柔性压阻式压力传感器的制备与性能优化

汪 康,何 壮,喻 研

(华中科技大学 光学与电子信息学院,湖北 武汉 430000)

压力作为基本的物理量在生活中无处不在,小到轻微的脉搏振动,大到机械运动。对压力的检测一直是研究人员关注的热点,例如医疗保健中眼压、血压、脉搏和心跳的检测[1-3];现代化生产中获取受力信息用于机器反馈调节[4-6];人机交互中对用户指令的识别等[7-9]。压力传感器能够将压力刺激转化为对应的电学信号,经过信号的传输和处理实现对压力的检测。基于MEMS 的硅基压力传感器具有成熟的制备工艺和良好的传感性能,然而由于其刚性、易断裂、不可弯曲限制了它在某些场景的应用。为了突破这一局限性,压力传感器朝着柔性和可穿戴方向发展,其中柔性压力传感器由于机械灵活性、舒适性和便携性受到人们的欢迎,目前已经应用于电子皮肤[10-11]、健康检测[2,12]、人机交互[13-14]和机器人[5,15]等领域。如图1所示,根据Web of Science 的检索,柔性压力传感器的相关成果数呈现逐年递增的趋势,尤其在近五年来有了大幅度的提升。

图1 各年份柔性压力传感器的相关成果数Fig.1 Research results of flexible pressure sensors in each year

柔性压力传感器对压力的检测的原理主要包括压阻式[16-17]、电容式[18-19]、压电式[20-21]和摩擦电式[22-23],其中压阻式压力传感器具有结构简单、易于制备、成本低和测量范围广的优点,在柔性压力传感器中具有广泛应用前景。柔性压阻式压力传感器的制备主要包括材料选择、工艺调控和结构设计,通过选择不同材料以及组合使传感器表现出不同的性能。液相法在柔性压阻式压力传感器制备中被广泛应用,一方面满足要求低温环境的衬底,另一方面溶剂为化学反应提供了条件,可以对材料进行修饰,并且现有的印刷技术满足柔性压力传感器工业化生产的能力。目前对柔性压阻式压力传感器的研究主要是通过材料选择和结构设计提升传感器的灵敏度和量程[24-26],或者使传感器具有一些附加的性能,如自供电[27]、多模态感知[28]、抗干扰[29]和可自愈[30]等。传感器的灵敏度代表传感器对压力的敏感程度,为单位压强引起的电阻变化,这对微小压力的检测是重要的。量程描述了传感器所能检测的最大范围,这主要体现在可穿戴器件的肢体运动检测上。灵敏度和量程衡量了传感器对力学信号的可探测能力,作为传感器的主要性能一直吸引着科研人员的关注。

本文从材料、制备和设计几个方面综述了近几年柔性压阻式压力传感器的发展动态,对其灵敏度和量程优化研究进展进行了总结,并从实际应用的角度出发对未来传感器的发展方向作出展望,这对柔性压阻式压力传感器的研发以及过渡到实际应用具有一定意义。

1 原理

柔性压力传感器按照敏感机理主要划分为压阻式、电容式、压电式和摩擦电式[31-34]。压阻式压力传感器原理是外力作用下使传感器导电网络发生变化,电阻与压力形成映射关系,具有结构简单、测量范围广、成本低的优点,是目前使用最广泛的压力传感器。电容式压力传感器受到外力作用时,电介质层压缩使两个极板间的距离发生变化,导致传感器电容变化,被广泛用作显示屏,相比于压阻式压力传感器而言只需用手指轻微触摸屏幕产生静电感应,无需按压。这两类传感器都是外力作用使传感器几何形状发生变化,从而引起电信号的改变,不局限于某类特定的功能性导电材料。

压电式压力传感器原理是压电材料受到外力作用时内部发生极化,在晶体两个表面产生正负极性相反的电荷,从而对外电路输出电压信号或电流信号,实现机械能和电能的相互转换。摩擦电式传感器由两个极性相反的材料组成,它们相互接触在材料表面产生相反电荷,当外力撤除后两个表面相互分离从而产生电势差。这两类传感器的一个显著优点是可以利用输出信号自供电,但只能用于动态力测量。表1 总结了以上四类压力传感器优缺点,为不同应用场景下压力传感器的选取提供参考。

