容型传感器表现出更为优异的性能（图2（a））。这种传感器的电荷间距仅为 1nm 左右，其电容密度与普通电容型传感器相比可提升6个数量级，灵敏度也得以大幅提升。Bai 等制备了一种具有多级非稳态自补偿结构的离电型压力传感器，该传感器在极宽的压力响应范围（0.08 Pa—360 kPa）内都具有极高的灵敏度（Smin ＞ 220 kPa–1）（图2（b））。

1.2 电阻型压力传感器

电阻型压力传感器将压力变化转换成电阻或者电流的变化。根据电阻的定义：

电阻型压力传感器一般由衬底和导电材料组成。为了获得良好的柔性和可拉伸性，衬底一般会采用弹性体，如 PDMS，聚对苯二甲酸乙二醇酯 （polyethylene terephthalate，PET）。导电材料除了具有一定导电能力外，还需要对压力变化很敏感。电阻的变化可以概括为以下几个因素。

1）材料的形状结构变化。结构变形会导致长度 L 和截面积 S 的变化。

2）材料能带结构的变化。比如石墨烯的拉伸程度超过 20% 时，电子能带结构会发生改变，从而引起导电性能发生变化。在半导体硅基材料中也发现了这种现象。

3）两种材料之间的接触电阻的变化（Rc）。例如利用静电纺丝方法制成的 ZnO/ SiO2纳米纤维薄膜，在1.25 cm−1曲率下灵敏度（Imax/I0）达到12.75. 它的传感机理是随着压力的增加，纤维的接触变得更加紧密，导致电阻变小。这类传感器的缺点是容易出现信号漂移和滞后。

4）复合材料内部导电相的间隔发生变化。将导电填料作为第二相加入到导电能力相对较差的高分子材料当中， 达到渗透阈值时， 导电相会形成导电网络，表现为电阻明显减小。导电网络的形成目前主要有两个理论：一是渗透理论，二是隧道电流效应。

电阻型与电容型压力传感器在设计策略上有类似的地方。例如，为了获得较高的灵敏度，会使用具有微结构的柔性衬底或导电层。尖锥状阵列、球状阵列、柱状阵列，互锁结构等微结构的应用显著提升了传感器的灵敏度。Park 等将碳纳米管（carbon nanotubes， CNTs）混入到 PDMS 中，通过模板法制造两层表面有微球结构的薄膜面对面叠放在一起（图2（c）），形成上下互锁的结构。受压时，随着微球结构发生变形并且接触面积增大，导电填料间电阻变小。该柔性压力传感器相比于没有微结构和只有单侧微结构的传感器对压力变化的响应更加显著（图2（d）），灵敏度可以在低压（＜10 kPa）下达到15.1kPa−1 。还有研究者受到自然界中植物表面结构的启发，利用植物的微结构来制作柔性衬底。比如 Su 等将未固化的 PDMS 转移到植物叶片上，成功得到具有叶片表面微结构的 PDMS 衬底。相比于传统的光刻法，该方法大大简化了制备过程。

1.3 压电型压力传感器

压电型压力传感器是将压力信号转换为电压信号，它的感应机理来源于压电材料的压电效应。描述压电材料压电性能最重要的参数是d33，称为压电常数，体现压电材料将机械能转化为电能或者将电能转化为机械能的能力。一般d33越大，压电体的压电性能越好。这类传感器可以在压力下产生内部电压，电压的大小与应变有关，在无源压力传感器领域具有巨大的潜力。压电型压力传感器在测量动态力上有出色的表现，并且响应时间可达到微秒量级，但是在静态力的测量上还存在一些困难。压电效应可能发生在具有各向异性晶胞的晶体中，或者发生在驻极体内具有不同电荷的区域中。常用的压电材料主要有聚合物和无机材料。比如锆钛酸铅 （lead zirconate titanate，PZT）、ZnO、聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）。
Rogers 等将 PZT 引入场效应晶体管阵列的单元中，得到了具有超低检测限（0.005 Pa）和超快响应时间（0.1 ms）的压力传感器。Kim 等在 PVDF 基质当中引入BaTiO3，得到的传感器有良好的抗疲劳性能，可在大于9MPa的应力下稳定循环106次; 最高输出电流相比于非原位生长的 PVDF 提升了1033%. Yang 等在此基础上，加入聚多巴胺 （polydopamine，PDA）作为表面改性剂修饰，再与 PVDF混合（图3（a））。发现当PDA质量分数为 17% 时，产生的电压可达9.3 V，比PVDF提升了13 倍（图3（b））。PDA 的修饰不仅有助于BaTiO3均匀分散在PVDF当中，而且减少了两种材料间的裂纹和缺陷。在对静态力的测量上，Chen 等 制备了一种基于BaTiO3纳米线/石墨烯异质结构的压力传感器。他们报道了纳米线中应变产生的极化电荷作为带电杂质影响石墨烯载流子迁移率的机理，因此即使在静态压力下， 应变也会对导电能力产生影响。器件的响应时间为 5—7ms，对静态压力的灵敏度达 9.4×10−3 kPa−1。

