柔性壓力傳感器

柔性壓力傳感器是指可以在包括彎曲、扭曲、拉伸等外界刺激下能輸出響應(yīng)電信號(hào)，并具有高的可靠性和集成度的一類柔性電子器件

01、簡(jiǎn)介

將壓力輸入轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的壓力傳感器是柔性電子家族中的重要成員。作為最重要的柔性電子器件之一，柔性壓力傳感器可以附著在任意曲面上，高效地檢測(cè)各種人類活動(dòng)包括人體物理、化學(xué)、生物和環(huán)境等狀態(tài)信號(hào)。此外，柔性壓力傳感器已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)多學(xué)科交叉的領(lǐng)域，結(jié)合了材料科學(xué)、設(shè)備和系統(tǒng)工程以及信號(hào)處理，包括新出現(xiàn)的人工智能等技術(shù)等。

柔性壓力傳感器的感知機(jī)制可以簡(jiǎn)單的分為壓阻式、電容式、壓電式和摩擦電式。了解這些傳感器的性能，對(duì)傳感器在不同應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用，并可以達(dá)到最佳的功能匹配。

02、制備材料

用于可穿戴健康檢測(cè)的柔性壓力傳感器是一個(gè)復(fù)雜的集成系統(tǒng),通常由柔性/可拉伸基底、導(dǎo)電電極以及傳感材料組成。因此，就特別需要注意每個(gè)單獨(dú)的組件、它們的交互以及這些交互對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響

基底

基底材料在柔性壓力傳感器構(gòu)建中起著重要的作用。通常，柔性聚合物和橡膠等材料由于其熱穩(wěn)定性、良好的耐化學(xué)性和巨大的機(jī)械柔性而被廣泛用作柔性傳感器的基底材料。其中使用最多的柔性可拉伸基底材料,包括聚乙烯醇(PVA).聚亞胺 (PI)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇(PET) 和聚二甲基硅氧烷 (PDMS)硅膠材料等，它們?cè)谌嵝詡鞲衅黝I(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

纖維和紡織品非常適合制備可穿戴電子產(chǎn)品，因?yàn)榧徔椘肥亲罱咏祟惼つw的天然材料，被認(rèn)為是第二種人類皮膚。通過(guò)與多功能電子設(shè)備的整合，新型紡織品既具有柔性電子設(shè)備的功能，又具有服裝類紡織品的特點(diǎn)。到目前為止，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了各種智能紡織品來(lái)感測(cè)環(huán)境條件和與健康相關(guān)的生理信號(hào)。例如，導(dǎo)電紗線可以編織成智能紡織品，該智能紡織品配備有多功能傳感器，具有監(jiān)測(cè)心電圖信號(hào)和血壓的能力。因此，纖維和紡織品為可穿戴設(shè)備提供了一個(gè)有價(jià)值的平臺(tái)，迎來(lái)將傳統(tǒng)紡織品推向智能化、多功能化的時(shí)代。

對(duì)于各種應(yīng)用場(chǎng)景,柔性壓力傳感器需要耐用且具有兼容性的基底才能滿足要求。例如，醫(yī)療器械必須由具有生物相容性的材料制成，以便在不引起感染的情況下使用并附著在人體上。最近，聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于其生物相容性和固有的高拉伸性(約 100-1100%)而被廣泛用作柔性/可拉伸裝置中的基底。為了提高傳感器的靈敏度和響應(yīng)時(shí)間，具有微結(jié)構(gòu)的 PDMS 薄膜被應(yīng)用到柔性傳感器基底中，并已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了包括金字塔、微圓柱和半球等微結(jié)構(gòu)。

水凝膠作為一種三維 (3D) 交聯(lián)親水聚合物網(wǎng)絡(luò)的固體材料，由于其高透明度、高柔韌性、高可拉伸性和良好的生物相容性而在柔性壓力傳感器領(lǐng)域顯示出諸多潛在應(yīng)用。迄今為止，各種導(dǎo)電材料已經(jīng)被嵌入水凝膠基質(zhì)中以制備導(dǎo)電水凝膠。通過(guò)增加導(dǎo)電材料的含量或直接摻雜導(dǎo)電聚合物，水凝膠的導(dǎo)電性通常會(huì)得到極大的改善。導(dǎo)電水凝膠能夠結(jié)合導(dǎo)電材料和水凝膠的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)出良好的電子性質(zhì)、可調(diào)的機(jī)械柔性和易加工性，這使得水凝膠在制備不同用途的傳感器方面具有很大的潛力。