表1 不同原理压力传感器的优缺点Tab.1 Advantages and disadvantages of different pressure sensors

2 材料

柔性压阻式压力传感器由柔性衬底和活性材料组成,它们通过夹层[2]、吸附[35]和填充[36]的方式结合。

2.1 柔性衬底

柔性衬底作为传感器的“骨架”,低的杨氏模量是被期待的,一方面为传感器提供良好的机械灵活性,另一方面在压力作用下能够发生较大形变使传感器具有更高的灵敏度。常用的衬底材料包括聚合物、可降解纤维素和水凝胶,表2 对常见柔性衬底材料的性质进行了总结。

表2 不同柔性衬底的性质Tab.2 Properties of different flexible substrates

聚合物衬底材料包括 PDMS[37-38]、PET[39]、PU[40]、PI[41]和Eco-flex[2,42]。在这些聚合物中,Eco-flex 具有最低的杨氏模量(0.069),被认为是制备高拉伸性能(＞100%)以及低压检测(＜1 Pa)柔性压力传感器的候选材料[43]。PDMS 具有良好的生物相容性,能够舒适地贴附在人体皮肤表面用以检测生理信号和运动监测,经常作为可穿戴传感器的衬底材料。Zhang等[37]以蜘蛛网形PDMS 作为衬底,将八乙基锌卟啉(ZnOEP)/碳纳米管(CNT)混合液涂覆在PDMS 上制备柔性压力传感器,柔性压力传感器贴附在手腕上可以识别血压的收缩期峰值和舒张期峰值。由于传感器被废弃后其聚合物不易降解,会对环境造成污染,为了推动 “绿色电子” 的发展,一些环保材料如木材[44]、纸张[45]、纳米纤维[46]和棉织物[47-48]也常被用来作为衬底材料。Guan 等[44]通过化学处理从细胞壁上去除纤维素使自然坚硬的木材具有机械灵活性,然后浸泡在氧化石墨烯溶液中取出风干后再还原,实现高性能木质柔性压力传感器的制备。Gao 等[45]仅使用普通纸巾、纳米纤维纸、银纳米线(AgNWs)和导电纳米银油墨开发一种全纸基柔性压阻式压力传感器,具有成本低、易于焚烧的优点。水凝胶主要由水组成,与人体具有高度的相容性,同时还具有极高的可拉伸性和透明性,是柔性传感器理想的候选材料之一[49-52]。导电水凝胶根据添加导电材料不同分为电子导电和离子导电,Lei 等[52]通过无定型碳酸钙纳米颗粒(ACC)、聚丙烯酸(PAA)和海藻酸钠相互交联形成矿物水凝胶离子皮肤,制备的水凝胶离子皮肤由于高弹性可以与动态界面高度匹配,能够用于检测微小的形变以及肢体运动。

2.2 活性材料

柔性压阻式压力传感器衬底材料本身是绝缘的,活性材料的填充使传感器具有一定的导电性。常用的活性材料包括金属系、碳系和导电高分子系,表3 对不同活性材料的性质进行了总结。

表3 不同活性材料的性质Tab.3 Properties of different active materials

金属系包括金属膜(Au、Cu、Ag、Pt、Cr)[53]、金属颗粒(AgNPs、NiNPs、CuNPs)[54]和金属纳米线(AuNWs、AgNWs、CuNWs)[40,55]。金属薄膜具有大的杨氏模量,通常需要借助岛桥结构和蛇形结构来提升拉伸性[56-57]。Fan 等[57]设计不同的几何蛇形结构将器件贴附在皮肤表面,器件随着皮肤变形仍能维持良好的性能。当金属材料变为一维结构时,根据小尺寸效应,它将具有良好的可拉伸性、透明性和导电性,由于其良好的导电性,即使在相对较低的浓度下也能维持渗流网络。Qiu 等[40]将AgNWs 嵌入PU,制备的薄膜方阻低至在550 nm 波长下透射率大于85%,弯曲10000 次和拉伸1000 次后电阻基本保持不变。

