一文了解：压阻式柔性压力传感器

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近年来，随着对人体运动和生理信息实时检测需求的不断增长，具有微型化和智能化特点的柔性可穿戴电子设备得到了快速发展。因此人们开发了各种类型的柔性传感器，包括柔性压力传感器、应变传感器、温度传感器、湿度传感器和电化学传感器。

其中，柔性压阻式压力传感器具有制备工艺简单，能耗低，性能稳定，抗干扰能力强，灵敏度高，应用范围广，信号处理容易，易于成阵，可实现系统集成和智能化等优点而备受关注。

柔性压阻传感器

柔性压阻式传感器主要由柔性基材、导电填料以及外电极组成。当对传感器外部施加应力时，会引发内部导电网络发生改变，导电通路增加，从而传感器的电阻率会发生变化。因此可将力学信号转换为电学信号输出。根据电阻的定义：

R = ρL / S

其中，ρ是电阻率，L 是长度，S 是横截面积。一般而言，电阻型压力传感器电阻的变化由外部刺激触发的宏观几何参数变化而引起, 而基于压阻效应的柔性压阻式压力传感器电阻的变化则主要取决于电阻率的变化。通过筛选纳米复合材料的种类、控制材料的用量和设计活性层微结构可以制备具有不同性能侧重点的柔性压阻式压力传感器。

柔性压阻传感器的性能指标

柔性传感器的主要性能参数包括灵敏度、线性测量范围、响应及恢复时间和工作稳定性。

1. 灵敏度

传感器灵敏度（S）的物理意义为传感器电阻相对变化率与应力关系曲线的斜率，反映了传感器对力学信号的敏感程度。灵敏度越高，则传感器越容易测量到微小的力学信号。灵敏度可使用数字万用表和力学试验机测得相关数据并计算得到，灵敏度还可以用应变系数（GF）来表示，其代表传感器相对电阻变化率与应变的比值。S和GF的计算公式如下：

式中，R0为传感器的初始电阻，ΔR为应力作用下传感器电阻的变化量，ΔP为施加到传感器的应力变化值，ε为应变。

2. 线性测量范围

根据传感器相对电阻变化率ΔR/R0与应变ε的关系曲线，可得到一条校准曲线，其拟合曲线即为传感器的性能曲线。

金属与半导体材料制成的传感器有单个线性区域，而由聚合物作基材的柔性传感器则具有多段线性传感范围，对应着多个灵敏度，如图1所示。

图1，柔性压力传感器在1~1kPa和1kPa~10kPa两个区间内分别具有10.805kPa-1和2.015kPa-1的高灵敏度。但显然在第1个线性区域中，传感器拥有更高的传感性能。宽的线性测量范围有利于传感器适应多样的测量环境，进而能够更好地完成多场景的测量工作。

3. 响应及恢复时间

响应时间是传感器从接收外部力学刺激开始到产生电学信号变化所需的时间；恢复时间则是指从力学刺激消失到电学信号恢复初始状态所需的时间。

响应及恢复时间是评价传感器实时动态压力传感性能的重要参数，代表了传感器对于力学信号与电学信号进行相互转换的能力。

一方面, 与压敏材料的黏弹性, 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。

4. 工作稳定性

工作稳定性，是指柔性压阻式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。

在持续加载/卸载的循环应力作用下，压阻式传感器内部孔洞及表面微结构可能发生疲劳变形破坏，会使传感器应力-应变曲线产生明显滞后现象，导致其传感性能下降，因此提高传感器的抗疲劳能力对于其长期使用性至关重要。

柔性压阻传感器的传感机制

根据组成传感器的材料种类及传感器活性层微结构设计, 柔性压阻式压力传感器的传感机制主要包括以下几种。

1. 基于半导体材料能带结构变化

传感器活性层材料不仅需要具备一定的导电性, 还需要对外部力的刺激具有敏感性。半导体材料在外力形变下能带结构发生变化, 从而改变电阻率值, 因而具备应用于柔性压阻式压力传感器的潜力。半导体材料种类多样，既能满足传感器压力区间差异性需求, 也能为设计不同性能侧重点的压力 传感器提供新的思路。