1.4 摩擦电型压力传感器

摩擦电型压力传感器比前3种传感器出现得晚。与电阻型和电容型传感器相比较，它不需要提供电源; 与压电型传感器相比较，它可选择的材料范围更广。摩擦电型压力传感器利用了摩擦起电的原理，具有成本低、制备流程简单和输出电压高的优点。它一般由上下两个电极和中间负责摩擦生电的不同材料构成。两层材料之间有一层薄薄的空气。当外加压力时，两种不同带电序列的材料相互接触，摩擦起电现象发生，在接触界面两侧产生相反的电荷。当压力释放后，带等量相反电荷的两个表面被自动分离，由于静电感应现象分别在电极表面产生补偿电荷。材料之间的空气层使两个表面上的电荷不能完全中和，形成电位差。这种机制使摩擦电型压力传感器可以在压力作用并释放后产生电信号。摩擦电型压力传感器最早在 2012 年被 Fan 等报道，他们用两种不同的材料：PET 和 Kapton（卡普顿，主要成分聚酰亚胺）制成聚合物薄片叠加在一起，在结构的顶部和底部分别沉积金属薄膜。接通外电路后，输出电压高达3.3V，功率密度约为10.4 mW/cm3 。

影响摩擦电型压力传感器性能的关键在于材料的表面结构。Ashok 等通过在砂纸上固化PDMS，以简单低成本的方式制备了微结构 。PDMS和PET/ITO（铟锡氧化物）在压力下摩擦产生电荷（图 3（c））。该传感器具有较高的灵敏度（7.697 kPa–1）（图3（d）），可以检测到大约1Pa的压力，响应时间小于 9.9 ms，并在4000次的压缩循环后保持性能稳定。Yang 等设计了一种可以检测风力的摩擦电型压力传感器。当有风力作用时，会引起尼龙薄膜的震动， 根据摩擦起电现象和静电感应原理，顶部的聚酰亚胺 （polyimide，PI）和氧化石墨烯泡沫层会根据尼龙薄膜的距离远近而带上数量不同的正电荷或者负电荷。传感器输出的电压和电流与施加压力大小存在线性关系， 随着压力增大， 电压和电流都明显增加（U= 85 × P0.12 ，I=5.42×P0.1，P表示压力），在小于30N 的压力范围内性能良好。

上述介绍的4种不同类型的压力传感器，电容型压力传感器结构简单，能够检测静态力和动态力，信号漂移小，但是容易被外场干扰，灵敏度受到介电层可压缩程度的限制。电阻型压力传感器同样能够检测静态力和动态力，并且结构简单，缺点是信号漂移较大，但是不容易受到外场的干扰。压电型压力传感器大部分只能检测动态力，响应时间快，相比于前两种具有可自供电的优势。摩擦电型压力传感器一般也只能测动态力，具有制作成本低、结构简单、输出电压高、自驱动的优点。在测量对象上，一般电容型和电阻型压力传感器的应用范围更广，但是也有例外，在一些恶劣的环境中，它们需要及时更换电源，比较耗费人力和物力，而压电型和摩擦电型的压力传感器由于可以自供电，能够长时间在野外检测信号，极大地节省了成本。