碳系材料由于良好的化学稳定性和机械灵活性被广泛用作导电填料。常用的碳系材料有石墨[58]、炭黑[59]、碳纳米管[60]和石墨烯[61-62]。石墨和炭黑具有成本低、导电性好、易获取的优点,可以通过简单的书写工艺制备柔性压阻式压力传感器。Jarred 等[58]在纸张上书写石墨,接着纸上叠纸制备纸基柔性压力传感器,传感器响应时间为0.4 ms,灵敏度为0.05 Pa-1,1000 次循环后能够重复使用。Hu 等[38]通过PDMS 收集玻璃表面上燃烧煤油灯产生的煤烟,覆盖叉指电极制备柔性压阻式压力传感器,制备的传感器具有高灵敏度(0～2 kPa 内31.63 kPa-1)、大量程(0～15 kPa)、低压检测(2.26 Pa)和快速响应时间(15 ms)。然而炭黑的添加会降低复合材料的柔韧性,同时在基体材料中容易团聚,影响传感器的稳定性和可重复性。

碳纳米管的长径比高达1000 ∶1,由高度石墨化的碳原子卷曲形成,具有良好的导电性,更重要的是,它能通过简单的溶液法与柔性衬底结合制备压力传感器,被广泛地用作活性材料。Kim 等[60]将PDMS 海绵浸泡在MCNTs 溶液中反复挤压使MCNTs 在PDMS 骨架上包覆,制备的柔性压力传感器对弯曲不敏感,可以用于足垫上检测跑步时足底的压力分布。

石墨烯载流子迁移率约为15000 cm2/(V·s),杨氏模量高达1.0 TPa,是柔性可穿戴电子器件中的理想材料。石墨烯的制备主要包括机械剥离法、化学气相沉积法和氧化还原法。为了提升石墨烯的生长速率,Liu 等[61]借助氧化物基板为铜催化剂表面提供连续的氧气供应降低甲烷的分解势垒,将石墨烯生长速率提高150 倍。除了这些方法以外,一些新型的石墨烯制备工艺也有相关报道。Jiang 等[62]于室温下通过在刚性和柔性基底上摩擦石墨快速制备无缺陷多晶石墨烯,并且可以扩展到其他二维原子晶体。Wang 等[63]在芳纶织物上通过激光诱导石墨烯直接书写,激光刻划产生的光热效应和局部高温区域使芳纶织物降解形成石墨烯。

本征导电聚合物也经常作为活性材料使用,最常见的有聚吡咯(PPy)[64]、聚苯胺(PANI)[65]和聚噻吩衍生物如聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)[66]。与金属材料相比,导电聚合物由于具有高的延展性、柔韧性和生物相容性的优点而受到青睐[67],但由于导电聚合物和衬底之间严重的杨氏模量失配,会导致传感器在使用过程中导电材料与衬底材料相互分离降低传感器的稳定性和使用寿命[68-69]。为了增强传感器的稳定性,Wang 等[64]将制备好的独立牛血清蛋白膜(BSA)放置在FeCl3溶液中,接着加入吡咯单体,一定时间后形成BSA/PPy 复合膜,接着将复合膜转移到微结构PDMS衬底上,由于复合膜表面存在各种官能团(—NH2,—OH,—COOH),增强了与PDMS 之间的结合强度,弯曲500 次后电阻不发生改变。然而如何实现聚合物高延展性的同时仍具有高导电性仍面临着困难[70-71]。