在柔性压阻式压力传感器设计过程中广泛应用的二维材料石墨烯，被发现在施加20%的 拉伸应力时, 其电子的结构和输运特性发生变化, 从而使得导电性能产生变化。

2. 基于导电高分子复合材料的渗流理论

由低杨氏模量的弹性体结构和表面导电层组成的两层结构模型的柔性压力传感器，在长期稳定性循环测试中, 由于弹性体形变层与表面导电层之间存在杨氏模量失配，从而出现表面导电层产生裂纹甚至从变形层脱落的现象。

为了保证柔性压阻式压力传感器的循环稳定性，人们提出了基于导电高分子复合材料的渗流理论，开发出一种兼具高电导率和低杨氏模量的渗透型导电复合纳米材料, 以此作为柔性压阻式压力传感器的传感层来替代传统的两层结构模型。

在设计基于渗流理论的柔性压阻式压力传感器时, 要保证传感器的灵敏度及压力范围，首先要控制导电填料的体积含量，在导电高分子复合材料内部仅形成部分导电通路。当对传感器施加压力时，导电粒子间的平均距离开始缩小，形成了更多的导电通路，因此导电高分子复合材料的电阻率值降低。

3. 基于导电高分子复合材料的隧穿效应

基于导电高分子复合材料的隧穿效应是指在导电高分子复合材料量中，导电填料之间的电子穿过原本无法通过的“能量势垒”的现象。在此效应下, 电子存在一定的概率从低能量态跃迁至高能量态，从而形成隧穿电流。

4. 基于界面接触电阻的变化

通过筛选纳米复合材料的种类或者控制材料的用量构建高分子复合材料导电网络无法进一步提高传感器灵敏度等性能。研究者为了打破这种局限性，建立了基于界面接触电阻变化机制的设计模式。

所有固体表面在微观尺度上都是粗糙的, 因此两种材料之间的界面接触发生在两个表面 微凸体机械接触产生的接触点上, 真正接触的面积仅是名义接触面积的一小部分。而电流线束则会经由这些独立分开的接触点传输。接触点数量和尺寸的变化直接决定了电阻值的变化，因此通过调控接触微凸体的尺寸、数量及优化接触点的分布等条件，使接触的总面积尽可能大, 可以获得更小的电阻值。

通过设计活性层的微结构, 改变材料接触面的粗糙程度等方法, 均可实现对界面接触电阻的调控, 以满足对柔性压阻式压力传感器的不同灵敏度的需求。这也为开发综合性能优异的柔性压阻式压力传感器提供了新的思路。

柔性压阻传感器的材料组成

柔性压阻式压力传感器包含了柔性基底、电极和活性层材料三个部分。柔性基底可在机械刺激下被拉长或压缩；电极应在较大应变下，能保持较高的电导率和良好的稳定性；而活性层材料作为柔性压阻式传感器的“核心部分”, 不仅需要提供足够的电荷传输路径以满足电流的流动，还要有良好的弹性以抵抗外加压力所带来的形变。

1. 基底材料

基底材料在很大程度上决定了传感器的柔韧性和可拉伸性。常见的柔性基底有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯醇(PVA)和聚氨酯(PU)系列、有机纤维等高分子材料。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）因价格便宜、易加工、柔韧性高、可拉伸、生物相容性优异、耐腐蚀、耐热耐寒、透明度高等优点，成为了最常用的柔性基底材料之一。

聚酰亚胺（PI）力学性能优异，具有出色的绝缘性，耐热性强，在-100℃～300℃温度范围内能保持稳定的性能，是柔性传感器的优异基底材料。

Ecoflex是苯二甲酸丁二醇酯和己二酸丁二醇酯的共聚物，该共聚物是目前降解性能最优异的生物降解塑料材料之一，同时具有防水性、高弹性、抗拉性等优点，被当作制备柔性压力传感器的理想基底材料之一。

