壓力傳感器在消費(fèi)電子、醫(yī)療和機(jī)器人等領(lǐng)域的重要性已無需贅述。伴隨著電子皮膚等概念的飛速發(fā)展，更輕、更薄、可穿戴的壓力傳感器層出不窮。現(xiàn)階段，科學(xué)家已經(jīng)在這一領(lǐng)域積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。當(dāng)我們站在現(xiàn)在，展望將來的壓力傳感器發(fā)展路線時(shí)，我們最需要的是更成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，讓我們從“設(shè)計(jì)-制備-測試-再設(shè)計(jì)”的經(jīng)驗(yàn)主義走向“理論預(yù)測/設(shè)計(jì)-制備-測試”的理性設(shè)計(jì)路線。
近日，斯坦福大學(xué)鮑哲南院士團(tuán)隊(duì)針對壓力傳感器活性層的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了綜述。針對四種最常見的壓力傳感器，即電容傳感器、電阻傳感器、壓電傳感器和摩擦電傳感器，分別討論并比較了提升其靈敏度、感應(yīng)范圍、響應(yīng)時(shí)間、形變回復(fù)速率、和感應(yīng)下限的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)理和加工方法。上述文章以“Microengineering pressure sensor active layers for improved performance”為題，發(fā)表于《Advanced Functional Materials》。
1.哪些指標(biāo)最重要？
對于器件性能而言，靈敏度、感應(yīng)范圍、響應(yīng)時(shí)間、形變回復(fù)速率和感應(yīng)下限最重要。
靈敏度：靈敏度用于描述傳感器受到單位強(qiáng)度的壓力時(shí)輸出信號(hào)強(qiáng)度的變化幅度，用輸出信號(hào)強(qiáng)度的變化值除以初始輸出信號(hào)強(qiáng)度再除以壓力變化值來表示。一般而言，高靈敏度也同時(shí)意味著稿信噪比，這使得傳感器對微小壓力變化的感應(yīng)能力增強(qiáng)。
感應(yīng)范圍：感應(yīng)范圍代表了在多大的壓力范圍內(nèi)傳感器能給出有效的輸出信號(hào)。一般而言，傳感器在整個(gè)感應(yīng)范圍上會(huì)有多個(gè)線性感應(yīng)區(qū)間，在一個(gè)區(qū)間內(nèi)，信號(hào)強(qiáng)度變化量正比于壓力變化量，具有統(tǒng)一的靈敏度。
響應(yīng)時(shí)間和形變回復(fù)速率：這兩個(gè)量分別代表著傳感器輸出信號(hào)變化相對于施加壓力和撤去壓力的滯后程度。對于高頻脈沖信號(hào)的探測而言，快速響應(yīng)十分重要。
感應(yīng)下限：是傳感器能感受到的最小壓力的大小。對于不同的應(yīng)用場景，其壓力探測范圍也不同，因而要調(diào)整感應(yīng)下限和感應(yīng)范圍以達(dá)到在應(yīng)用范圍內(nèi)靈敏度最大化。
對于制備方法來說，工藝復(fù)雜度、結(jié)構(gòu)均勻度、形狀/尺寸的多樣性和可調(diào)節(jié)性以及規(guī)模化前景是最重要的。一個(gè)優(yōu)秀的制備方法應(yīng)當(dāng)能夠通過簡單的操作流程制備具有不同微結(jié)構(gòu)（金字塔、圓柱、半球、多孔結(jié)構(gòu)等）的高度均勻的傳感器活性層，并具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛力或兼容現(xiàn)存工藝。
2.提升電容傳感器性能的機(jī)理與加工方法
電容式壓力傳感器通過探測電容隨壓力大小的變化來感應(yīng)壓力大小。受壓時(shí)，電容兩極板間距和電介質(zhì)介電常數(shù)會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容的變化。因此要想提高電容傳感器的靈敏度、響應(yīng)速度和感應(yīng)下限，常用的方法是減小介電層的壓縮模量并提高其介電常數(shù)。需要注意的是，減小模量往往會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)范圍的下降，彌補(bǔ)的辦法包括賦予材料隨應(yīng)變增大而增大的壓縮模量以及增大傳感器厚度。能實(shí)現(xiàn)上述要求的微結(jié)構(gòu)主要包括微圖案陣列（金字塔形、半球形、圓柱形等）、微孔結(jié)構(gòu)（1 – 1000μm的微孔）和混合式結(jié)構(gòu)。可用于加工微圖案陣列的方法包括光刻/軟光刻和生物模板法；微孔材料一般通過混合造孔劑（孔模板）如水、方糖和聚苯乙烯微球和彈性體來制備。