3 制备方法

根据柔性压阻式压力传感器制备过程中活性材料的存在状态,将制备方法分为气相法、液相法和固相法。

3.1 气相法

气相法主要包括热蒸发[72]、化学气相沉积(CVD)[73]和磁控溅射[53]。纳米材料由于其独特的结构经常被用来作为活性材料,CVD 是实现纳米结构的有效方法之一。Xia 等[73]通过CVD 直接在铜箔上反复成核、生长、聚结,形成与指尖皮肤形态相似的三维石墨烯薄膜结构,通过PMMA 将石墨烯薄膜转移到微结构PDMS 衬底上,制备的柔性压力传感器在200 Pa下具有110 kPa-1的高灵敏度,响应时间小于30 ms。金属薄膜活性层是通过气相法制备的,如图2 所示,Shi 等[53]通过磁控溅射在PI 胶带上沉积Cr/Cu 薄膜作为种子层,依次涂上光刻胶、光刻、电镀Ni 电极,去除光刻胶和种子层制备压力传感器,制备的压力传感器具有良好的柔韧性,可以随着手指关节弯曲,当压力增加到30.84 kPa 时,传感器灵敏度达到24.2482 kPa-1。气相法能够获得性能较高的半导体材料,但需要专门的设备,不易扩展到大面积制备。同时要求高温和高的真空度,CVD 温度甚至能达到1000 ℃,常用的柔性衬底无法承受这样的高温,目前采取的措施是在耐高温的衬底如金属、Si、SiO2上沉积活性材料再转移到柔性衬底上,但这容易对活性材料造成破坏[73-74]。

图2 CVD 制备金属薄膜工艺[53]Fig.2 Metal film preparation process by CVD[53]

3.2 液相法

液相法可以回避高温对柔性衬底带来的影响,适合要求温度低的衬底材料,如聚合物。液相法主要包括旋涂[75]、喷涂[76]、浸凃[77-78]、丝网印刷[79]和喷墨印刷[80],为大面积制备纳米薄膜提供了可能。旋涂和喷涂工艺制备柔性传感器时,活性材料位于衬底表面,而浸涂工艺活性材料则分布在衬底内部,这要求衬底具有疏松的骨架结构,这三种方法由于操作简单、对实验设备要求低而被广泛使用。如图3 所示,Li 等[77]将一块棉织物浸泡在配制的MXene 溶液中10 s 后晾干,接着将导电棉织物放置在叉指电极的顶部,两端用PI 胶带封装,一个压力传感器就这么简单地制备完成。由于纺织品丰富的波浪表面,压力在29 kPa 范围内传感器灵 敏度高达3.844 kPa-1。Wang 等[75]在PDMS 上以700 r/min 的速度旋涂PEDOT ∶PSS 溶液,30 ℃下烘干30 min,使用ITO 玻璃作为电极,制备的传感器具有高的灵敏度和宽的检测范围,可以用来识别运动感知和桡动脉检测。喷墨印刷是一种无接触印刷,可以快速地将导电油墨印刷到各种基材上,同时能够适用于不同的曲面。Lo 等[80]将粒径为100～200 nm 的银纳米墨水通过50～200 μm 的喷嘴印刷到PDMS 衬底上,在55 ℃退火去除聚合物粘合剂以及在150 ℃退火烧结银纳米颗粒,为了提高油墨在PDMS表面的润湿性,事先通过氧等离子体对PDMS 预处理,制备的柔性压力传感器灵敏度达到0.48 kPa-1。值得注意的是,在喷墨印刷中油墨需要限制在足够小的粒径,以防止喷嘴堵塞造成打印质量差[81-82]。

图3 (a) 将棉织物浸泡在MXene 溶液中;(b) 将导电棉织物放置在电极上并用PI 胶带封装;(c) 制备的压力传感器示意图[77]Fig.3 (a) Soak the cotton fabric in MXene solution;(b) Place the conductive cotton fabric on the electrode and wrap it with PI tape;(c) Photograph of the pressure sensor[77]