纤维和纺织品具有上述基材所缺乏的优良透气性，被认为是最接近人体皮肤的天然材料。

2. 活性层材料

活性层材料是压力传感器感知外界压力的关键部分，决定了传感器的传感性能是否优异。常用的活性材料是金属基材料（例如液态金属、金属颗粒和NWs）、碳基材料[例如炭黑(CB)、碳纳米管和石墨烯]、导电聚合物[如PPy，聚(3,4 亚乙基二氧噻吩)∶聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT∶PSS）和聚苯胺（PANI）]以及其他材料（如MOF，Mxene）等。这些活性材料表现出优异的力学性能、优异的导电性和长期稳定性。

3. 电极材料

柔性电极起到实时传递电信号的作用，是柔性压力传感器的基础元件。柔性电极材料应具有良好的电子输送能力、机械性能和力学性能，并且能在大应变下保持高导电率。常用的柔性电极材料有碳纤维、碳纳米管、石墨烯、液态金属、导电高分子凝胶、柔性金属材料、柔性复合材料等。

聚合物弹性体经常被用作压力传感器的柔性基底, 通过导电纳米材料依附于聚合物弹性体表面而形成活性传感层。但由于导电纳米材料与聚合物弹性体存在杨氏模量失配的问题，容易导致器件的稳定性差。

将低杨氏模量聚合物弹性体和高电导率纳米填料混合, 制备较低杨氏模量、较高电导率的复合材料，作为柔性压阻式传感器活性层可以解决以上问题。按照传感机制可以分为逾渗导电机制和隧穿效应机制。

金属基纳米颗粒在导电纳米复合材料中间距较小, 纳米颗粒之间的电子输运以隧穿为主, 而无序的金属基纳米颗粒阵列中存在大量的导电路径。由于量子隧穿对粒子间间距极其敏感, 通过对金属基纳米颗粒阵列施加几何结构的微小变化, 可以打破或再生新的导电路径。因此, 金属基纳米颗常被用于制作超灵敏压阻式压力传感器的导电填料。

通过控制石墨烯的CVD沉积温度，可以达到调节柔性石墨烯基压力传感器的灵敏度的目的。这是由于石墨烯网络中电荷载流子通过石墨烯晶格本身的缺陷、基于石墨烯岛之间的隧穿效应、类缺陷结构之间的隧穿效应等多种形式散射造成的。与丝网印刷、喷涂、真空过滤、旋涂和喷墨印刷等技术结合, 可直接将石墨烯片大面积沉积在柔性底物上, 实现低成本化、可批量生产化。

然而石墨烯和碳纳米管具有很高的模量 (~1 TPa)，因此很难通过改变石墨烯和碳纳米 管的内部原子结构进一步提高压阻型传感器的灵敏度。这些缺点促使科学家们寻找新的具有层间原子运动的材料或结构来进一步提高灵敏度。

MXene(Ti3C2Tx)纳米片，作为一种新型的二维碳基纳米材料，由于层间距离较宽，在外压下具有较高的灵敏度和柔韧性, 能够满足检测微小人类活动的要求, 因此成为制备柔性压阻式压力传感器活性层的热门材料。

MXene材料亲肤且具生物降解性, 因此可以直接附着在人体皮肤上, 这种类似电子皮肤的集成器件在描绘触觉刺激、个人健康监测、临床诊断和下一代人造皮肤方面均具有巨大的潜力。

为了制备灵敏度高、传感范围宽、稳定性好等综合传感能力优良的柔性压阻式压力传感 器, 根据不同的传感机制, 需要考虑选择不同类型的活性层材料，以及设计多样化的微型器件结构。