1.5 柔性压力传感器常用的材料

柔性压力传感器根据传感机制的不同对材料的需求也有差异。例如电容型压力传感器需要充当介电层的材料，其介电常数较大，可减少漏电流; 压电型压力传感器需要材料具有压电效应，在压力作用下产生内部电压; 电阻型压力传感器需要材料的电阻能够随着压力变化而变化; 摩擦电型压力传感器需要两种不同摩擦电序的材料来实现电荷的转移。一般把这些材料称作传感器的功能材料。常见的功能材料一般有碳纳米管、石墨烯、纳米线、有机聚合物、离子凝胶等。其中，绝缘又有良好弹性的有机聚合物可以作为介电材料，例如 PDMS等; 还可以作为压电材料，例如 PVDF; 导电聚合物可以用在电阻型压力传感器中充当导电层， 例如聚苯胺 （polyaniline，PANI）、聚吡咯（polypyrrole，PPY）、聚 3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐（poly（3，4-ethylenedioxythiophene）poly（styrene sulfonate），PEDOT:PSS）等。离子凝胶的空间网络结构具有比较好的拉伸性能，并且为离子的迁移运动提供了路径。它可以作为离子电容型压力传感器的中间层，与电极界面形成厚度在纳米级别的 EDL，对压力变化具有较高的灵敏度。除了功能材料以外，还有电极材料和柔性衬底。电极材料通常有 PET/ITO，金属薄膜或者金属纳米线，离子导体等，其中离子导体已有锁志刚教授的综述作了十分详细的介绍。作为柔性衬底的材料需要具有柔性、弹性、化学惰性、在一定温度范围内的稳定性、适当的拉伸性及良好的共形能力，同时为材料提供支撑，减缓材料的应力集中，间接提升材料的可拉伸性。除了常见的PDMS，PI和PET之外，聚乙烯（polyethylene，PE）、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）、聚乙烯醇 （polyvinyl alcohol，PVA）等高分子薄膜材料也可以用作柔性衬底。

2 柔性压力传感器的性能

2.1 变形性能

柔性压力传感器在实际的使用过程中经常会面临各种不同的受力环境。例如在人体表皮电子的应用中，关节的运动会导致贴附在其表面的电子器件承受较大的拉伸应变，这对材料的柔韧性提出了较高的要求。而在弯曲、拉伸、挤压等不同类型的应变当中，可拉伸性是最考验器件性能的指标。要制备可拉伸的传感器，就需要电极和功能材料同时具有可拉伸性，这对材料的要求进一步提高。虽然有的材料可以拉伸，但是拉伸之后性能并不稳定，比如金属薄膜和柔性衬底组成的电极在被拉伸到一定程度之后电导率会急剧下降，用金属纳米网络来替换金属薄膜可以增加拉伸时导电性能的稳定性，并拓宽可拉伸范围。水凝胶离子导体也具有良好的拉伸稳定性，尽管体电阻比金属高得多，但是在高度拉伸下电阻增量却较小。

除此之外，也要关注器件的共形能力。传感器可能用在平面、曲面或者处于变化中的表面，例如人体关节附近的皮肤表面。如果不能和皮肤良好地贴合 （即共形），即使有很好的拉伸性能也不能准确地搜集到想要的数据。为此，传感器应尽可能地薄， 并且弹性模量和皮肤接近，这样才不会和皮肤脱离。

2.2 灵敏度

灵敏度是研究者们一直以来都十分关注的一个重要性能参数。压力传感器的灵敏度表示为

其中：S表示压力传感器的灵敏度;X0表示传感器初始电信号的值，例如电压、电阻、电容;∆X则表示电信号的相对变化量; P表示传感器受到的压力。通常，提高灵敏度的方法包括降低初始电信号强度 X0（例如，在电阻型和电容型传感器中引入微结构，减小初始接触面积）、采用新型的传感材料（例如在电容型传感器中引入离子凝胶形成离子电容型传感器）、引入非稳的细小裂纹（例如模拟蜘蛛网结构制备的有纳米级裂纹的薄膜）等。

2.3 压力响应范围

压力响应范围是传感器性能评估的一个重要指标。下面将从极低压和高压两个角度进行简单阐述。大多数传感器在正常压力范围内拥有出色的响应能力，但是在极低压下（低于压力检测限）却不响应。基于这个问题，很多研究者提出了相应的解决办法。例如 Dagdeviren 等在传感阵列单元中引入PZT，设计了一种小巧轻薄并且可拉伸（30%）的压电型传感器，它可以和皮肤很好地贴合。由于场效应晶体管的放大效应，该传感器拥有超低的检测极限（可以感应到0.005 Pa 的压力）。图4（a），（b）展示了该传感阵列可以感受到很薄（1mm）的PDMS 薄膜与之接触带来的压力变化。