3.3 固相法

气相法和液相法由于成熟的制备工艺和丰富的材料改性是柔性压阻式压力传感器的主要制备方法,然而不可避免地产生气体和溶剂污染。为了朝着“绿色” 电子产品发展,一些固相法也被报道用来制备柔性压阻式压力传感器。Liao 等[83]用铅笔直接在印刷纸上“画” 出柔性传感器并且用于识别肢体运动,表面的微裂纹结构使得传感器具有高的灵敏度,但是该方法使用的材料比较单一,并且没有拓展到自动化生产。Li 等[84]将纤维、表面活性剂、Mxene 导电材料和水混合得到浆料,加入反应釜中搅拌得到泡沫纤维,然后转移至模具中真空抽滤得到脱水的纤维素基柔性压力传感器,这种方法制备的传感器厚度较大,缺乏可穿戴的舒适感。固相法的一个典型特征是室温无污染,但是由于化学反应的缺失使其内容比较单调,未来可以探索新的材料和设备用于固相法柔性压阻式压力传感器制备。

4 性能优化

传感器性能通过灵敏度、线性度、量程、响应时间、迟滞性、重复性、分辨率综合评价,目前报道的柔性压力传感器响应时间通常在1 s 以内,能够在1000 次循环下稳定工作,如何提升传感器灵敏度以及扩宽线性传感范围是经常被讨论的内容。

4.1 灵敏度优化

灵敏度是衡量传感器性能的一个重要参数,对于极微小的压力如眼压、血压、脉搏、呼吸、喉咙发音等需要高灵敏度的压力传感器。通过材料选择和结构设计优化传感器灵敏度一直是研究人员比较关注的问题。

渗流理论描述了复合材料导电性与导电材料体积分数之间的关系。导电材料体积分数较小时,由于粒子间的距离较大不能形成导电通路;导电材料体积分数较大时,此时导电通路比较完备,复合材料的导电性随外界刺激比较小;只有导电材料体积分数适中时,复合材料导电性才会随着体积分数的增加而显著变化,把这一显著变化的区间称为渗流区间[85]。柔性压阻式压力传感器正是基于这种阻变机理,通过调节导电材料与基底材料的配比使其接近渗流区间,从而提升传感器的灵敏度[86-87]。Zhao 等[86]改变石墨纳米片/碳纳米管与PDMS 的比例制备了不同的柔性压阻式压力传感器,当两者的体积分数为0.75%时,相比其他材料配比的压力传感器具有最高的灵敏度。

除了对渗流区间的把控,微结构设计也被认为是提升传感器灵敏度的有效手段,一方面微结构有助于将应力集中在一个尖锐的区域,增加弹性体变形,另一方面压力作用下相邻微结构的接触使传感器电阻进一步发生变化,典型的微结构有微金字塔形、微柱形、微半球形[24,88-90]。

如图4 所示,Zhang 等[24]通过KOH 在Si 上刻蚀倒金字塔结构凹槽,然后将PDMS 旋涂到硅模具内,烘干剥离后得到金字塔结构PDMS,经过一系列清洗、浸泡操作增强PDMS 的吸水性和电荷吸附,将多壁碳纳米管(MCNTs)层层自组装到具有金字塔微结构PDMS 薄膜上,以ITO/PET 作为上下电极,制备的压力传感器在300 Pa 内灵敏度高达-2.65 kPa-1。Park等[88]在微半球结构硅模具上形成具有CNTs/PDMS 微结构的柔性复合薄膜,外部压力将应力集中在接触点使微球变形,由于微球结构的独特设计导致巨大的隧道电阻,从而使传感器具有高的压力敏感性,在0.2 Pa 内灵敏度高达-15.1 kPa-1。

图4 (a) PDMS 金字塔微结构制造工艺;(b) 将MCNTs 自组装到PDMS 上[24]Fig.4 (a) Process for PDMS pyramid microstructure;(b) Process for self-assembly of MCNTs into PDMS[24]

微结构的设计需要用到精准的光刻工艺,会大大增加实验成本,不适合大面积生产。自然界中许多材料表面存在凹凸不同的微结构,如砂纸、树叶、花瓣和动物表皮等,这些表面不平整的微结构为制备高灵敏度柔性压力传感器提供了自然模板[91-94]。