柔性压阻式传感器的结构设计

柔性压力传感器的结构一般可分为平面薄膜结构器件、表面粗糙结构器件和三维多孔结构器件三类，其结构特点密切影响着器件的传感性能。

1. 平面薄膜结构

平面薄膜结构的传感器，一般是将导电材料与柔性绝缘材料均匀共混，通过压膜、刮膜等方式制备而成。

柔性导电薄膜在受到外力时会发生形变，形变改变了薄膜材料中导电物质间的接触状况，导致材料的导电通路发生变化，从而引起传感器电阻的变化。当撤去外力时，传感材料因具有弹性而恢复原状，材料中的导电物质间的接触状态同时恢复原状，因此电阻恢复为初始值，从而建立电阻与压力之间的关系。

平面薄膜结构的柔性压力传感器虽然具有较宽的应力监测范围，但因受力时形变有限而导致灵敏度较低。简单地将更换绝缘弹性基底上，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。

2. 表面微结构

为克服平面薄膜结构传感器传感范围窄和灵敏度低的缺陷，需要根据柔性压阻式压力传感器的传感机制对活性层材料进行微结构设计，改变电极与传感材料间的接触方式。

微结构的设计将平面薄膜结构展现出的体压阻效应转变成接触面更小的表面接触电阻效应。从而改善传感器的传感性能，提高传感器的灵敏度。这是由于带有微结构的传感器具有更多的变形空间，且接触区域局部应力集中，因此可以提高柔性传感器的灵敏度和测量范围，缩短其响应时间。

微结构设计类型主要有三类, 分别为: 单一微凸体结构(微波纹、微金字塔、微球、微柱/微毛、无规则结构等)；复合微凸体结构；三维多孔结构等。

波纹型微结构可采用预拉伸表面处理成型或调控温度成型，具有加工工艺简单、可调控、可大规模制造等优势。

金字塔型微结构相对于波纹型结构在外力作用下会发生更明显的应力集中现象，具有更低的弹性模量，从而产生更大的形变实现传感器超高灵敏度。

相比于金字塔型微结构，在相同载荷下微球型表面微结构可获得更大的接触面积变化。

微柱/微毛型微结构具有更高的深宽比、更小的弹性模量及更大的空隙，通过传统光刻工艺，可实现在光刻胶及硅基底上加工出微柱/微毛型阵列，结合倒模工艺实现电极微柱/微毛型微结构。

3. 多孔微结构

与平面薄膜和表面微结构材料不同，三维多孔结构材料具有很高的孔隙率，可以提高材料的导电表面积，为材料受压时提供更多的电荷传输通道；同时，三维多孔结构材料泊松比高，杨氏模量低，受力时更易发生形变，改变导电接触面积，导致传感器在微弱应力变化下即具有明显的电阻变化，灵敏度更高。这些特性使得三维多孔结构压力传感器的传感性能更优异。

多孔结构包括海绵、泡沫、气凝胶等微结构，因其质量轻、多孔的层次结构和独特的电学性能等优点成为进一步优化柔性压阻型压力传感器传感性能的理想选择。

4. 纤维织物结构

作为三维多孔结构的其中一种，纤维织物结构具有独特的纤维分层结构，更大的传感区域、高空间监测精度和稳定的传感结构。

纤维织物结构压阻式传感器，具有多孔分级结构，能够在力学刺激下实现纱线中不同纤维之间的接触分离，从而能够有效拓宽传感器的传感范围，提高传感灵敏度。

纺织品吸湿柔软、透气且对人体皮肤舒适，是设计柔性压力传感器的理想载体，特别是用于医疗保健和监测人类活动的可穿戴电子产品，以纺织品作为柔性材料既可以满足传感器对柔性的要求，又可以很好地与服装结合在一起。目前，基于纺织品的柔性压力传感器在可穿戴电子领域具有重要意义，特别是用于制作智能纺织品，在运动监测和训练、 医疗检测和人机交互等领域的应用前景也得到了极大的发展前景。