▲智能穿戴机器人应用

什么是柔性压力传感器

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。

▲柔性材料，为智能穿戴提供无限可能

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。

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。在这些应用场景下，电阻型压力传感器能够检测静态力和动态力，并且结构简单，运用电路简单，可集成性强，且不容易受到外场的干扰。在测量对象上，轻薄、可贴合装配、无需开孔、湿手可操控，不需要知道具体力的大小、但是可以分辨力的档位，电阻型柔性压力传感器的应用范围也是目前较为广阔的，典型的应用案例如TWS耳机、电动牙刷、智能家居、健康医疗等。

电阻型柔性压力传感器

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：

其中，ρ 是电阻率，L 是长度，S 是横截面积。它的传感机理简单，结构和制备流程简单，能量消耗小，因此受到了研究者们的广泛关注。

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。

柔性压力传感器的性能参数

压阻式柔性压力传感器本身作为一种“媒介”, 通过将施加的压力转化为电阻信号而对外界刺激做出响应。为了设计综合性能优异且实用性强的压阻式柔性压力传感器, 需要一些性能参数来定量评估器件的综合性能。这些性能参数包括: 灵敏度、传感范围、响应时间、弛豫时间、迟滞及稳定性等。

灵敏度 (S) 指电阻的相对变化随外加压力变化曲线的斜率, 是描述压力传感器将压力信号转变为电阻信号能力的关键性能参数。柔性压阻式压力传感器灵敏度的公式为

S = (∆R/R0)/∆P

其中, ∆R为电阻的变化量, R0为无施加压力时的初始电阻值, ∆P为施加的压力. 因此要提高灵敏度, 必须在∆P一定时提高∆R/R0比值。一个较高灵敏度的压力传感器通常具有较高的信噪比和较低的检测限, 从而使传感器可以检测到微小的压力变化。

传感范围是指压力传感器在一个压力范围内工作, 并且在这个范围内的压力信号可以被正确地转化为电阻信号。传感范围根据压阻式压力传感器的实际应用领域不同具有较大的差异性, 例如压阻式压力传感器在较小的传感范围内即可应用于监测心率、脉搏等关乎人体健康的医疗领域。 但是, 当应用于仿生电子皮肤领域往往需要大于 10 kPa 的传感范围。 应用性强且应用范围广的压力传感器需要获得较大的传感范围和较高的灵敏度值, 大多数高灵敏度传感器往往具有较小的传感范围, 因此在平衡灵敏度和传感范围方面仍有很大的挑战。

响应时间是指柔性压阻式压力传感器的电阻信号达到稳定输出值 90% 时所需的时间。

弛豫时间是指柔性压阻式压力传感器在去除施加压力后电阻信号从稳定输出值变为初始值所需的时间。二者是评价传感器实时动态压力传感性能的重要参数。一方面, 与活性材料的黏弹性, 以及材料和电极的接触情况有关; 另一方面, 与读取传感器电阻值的设备分辨率有较大关联。

迟滞是指柔性压阻式压力传感器在去除负载压力时不能恢复其未加载压力时电学特性的现象, 是衡量在加载-卸载压力循环下压力曲线中输出信号差异性的参数。

稳定性是指柔性压阻式压力传感器在多循环周期使用条件下传感能力的大小。它是评估器件能否长时间或多周期在仿生电子皮肤、健康监测等领域进行实际应用的重要参数。 一般为了测试传感器的稳定性, 需要对器件进行连续的加载-卸载测试循环, 加载-卸载测试循环次数越高, 代表压力传感器的稳定性越好。

柔性压力传感器的应用

柔性压力传感器有各种各样的应用，通常分为三类：

1）人机界面；

2）电子皮肤；

3）健康监测。

在应用需求的驱动下，为了获得更好的用户体验或系统的可靠性和准确性，需要一些特定的功能，例如压力分布的识别和可视化等。

随着人工智能与纳米材料研究的协同发展, 对柔性传感器的研究逐渐向着实际应用领域迈进。在人机交互领域，很多移动穿戴设备如TWS耳机、智能手表等都用上了柔性压力传感器，在蓬勃发展的智能家居中如智能厨房、智能床垫等也有广泛应用。随着柔性压力传感器的发展，已经具备应用于电子皮肤感知和健康检测等领域的能力。 一方面, 人们对于自身健康状况越来越重视, 对于自身健康监测的需求越来越明显, 包括实时监测人体运动行为、心率和呼吸率、脉搏、血压等 ; 另一方面, 传感器可以用于构建电子皮肤帮助残疾人恢复在事故中丧失的感知能力或者构建机器人仿生皮肤等。而柔性压力传感器正是电子皮肤感知和健康监测必不可缺少的一部分。

近十几年来, 大量的科研工作者围绕柔性压力传感器展开了研究, 并取得了重大进展。在此基础上发展出了现在应用于各类场景中的传感器, 随着研究和市场需求的更深一步发展, 将赋予柔性压力传感器更多的功能。压阻式柔性压力传感器作为柔性压力传感器的重要分支, 具有结构简单、灵敏度高、工作范围大、响应速度快及稳定性高等特点, 在人类运动行为探测、健康监测、仿生电子皮肤开发及人机交互等领域已经逐步展现其广阔的发展需求。

问答时间

柔性压力传感器有哪些主要的微结构设计？

柔性压力传感器具备应用于柔性电子皮肤、健康监测等领域的潜力, 这也对柔性压力传感器的传感性能提出了更高的要求。简单地将导电纳米材料沉积在绝缘弹性基底上或者改变弹性基体和导电填料的组成, 并不能进一步提高灵敏度和传感范围等性能, 因此需要根据柔性压力传感器的传感机制对活性层材料进行微结构设计。微结构设计类型主要有三类, 分别为: 单一微凸体结构 (金字塔结构、半球状结构、半柱状结构、无规则结构等); 复合微凸体结构; 三维多孔结构等。

参考资料：

【1】《柔性压阻式压力传感器的研究进展》，李凤超 孔振 吴锦华 纪欣宜 梁嘉杰，南开大学材料科学与工程学院, 物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 70, No. 10 (2021) 100703；

【2】《柔性压力传感器的制备与应用》，李 刚 刘温霞，齐鲁工业大学生物基材料与绿色造纸国家重点实验室；

【3】《柔性压力传感器的原理及应用》，侯星宇 郭传飞，南方科技大学材料科学与工程系。

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