如图5 所示,Gao 等[91]将PDMS 混合物滴在砂纸上固化剥离形成具有微结构的PDMS 衬底,将CNT 涂覆在微结构PDMS 上作为导电材料,制备的压力传感器灵敏度高达-2.65 kPa-1,相比没有微结构的PDMS衬底高出了20 倍。Su 等[94]利用含羞草作为植物模板使PDMS 具有精确的表面微结构,接着利用电子束蒸发沉积Ti/Au 交叉涂层,两层具有微结构的PDMS 薄膜面对面放置制备仿生柔性压力传感器,传感器在0.2 kPa 范围内具有50.17 kPa-1的高灵敏度,响应时间小于20 ms,可重复使用10000 次。

图5 具有砂纸表面微结构的压力传感器制备[91]Fig.5 Process for pressure sensor with sandpaper microstructure[91]

除了表面微结构外,多孔微结构也被用来提升传感器灵敏度,弹性体中微孔的存在使得材料具有较高的泊松比和较低的杨氏模量,外力作用下弹性体更容易发生变形从而存在更多的导电路径。

多孔微结构包括本身具有多孔的衬底材料以及在衬底材料中生成多孔结构。Liu 等[25]将三聚氰胺泡沫(MFs)置于800 ℃电炉中,在氮气保护下碳化2 h 制备弹性碳泡沫(ECF),接着将ECF 放置在一对叉指电极上利用聚乙烯(PE) 130 ℃下热封保护器件。制备的压力传感器在2 kPa 内具有100.29 kPa-1的超高灵敏度,并且能够在11000 次后重复性使用。Al-Handarish等[95]将方糖与PDMS 混合,在80 ℃下烘干2 h 去除方糖形成多孔PDMS 结构,将多孔PDMS 薄膜浸泡在导电溶液中形成CB/MWCNTs/PDMS 复合材料实现对压力敏感,传感器在10 Pa 范围内灵敏度高达15 kPa-1,动态响应时间100 ms。海绵具有独特的多孔结构,变形后可以很快恢复,是柔性压阻式压力传感器常用的衬底材料。Lv 等[96]将氧化石墨烯(GO)和聚吡咯(PPy)通过电荷逐层组装在海绵纤维骨架上制备压力传感器,制备的压力传感器具有良好的灵活性,灵敏度达到0.79 kPa-1,响应时间为70 ms。

将表面微结构与多孔结构相互结合用以进一步提升传感器灵敏度也有报道。如图6 所示,Zhao 等[97]以绿萝叶作为模板,使得PDMS 表面既有大尺度的脉又有丰富的表面微结构,并通过糖溶解于水使得PDMS具有表面微结构的同时又具备多孔结构,将制备的PDMS 衬底放置在MCNTs 溶液中搅拌干燥,两种涂有MCNTs 的PDMS 薄膜面对面放置制备柔性压力传感器,压力小于140 Pa 时传感器灵敏度高达83.9 kPa-1,高于单一结构的柔性压力传感器。

图6 (a)表面微结构与多孔结构相结合的传感器制备工艺;(b)表面微结构与多孔结构相结合的传感器灵敏度以及单一结构传感器灵敏度的比较[97]Fig.6 (a) Process for sensor with microstructure and porous structure;(b) Comparison of the sensitivity of sensors with two structures and single structure[97]

4.2 线性传感范围优化

人类皮肤能够感受大的压力,如图7 所示,在日常生活中的正常触摸、物体操作和肢体运动中,压力主要分布在10～100 kPa 之间[98]。对于可穿戴器件,不仅需要高的灵敏度检测微小压力,同时高灵敏度下大的量程也是衡量传感器性能的一个重要参数。表面微结构是提升传感器灵敏度的有效手段,传感器在小的压力下能够发生大的形变,然而这种形变很快趋于饱和,固有的矛盾使得高的灵敏度仅发生在很小的线性范围内。

图7 生活中不同场景下的压力大小[98]Fig.7 Level of different pressure in daily life[98]

