柔性压力传感器

柔性压力传感器

柔性压力传感器是指可以在包括弯曲、扭曲、拉伸等外界刺激下能输出响应

电信号，并具有高的互靠性和集成度的一类柔性电子器件

。前言#

简介

将压力输入转换为电信号的压力传感器是柔性电子家族中的重要成员。作为

最重要的柔性电子器件之一，柔性压力传感器可以附着在任意曲面上，高效地检

测各种人类活动包括人体物理、化学、生物和环境等状态信号。此外，柔性压力

传感器已经发展成为一个多学科交叉的领域，结合了材料科学、设备和系统工程

以及信号处理，包括新出现的人工智能等技术等。

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柔性压力传感器的感知机制可以简单的分为压阻式、电容式、压电式和摩擦电式。了解

这些传感器的性能，对传感器在不同应用领域中的应用起着至关重要的作用，并可以达到最

佳的功能匹配。

♦低检测极最高检剜极

材料传感机制灵敏度Ref

限限

碳纳米管压阻式IS.lkPa"'0.2Pa59kPa网

碳纳米管/石墨烯薄

压阻式19.KkPa10.6Pa0.3kPa网

肤

垂直抬列的碳纳米

压阻式0.3kPa-12Pa10kPa[36)

管阵列

1

石屋烧纸电容式17.2kPa'2kPa20kPa【34

有机场效应晶体泞电■式0.55kPa'13Pa20kPa[3]

全斌烷辄基烷烧

1

压电式15VkPa'-2.5kPa[38]

（PFA）

址保氟乙烯＜PVDF）压电式-1kPa30kPa[3IJ

米对率二甲酸乙二

摩擦电式-0.5Pa-[32]

酯/辄化朋懦

氧化乙烯丙烯/氧化

钢锡/聚对某二甲酸摩擦电式44mVPa'0.15kPa网

乙二酯/尼龙

02

#制备材料#

用于可穿戴健康检测的柔性压力传感器是一个复杂的集成系统，通常由柔性

/可拉伸基底、导电电极以及传感材料组成。因此，就特别需要注意每个单独的

组件、它们的交互以及这些交互对整个系统性能的影响

基底

基底材料在柔性压力传感器构建中起着重要的作用。通常，柔性聚合物和橡

胶等材料由于其热稳定性、良好的耐化学性和巨大的机械柔性而被广泛用作柔性

传感器的基底材料丁其中使用最多的柔性可拉伸基底材料,包括聚乙烯醇（PVA）.

聚亚胺（PI）、聚对苯二甲酸乙二醇（PET）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）硅胶材料等,

它们在柔性传感器领域获得了广泛的应用。

纤维和纺织品非常适合制备可穿戴电子产品，因为纺织品是最接近人类皮肤

的天然材料，被认为是第二种人类皮肤。通过与多功能电子设备的整合，新型纺

织品既具有柔性电子设备的功能，又具有服装类纺织品的特点。到目前为止，己

经开发出了各种智能纺织品来感测环境条件和与健康相关的生理信号。例如，导

电纱线可以编织成智能纺织品，该智能纺织品配备有多功能传感器，具有监测心

电图信号和血压的能力。因此，纤维和纺织品为可穿戴设备提供了一个有价值的

平台，迎来将传统纺织品推向智能化、多功能化的时代。

对于各种应用场景,柔性压力传感器需要耐用且具有兼容性的基底才能满足

要求。例如，医疗器械必须由具有生物相容性的材料制成，以便在不引起感染的

情况下使用并附着在人体上。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(约100-1100%)而被广泛用作柔性/可拉伸装置中的基底。为了提

