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(wú)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(lái)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(cè)試-再設(shè)計(jì)”的經(jīng)驗(yàn)主義走向“理論預(yù)測(cè)/設(shè)計(jì)-制備-測(cè)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(duì)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(duì)四種最常見(jiàn)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(duì)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(lái)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(duì)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(duì)于施加壓力和撤去壓力的滯后程度。對(duì)于高頻脈沖信號(hào)的探測(cè)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(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，其壓力探測(cè)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(duì)于制備方法來(lái)說(shuō)，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(guò)簡(jiǎn)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(guò)探測(cè)電容隨壓力大小的變化來(lái)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?cè)龃蠖龃蟮膲嚎s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(guò)混合造孔劑（孔模板）如水、方糖和聚苯乙烯微球和彈性體來(lái)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(guò)檢測(cè)兩極板間電阻隨壓力的變化情況來(lái)測(cè)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(guò)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(duì)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(guò)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(lái)來(lái)說(shuō)，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(guò)增大材料在受壓過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)兩表面的微結(jié)構(gòu)處理能夠有效增加在摩擦起電過(guò)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(duì)表面進(jìn)行一定程度的打磨，提高其粗糙度。
6.結(jié)語(yǔ)
從先前的研究中，我們已經(jīng)能夠把握微結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器核心性能的影響規(guī)律，并對(duì)其做出定性分析。然而為了實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)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(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)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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