03、導(dǎo)電電極和傳感材料

導(dǎo)電電極和傳感材料都是傳感器的關(guān)鍵部件且都是導(dǎo)電材料，可以嵌入到柔性器件的彈性襯底中或頂部。最常用的導(dǎo)電材料是金屬基材料(如液態(tài)金屬.、金屬納米顆粒和金屬納米線、碳基材料(如炭黑、碳納米管和石墨烯)、導(dǎo)電聚合物(如聚呲咯 (PPy) 、聚(3，4-亞乙基二氧) 聚(苯烯磺酸))[PEDOT:PSS]) 和其他材料(如 MOF和 MXene）。這些導(dǎo)電材料表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能、優(yōu)異的導(dǎo)電性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，特別是基于金屬基材料的壓力傳感器。

碳基納米材料已經(jīng)被廣泛用于制造柔性壓力傳感器。通常，碳納米材料包括碳納米管、石墨烯以及其衍生物和炭黑。根據(jù)層數(shù)，碳納米管可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，根據(jù)其結(jié)構(gòu)構(gòu)型可分為排列碳納米管和隨機(jī)碳納米管碳納米管因其高機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的導(dǎo)電性而成為最廣泛使用的填料類型。碳納米管的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，他們可以通過(guò)溶液加工技術(shù)直接沉積在柔性或可拉伸的基底上，這對(duì)于其商業(yè)加工至關(guān)重要。

石墨烯和炭黑來(lái)源豐富，制備方便，成本低廉，為工業(yè)化生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用帶來(lái)了機(jī)遇。最近，石墨烯和炭黑作為新型碳納米材料得到廣泛研究。它們表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，如電性能、簡(jiǎn)便易行的功能化性能和穩(wěn)定性，已用來(lái)制造多功能傳感器。此外，由于結(jié)構(gòu)缺陷，石墨烯在用于柔性電子器件的構(gòu)建時(shí)仍具有局限性。如由于機(jī)械限制和片層之間的電阻較大其電性能有些有待提高。已經(jīng)有研究通過(guò)利用碳納米管或金屬納米線與石墨烯結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)來(lái)克服這些局限性。Luo 等人報(bào)道了在聚二甲基硅氧烷(PDMS) 襯底上使用威森伯格效應(yīng)制備具有多壁碳納米管的石墨烯納米片，以制造具有大約 6.65 MPa"和 0.335 kPa"的高壓靈敏度的柔性壓力傳感器。

此外，導(dǎo)電聚合物已經(jīng)被廣泛用作柔性壓力傳感器的傳感材料。PEDOT:PSS是另一種常見(jiàn)的導(dǎo)電聚合物。MXene 是一種 2D 層狀納米材料，具有大的比表面積和高導(dǎo)電性，已用于制備不同種類的柔性壓力傳感器。Yang等人基于分層圖案化聚呲咯 (PPy) 制造了高靈敏度壓阻式壓力傳感器，該傳感器靈敏度高達(dá) 19.32 kPa，且檢測(cè)極限很低。

柔性壓力傳感器的感知機(jī)制可以簡(jiǎn)單的分為壓阻式、電容式、壓電式和摩擦電式。了解這些傳感器的性能，對(duì)傳感器在不同應(yīng)用領(lǐng)域中的應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用，并可以達(dá)到最佳的功能匹配。

壓阻式柔性壓力傳感器

壓阻式柔性壓力傳感器的基本工作原理是基于材料變形而產(chǎn)生的電阻變化這種變化可以反映為相應(yīng)的電信號(hào)變化。與傳統(tǒng)的壓力傳感器相比，壓阻式柔性壓力傳感器具有高的靈活性和靈敏度，因而被廣泛的應(yīng)運(yùn)于醫(yī)療監(jiān)測(cè)、軟體機(jī)器人和體育鍛煉等[14, 401。壓阻式傳感器的電阻變化通常取決于幾何參數(shù)的變化,如導(dǎo)體的長(zhǎng)度和面積，其公式為: R = pL/A，p 是材料的電阻率，L 是長(zhǎng)度，A是面積。L 和 A 參數(shù)隨著材料的變化而變化，這導(dǎo)致了電阻值的變化。壓阻式壓力傳感器的工作原理如圖 1.2 所示。在外加壓力的作用下，壓阻式傳感器的傳感材料發(fā)生變形，其中導(dǎo)電材料的接觸面積發(fā)生變化，從而導(dǎo)致了電阻的變化和電信號(hào)的輸出。壓阻式壓力傳感器的這些原理可以應(yīng)用到柔性可穿戴電子產(chǎn)品上它可以通過(guò)電阻的變化來(lái)監(jiān)測(cè)身體各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以預(yù)防疾病的發(fā)生。