高传感器的灵敏度和响应时间，具有微结构的PDMS薄膜被应用到柔性传感器

基底中，并已经开发出了包括金字塔、微圆柱和半球等微结构。

)MOicrodomeMicropyramidMicropillar

0O

?O

水凝胶作为一种三维(3D)交联亲水聚合物网络的固体材料，由于其高透明

度、高柔韧性、高可拉伸性和良好的生物相容性而在柔性压力传感器领域显示出

诸多潜在应用。迄今为止，各种导电材料已经被嵌入水凝胶基质中以制备导电水

凝胶。通过增加导电材料的含量或直接掺杂导电聚合物，水凝胶的导电性通常会

感器。此外，由于结构缺陷，石墨烯在用于柔性电子器件的构建时仍具有局限性。

如由于机械限制和片层之间的电阻较大其电性能有些有待提高。已经有研究通过

利用碳纳米管或金属纳米线与石墨烯结合的混合结构来克服这些局限性。报道了

在聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底上使用威森伯格效应制备具有多壁碳纳米管的石

墨烯纳米片，以制造具有大约6.65MPa”和0.335kPa”的高压灵敏度的柔性压力

传感器。

(|))GNPs/MWCNT

此外，导电聚合物已经被广泛用作柔性压力传感器的传感材料。PEDOT:PSS是另一种常

见的导电聚合物。MXene是一种2D层状纳米材料，具有大的比表面积和高导电性，已用

于制备不同种类的柔性压力传感器。基于分层图案化聚毗咯(PPy)制造了高灵敏度压阻式

压力传感器，该传感器灵敏度高达19.32kPa,且检测极限很低。

PPy/PDMS

01

#分类#

柔性压力传感器的感知机制可以简单的分为压阻式、电容式、压电式和摩擦

电式。了解这些传感器的性能，对传感器在不同应用领域中的应用起着至关重要

的作用，并可以达到最佳的功能匹配。

压阻式柔性压力传感器

压阻式柔性压力传感器的基本工作原理是基于材料变形而产生的电阻变化

这种变化可以反映为相应的电信号变化。与传统的压力传感器相比，压阻式柔性

压力传感器具有高的灵活性和灵敏度，因而被广泛的应运于医疗监测、软体机器

人和体育锻炼等［14,401o压阻式传感器的电阻变化通常取决于几何参数的变化,

如导体的长度和面积，其公式为：R=pL/A,p是材料的电阻率，L是长度，A是

而积。L和A参数随着材料的变化而变化，这导致了电阻值的变化。压阻式压

力传感器的工作原理如图1.2所示。在外加压力的作用下，压阻式传感器的传

感材料发生变形，其中导电材料的接触面积发生变化，从而导致了电阻的变化和

电信号的输出。压阻式压力传感器的这些原理可以应用到柔性可穿戴电子产品上

它可以通过电阻的变化来监测身体各项数据，以预防疾病的发生。

压阻式

人们通过研究不同种类的传感材料和不同形貌的表面结构来开发高性能的传感器。Kim

等人提出了一种垂直排列的碳纳米管(VACNT)阵列嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)基质中的可

穿戴的柔性压力传感器该柔性压力传感器显示出高灵敏度(0.3kPa)、快的响应时间(108ms)

以及良好的机械耐久性(5000次循环)。

b

10

Appliedpressure.kPa

电容式柔性压力传感器

电容式的柔性压力传感器因其具有相对较高的灵活性、简单的结构、良好的动态响应性

能、高分辨率、无漂移特性、鲁棒性和低功耗而受到广泛的关注。电容式压力传感器通常包

括两个柔性电极及来在两电极中的介电层。电容式和压阳式传感器在设计思路上有着的相似

之处。例如，压阻式压力传感器中使用的微结构材料或绝缘弹性材料也可以作为柔性电容式

传感器（例如PDMS）的介耳材料。电容式柔性压力传感器可以将机械刺激转化为电容变化,

如图所示控制电容变化的方程为其中是介电材料的相对介电常数，是空间介电常数，A是

电容器的面积，d是两个分离电极之=间的距离。当垂直于电极施加压力时，距离d变化，导

致电容变化,而距离d随着压力的变化而变化。由容式压力传感器的传感性能、柔性介电层

（如PDMS和热塑弹性体等）、电容将随材料变形面积或厚度的变化而变化。

电容式

提出了一种在聚（亚乙烯基氟代•三氟乙烯）薄膜中形成互锁对•称纳米锥的高灵敏度电容

式压力传感器。该传感器表现出6.583kPa的最大灵敏度、约3Pa的超低检测极限、48/36

ms的快速响应/恢复时间和10000次循环的高稳定性。

压电式柔性压力传感器

柔性压电式传感器因其材料制备简单、成本低廉、电信号易于采集等优点，受到了研究

者的广泛关注。压电式柔性压力传感器可以将机械能和电能相互转换。他们的转换机制可以

描述如下:当材料受到外部压力产生变形时，正负电荷在功能材料中分离。在材料的两个相

对表面，会出现方向相反的正负电荷排列，内部会形成电位差。通过检测这些电位差就可以

确定外力的作用，如图1.6所示。压电式传感器在检测高频压力方面的优势使其被应用于

精密设备的制造。此外，新型压电材料的出现，包括聚偏氟乙烯(PVDF)、钦酸锁(BaTiO;)、错

酸(PZT)和氧化锌(ZnO)等,取代了传统的脆性陶瓷和石英，为压电式传感器的发展带来

了新的机遇。

:::

压电式

报道了一种用于人体实时运动检测的柔性自供电的压电压力传感器。该传感器采用了基

于压电纳米纤维/PDMS复合材料制备的压电薄膜，因此显示出非常高的灵敏度。

摩擦电式柔性压力传感器

摩擦纳米发电机(TENG)在许多能量收集和信号产生方面表现出优异的性能。TENG由两

种极性相反的摩擦材料组成，两种材料相互接触时，其内表面会产生极性相反的静电荷。分

离后，两个摩擦电材料背部表面的电极产生静电感应电荷。因此,产生了电势差，导致电子通

过外部电路转移，直到当两种材料完全分离时达到平衡状态。TENG有四种不同的工作模式:

垂直接触分离模式、横向滑动模式、单电极模式和独立模式。TENG展示了最佳的特性，如

低成本、高输出性