3.提升電阻傳感器性能的機(jī)理與加工方法
電阻式壓力傳感器是通過檢測兩極板間電阻隨壓力的變化情況來測量壓力大小。當(dāng)壓力增大時(shí)，電流流動(dòng)的截面積增大，流動(dòng)距離縮短，電阻下降。然而一般的壓力傳感器都具有薄厚度、大面積的特性，因而電阻式傳感器的靈敏度都很低，并且其響應(yīng)速度和感應(yīng)下限都受限于傳統(tǒng)活性層較高的壓縮模量和較慢的回復(fù)速度而得不到提升，因此微圖案陣列和微孔結(jié)構(gòu)法仍適用于提升電阻式傳感器的性能。此外，科學(xué)家還開發(fā)出了多層堆疊微結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)一步提高其性能。不過與電容式傳感器的微加工法有所區(qū)別的是，電阻式壓力傳感器的性能提升要點(diǎn)在于提高電流流動(dòng)截面積隨壓力變化而變化的量，單純降低壓縮模量所能提升的性能有限。相比于金字塔等結(jié)構(gòu)，圓頂式結(jié)構(gòu)以及多尺度圓頂結(jié)構(gòu)對提升電阻式傳感器的靈敏度和感應(yīng)范圍更為有效。同樣地，光刻/軟光刻、生物模板法以及傳統(tǒng)彈性多孔材料的制備方法也都適用于加工電阻式傳感器的微結(jié)構(gòu)。
4.提升壓電傳感器性能的機(jī)理與加工方法
壓電壓力傳感器是利用壓電效應(yīng)將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。具有壓電效應(yīng)的材料在受壓形變的過程中，材料內(nèi)部原有的偶極會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電荷在材料兩面聚集，產(chǎn)生電壓。常用的壓電材料包括聚偏氟乙烯、鈦酸鋯酸鉛和氧化鋅等。理論上來來說，適用于電容式傳感器的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理也同樣適用于壓電傳感器。通過增大材料在受壓過程中的形變量，可以有效提高傳感器的靈敏度、響應(yīng)時(shí)間和感應(yīng)下限。目前對于壓電傳感器的微納結(jié)構(gòu)修飾仍處于研究初期，相關(guān)報(bào)道較少，但已有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明金字塔狀和三角截面條帶可有效提高壓電傳感器的靈敏度。
5.提升摩擦電傳感器性能的機(jī)理與加工方法
摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)合了摩擦起電和靜電感應(yīng)兩個(gè)效應(yīng)。兩個(gè)表面能不同的界面相互摩擦?xí)蛊鋽y帶相應(yīng)的電荷，兩者距離的改變則會(huì)引起表面電荷量的變化，當(dāng)通過電極與外電路相接時(shí)，就會(huì)在外電路中產(chǎn)生瞬時(shí)電流和電壓，其大小和兩表面的距離有關(guān)。對兩表面的微結(jié)構(gòu)處理能夠有效增加在摩擦起電過程中兩表面的接觸面積，并提高電荷轉(zhuǎn)移量，因而能顯著提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓和功率，有助于提高傳感器的靈敏度。目前最為常用且經(jīng)濟(jì)的處理方法是采用砂紙對表面進(jìn)行一定程度的打磨，提高其粗糙度。
6.結(jié)語
從先前的研究中，我們已經(jīng)能夠把握微結(jié)構(gòu)對傳感器核心性能的影響規(guī)律，并對其做出定性分析。然而為了實(shí)現(xiàn)對壓力傳感器的理性設(shè)計(jì)，更為精確的定量模型仍有待進(jìn)一步完善。通過結(jié)合有限元分析等強(qiáng)有力的計(jì)算工具，我們能夠更為精確地針對不同的應(yīng)用場景設(shè)計(jì)壓力傳感器的微結(jié)構(gòu)，并探索更多的可能性。
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