人們通過(guò)研究不同種類的傳感材料和不同形貌的表面結(jié)構(gòu)來(lái)開(kāi)發(fā)高性能的傳感器。Kim 等人提出了一種垂直排列的碳納米管 (VACNT) 陣列嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)基質(zhì)中的可穿戴的柔性壓力傳感器該柔性壓力傳感器顯示出高靈敏度(0.3 kPa)、快的響應(yīng)時(shí)間(108 ms)以及良好的機(jī)械耐久性(5000 次循環(huán))。

電容式柔性壓力傳感器

電容式的柔性壓力傳感器因其具有相對(duì)較高的靈活性、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能、高分辨率、無(wú)漂移特性、魯棒性和低功耗而受到廣泛的關(guān)注。電容式壓力傳感器通常包括兩個(gè)柔性電極及來(lái)在兩電極中的介電層。電容式和壓陽(yáng)式傳感器在設(shè)計(jì)思路上有著的相似之處。例如，壓阻式壓力傳感器中使用的微結(jié)構(gòu)材料或絕緣彈性材料也可以作為柔性電容式傳感器(例如 PDMS)的介電材料。電容式柔性壓力傳感器可以將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化為電容變化，如圖 所示控制電容變化的方程為 其中是介電材料的相對(duì)介電常數(shù)，是空間介電常數(shù)，A 是電容器的面積，d 是兩個(gè)分離電極之=間的距離。當(dāng)垂直于電極施加壓力時(shí),距離d 變化,導(dǎo)致電容變化,而距離 d 隨著壓力的變化而變化。由容式壓力傳感器的傳感性能、柔性介電層(如PDMS 和熱塑彈性體等)、電容將隨材料變形面積或厚度的變化而變化。

Niu 等人提出了一種在聚(亞乙烯基氟代-三氟乙烯) 薄膜中形成互鎖對(duì)稱納米錐的高靈敏度電容式壓力傳感器。該傳感器表現(xiàn)出 6.583 kPa的最大靈敏度、約 3 Pa 的超低檢測(cè)極限、48/36 ms 的快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間和 10000 次循環(huán)的高穩(wěn)定性。 

壓電式柔性壓力傳感器

柔性壓電式傳感器因其材料制備簡(jiǎn)單、成本低廉、電信號(hào)易于采集等優(yōu)點(diǎn)，受到了研究者的廣泛關(guān)注。壓電式柔性壓力傳感器可以將機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換。他們的轉(zhuǎn)換機(jī)制可以描述如下:當(dāng)材料受到外部壓力產(chǎn)生變形時(shí)，正負(fù)電荷在功能材料中分離。在材料的兩個(gè)相對(duì)表面，會(huì)出現(xiàn)方向相反的正負(fù)電荷排列，內(nèi)部會(huì)形成電位差。通過(guò)檢測(cè)這些電位差就可以確定外力的作用，如圖 1.6 所示。壓電式傳感器在檢測(cè)高頻壓力方面的優(yōu)勢(shì)使其被應(yīng)用于精密設(shè)備的制造。此外，新型壓電材料的出現(xiàn)，包括聚偏氟乙烯(PVDF)、欽酸鎖(BaTiO;)、錯(cuò)酸 (PZT) 和氧化鋅 (ZnO) 等，取代了傳統(tǒng)的脆性陶瓷和石英，為壓電式傳感器的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。

Hou 等人報(bào)道了一種用于人體實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的柔性自供電的壓電壓力傳感器。該傳感器采用了基于壓電納米纖維/PDMS 復(fù)合材料制備的壓電薄膜，因此顯示出非常高的靈敏度。

摩擦電式柔性壓力傳感器

摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)在許多能量收集和信號(hào)產(chǎn)生方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。TENG 由兩種極性相反的摩擦材料組成，兩種材料相互接觸時(shí)，其內(nèi)表面會(huì)產(chǎn)生極性相反的靜電荷。分離后，兩個(gè)摩擦電材料背部表面的電極產(chǎn)生靜電感應(yīng)電荷。因此,產(chǎn)生了電勢(shì)差,導(dǎo)致電子通過(guò)外部電路轉(zhuǎn)移，直到當(dāng)兩種材料完全分離時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)。TENG 有四種不同的工作模式: 垂直接觸分離模式、橫向滑動(dòng)模式、單電極模式和獨(dú)立模式。TENG 展示了最佳的特性，如低成本、高輸出性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、出色通用性和可持續(xù)性，為未來(lái)的個(gè)人電子產(chǎn)品和自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)了新的機(jī)遇。

Lee 等人報(bào)道了一種自供電可拉伸的基于 TENG 的觸摸傳感器，適用于適應(yīng)皮膚運(yùn)動(dòng)的可穿戴設(shè)備。該器件由石墨烯、聚酷和聚二甲基硅氧烷制成，在 1-40 kPa 的壓力范圍內(nèi)產(chǎn)生 0.274 VkPa的靈敏度。