多层微结构的设计很好地解决了这一问题,它能够将压力分布到每一层,小压力时最上面一层微结构发挥作用,随着压力的增加,下面的微结构逐渐参与工作,使得传感器在大的压力下仍能保持高灵敏度。Xiao 等[99]将多层微结构表面叠加到一起制备出超宽线性范围的高灵敏度柔性压力传感器,大大增加了传感器的可压缩性,在线性工作范围0.013～2063 kPa 内灵敏度高达9.17 kPa-1。Tang 等[100]利用砂纸作为模板生成表面微结构的PDMS,将若干个微结构PDMS 叠加到一起,在上面还原氧化石墨烯,用聚酰亚胺密封,接触面积的增加和额外的接触位置使传感器在0.01～400 kPa 的超宽压力范围内具有2.5～1051 kPa-1的超高灵敏度。Zhao 等[26]利用野菊花花粉作为模板形成具有锥形分层结构的PDMS 膜,将MWCNT 涂覆到PDMS上制备高灵敏度宽线性敏感范围的压力传感器,如图8 所示,在大压力下具有锥形分层结构的传感器相比单一结构的传感器仍旧具有高的灵敏度,218 kPa 范围内灵敏度为3.5 kPa-1,相关系数达到0.997。

图8 具有锥形分层结构与单一结构的传感器在大压力时灵敏度比较[26]Fig.8 Comparison of the sensitivity of sensors with conical layered structure and single structure under high pressure[26]

为了帮助研究人员设计柔性压阻式压力传感器,调节灵敏度与线性传感范围以应用于不同的场景,表4 对不同材料和结构的柔性压阻式压力传感器性能进行了总结。

表4 不同压力传感器的性能Tab.4 Performances of different pressure sensors

5 总结与展望

柔性压阻式压力传感器由于其良好的力学性能和电学性能在生活、工业和医疗等方面具有广泛的应用前景。近几年科研人员的研究内容主要集中在传感器性能的提升,通过多层微结构的设计使得传感器具有高灵敏度的同时兼顾宽的线性敏感范围,然而传感器性能测试都是在理想场景下进行的,具体应用时会面临着许多挑战。未来柔性压阻式压力传感器在进一步突破现有性能极限的同时,解决应用问题会更加突出,主要包括以下几点: 传感器应该具有良好的抗干扰能力,能够不受应变、汗水和湿气的影响,可以通过封装检测传感器的气密性抵抗化学信号的干扰,借助结构设计如蛇形结构和多孔结构释放传感器受到的应变;传感器在使用过程中会不可避免地遭到破坏,在一定范围内具备自愈能力能够延长它的使用寿命,常用的措施是通过胶囊包裹愈合剂在机械损伤后破裂进行自修复或者通过分子间的作用力如氢键、π-π 键堆积和金属配位键使材料本身具有自愈功能;额外的附加电源会增加使用者的负担,未来传感器是朝着自供电方向发展的,一方面可以利用压电效应、摩擦电效应收集力学信号以及热电效应对人体与环境间的温度差加以利用,另一方面可以集成能源存储器件利用化学反应为传感器供电;为了增加传感器的便携性,无线通信是需要被考虑的,目前无线通信模块尺寸一般大于20 mm,其中外围电路占据主要面积,模快小型化以及柔性电路的开发是传感器数据采集需要解决的两个难点。衬底材料与活性材料之间的模量失配会影响传感器的稳定性,这种模量失配需要得到改善或者予以消除,在衬底材料与活性材料之间加入贻贝、聚氨酯和水凝胶等界面增强材料是提升它们兼容性的有效手段。除此之外,随着物联网技术与人工智能的发展,柔性传感器会面临着巨大的需求,探索新材料和新工艺实现柔性传感器低成本大规模制备会成为一个重要的发展方向。

总的来说,本文从材料选取、传感器制备和性能优化几个方面介绍了柔性压阻式压力传感器的研究现状,并从实际应用角度出发对未来柔性压阻式压力传感器的发展方向作出展望,尽管相关工作已经取得了许多成果,传感器灵敏度和检测范围不断得到提升,然而实际应用时仍涉及到许多问题,如信号干扰、外界破坏、电源供给、数据采集和稳定性等,距离传感器实现普遍应用仍然有一定的距离。