除了扩展低压区的检测限，压力传感器也需要在高压区具有良好的响应。前面已经提到，很多研究工作通过引入活性层或电极上的微结构来提高器件的灵敏度，包括金字塔、尖锥状、球状微结构等，这些结构都属于稳定结构。由于软材料的不可压缩性，以及这些结构受压时发生硬化的现象，采用微结构的传感器很容易在压力较大时信号达到饱和。最近，我们课题组制备了具有多级非稳态自补偿结构的离电型压力传感器有效地解决了上述问题。该工作采用一种易于失稳的结构，它在受压失稳后，将嵌入到微沟槽中，有效地提高结构的可压缩性。在该策略指导下传感器在极宽的压力响应范围内（0.08 Pa—360 kPa）的灵敏度均超过了220kPa–1（图4（c）），在高压区的灵敏度超过了之前结果达4个数量级。

2.4空间分辨率和压力分辨率

人体皮肤中分布着大量的感受器，能够对环境的温度、湿度， 压力等刺激做出灵敏且快速的响应， 并让人感受到刺激来自于身体的某个部位。为了让电子皮肤也能够敏锐地感知外界刺激的准确位置， 需要提高器件的空间分辨率。

增加传感器数量和减小传感器尺寸是提高空间分辨率的基本方法。但是当传感器阵列做得更大，且每个单元的尺寸更小时，意味着有更多的数据需要搜集和处理， 如何快速有效地处理如此多的数据是一个重要问题。Wang 等对于常规传感器阵列的 型线路（类似于一个电极对应一条电路）进行改进，设计成一横排或者一竖排的所有电极对应一条电路，将需要处理的信号数量降低到了 m+n（图5（a））。这种方法基于交叉定位技术，当一个物体接触到交点时，可以从相应的行和列端口测量电压信号。他们测试了传感阵列对手势的追踪响应，得到的压力分布图和手势完全一致（图5（c））。Ma 等将18根垂直交叉分布的碳纤维分为两组，得到 99 个像素点，每根碳纤维都单独引出与外部连接 。制备的压力传感器灵敏度为0.055 nA/kPa，响应时间为68ms，分辨率可以达到127×127PI， 相比皮肤中机械性感受器的分辨率提高了约10倍。增加碳纤维的数量、减小碳纤维的直径，并合理控制间距将能够进一步提升空间分辨率。Pan等报道了一种基于纳米线发光二极管的压力传感器阵列。该传感器阵列能够以高达 2.7µm 的空间分辨率（6350 DPI的像素密度）测量二维平面内压力分布情况。每个像素点由单个 n-ZnO nanowires/p-GaN 发光二极管组成，完成压力的测量只需 90 ms. 图5（b）和图5（d）展示了该传感阵列在用字母模板“ABC”和“PIEZO”进行按压时能产生准确的响应信号。

在某些压强比较大的应用场合，例如飞机模型的风洞测试中，如何在极高的环境压力下分辨出变化的低压（即具有高压力分辨率），对于飞行器的设计具有重要意义。然而，由于柔性传感器中采用的很多软材料（例如 PDMS）的弹性模量在 MPa量级，引入微结构后，很多器件在 100kPa之后的响应已达到饱和。优化微结构的设计、引入更高模量的弹性体有益于提高传感器的压力响应范围。

前面我们已经提到过一种“非稳态自填充结构 ”能有效地提高压力响应范围，能够在0.08 Pa—360 kPa的压力范围内获得高于220 kPa−1 的灵敏度。这也使得传感器在极宽的压力范围具有极高的压力分辨率，即使在压强为320kPa 的情况下，传感器依然能够分辨 18Pa（0.0056%）的压强变化（图 6（a）—（e）），远高于其他的传感器和人体皮肤。

需要指出的是，压力分辨率是比灵敏度更重要的参数， 但在柔性压力传感器的研究中却鲜有提及。通常， 灵敏度是相对量， 其高低并不能直接反映出传感器的压力分辨能力; 相比之下， 压力分辨率则直接反映出器件在压力条件下对力刺激的响应能力， 这在实际应用中更有意义。除了本文中详细讨论的一些性能， 传感器的抗干扰能力、线性度、点阵之间的串扰和一致性都需要在实际应用中予以考虑。

本文来源：智能传感器专委会
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