傳感器作為一種信息檢測(cè)與傳遞的裝置，能夠把被測(cè)量的信息按一定規(guī)律和方式轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或其他形式的信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)信息的收集、傳輸、處理、分析、顯示等。壓力傳感器是將外界的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成其他便于檢測(cè)的物理信號(hào)（如電阻、電壓、電容等），以測(cè)試絕對(duì)壓力值或壓力變化。壓力傳感器在觸覺感知 、指紋識(shí)別、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、人機(jī)界面、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)壓力傳感器以金屬、半導(dǎo)體、壓電晶體等為主，這些材料大多屬于剛性材料。雖然采用這些材料制備壓力傳感器的技術(shù)已經(jīng)十分成熟， 能夠精確測(cè)量較大范圍內(nèi)的壓力值，但是隨著科技的發(fā)展和人類需求的提高，其缺點(diǎn)也越來越明顯，例如器件體積較大、較重，不能承受較大的形變等。這些缺點(diǎn)阻礙了它們?cè)谌嵝匀藱C(jī)交互、便攜式檢測(cè)、智能機(jī)器人等場(chǎng)景下的應(yīng)用。

柔性與剛性是相對(duì)的概念。一般來說，柔性材料具有可彎曲、可變形的特點(diǎn)。其中，一些軟的柔性材料還具有彈性模量低、可拉伸性好、共形能力良好的特點(diǎn)。在柔性壓力傳感器的主要性能指標(biāo)中，除了柔性，之前研究者們普遍關(guān)注的是器件的靈敏度、響應(yīng)速度、檢測(cè)限、性能穩(wěn)定性等。但是隨著柔性壓力傳感器研究的深入，壓力響應(yīng)范圍、可拉伸性能、壓力分辨率和空間分辨率等也成為了近些年來大家評(píng)估性能的重要參數(shù)。目前，已經(jīng)有很多綜述對(duì)柔性壓力傳感器的原理、種類、制備材料、性能、應(yīng)用領(lǐng)域等進(jìn)行了十分詳盡和系統(tǒng)的闡述 ，但是在性能方面，大多數(shù)研究及綜述論文主要關(guān)注器件的靈敏度、線性度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、拉伸性能等，而對(duì)壓力響應(yīng)范圍、壓力分辨率和空間分辨率較少提及。在本篇綜述中，關(guān)于這些新的性能指標(biāo)的研究將一一呈現(xiàn)。

柔性壓力傳感器在許多方面有廣泛的應(yīng)用。例如它可以用于可穿戴電子設(shè)備中，監(jiān)測(cè)人體的脈搏、心跳等生理信號(hào)。同時(shí)，它還是機(jī)器人具備觸覺感知能力的重要元件。在假肢表面貼附柔性壓力傳感器，有望使肢體殘疾人士恢復(fù)觸覺。還可以把傳感器和衣物相結(jié)合，既能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人體的健康和運(yùn)動(dòng)信號(hào)，又簡(jiǎn)化了使用過程。本文將從傳感原理、傳感性能及器件應(yīng)用幾個(gè)方面來闡述，并重點(diǎn)關(guān)注器件傳感性能及其與材料和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)。

1 柔性壓力傳感器的傳感機(jī)制和常用材料

1.1 電容型壓力傳感器

電容型壓力傳感器一般由電極和介電層組成，它屬于一種平行板電容器，其電容值 C為

其中，ε0真空介電常數(shù)，εr為相對(duì)介電常數(shù)，A為電極有效面積，d 為極板間距。對(duì)于由軟材料構(gòu)成的器件，這3個(gè)變化量都容易受到壓力的影響，可根據(jù)電容信號(hào)的改變測(cè)得壓力的大小。

電容型壓力傳感器能夠檢測(cè)靜態(tài)力。普通的柔性電容型壓力傳感器具有能量消耗小，信號(hào)漂移小，響應(yīng)重復(fù)性高等優(yōu)點(diǎn)。介電層是電容型壓力傳感器提升靈敏度和壓力響應(yīng)范圍等的重要優(yōu)化對(duì)象。由于軟材料具有不可壓縮性，因此如果不引入特殊結(jié)構(gòu)，器件的靈敏度非常低。所以，通過形成特殊的微結(jié)構(gòu)，如球狀、柱狀、錐狀，引入第二相 ，使用高彈性材料，引入氣隙，將介電材料制成多孔的泡沫狀等方式，都可以顯著地改善電容型壓力傳感器的靈敏度。例如 Luo 等用聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS） 制備了不含微結(jié)構(gòu)和有豎直微柱結(jié)構(gòu)的介電層， 在同樣壓力條件下靈敏度提升了近3個(gè)數(shù)量級(jí)（0.626 MPa–1—0.033 kPa–1）。此外，采用軟材料也能提高靈敏度，但也容易導(dǎo)致響應(yīng)速度的下降。電容型傳感器還存在易受外部電源和外場(chǎng)干擾的缺點(diǎn)。

最近，一類基于雙電層（electric double layer，EDL）的電容型傳感器表現(xiàn)出更為優(yōu)異的性能（圖2（a））。這種傳感器的電荷間距僅為 1nm 左右，其電容密度與普通電容型傳感器相比可提升6個(gè)數(shù)量級(jí)，靈敏度也得以大幅提升。Bai 等制備了一種具有多級(jí)非穩(wěn)態(tài)自補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的離電型壓力傳感器，該傳感器在極寬的壓力響應(yīng)范圍（0.08 Pa—360 kPa）內(nèi)都具有極高的靈敏度（Smin ＞ 220 kPa–1）（圖2（b））。

1.2 電阻型壓力傳感器

電阻型壓力傳感器將壓力變化轉(zhuǎn)換成電阻或者電流的變化。根據(jù)電阻的定義：

電阻型壓力傳感器一般由襯底和導(dǎo)電材料組成。為了獲得良好的柔性和可拉伸性，襯底一般會(huì)采用彈性體，如 PDMS，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 （polyethylene terephthalate，PET）。導(dǎo)電材料除了具有一定導(dǎo)電能力外，還需要對(duì)壓力變化很敏感。電阻的變化可以概括為以下幾個(gè)因素。

1）材料的形狀結(jié)構(gòu)變化。結(jié)構(gòu)變形會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)度 L 和截面積 S 的變化。

2）材料能帶結(jié)構(gòu)的變化。比如石墨烯的拉伸程度超過 20% 時(shí)，電子能帶結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，從而引起導(dǎo)電性能發(fā)生變化。在半導(dǎo)體硅基材料中也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。

3）兩種材料之間的接觸電阻的變化（Rc）。例如利用靜電紡絲方法制成的 ZnO/ SiO2納米纖維薄膜，在1.25 cm?1曲率下靈敏度（Imax/I0）達(dá)到12.75. 它的傳感機(jī)理是隨著壓力的增加，纖維的接觸變得更加緊密，導(dǎo)致電阻變小。這類傳感器的缺點(diǎn)是容易出現(xiàn)信號(hào)漂移和滯后。

4）復(fù)合材料內(nèi)部導(dǎo)電相的間隔發(fā)生變化。將導(dǎo)電填料作為第二相加入到導(dǎo)電能力相對(duì)較差的高分子材料當(dāng)中， 達(dá)到滲透閾值時(shí)， 導(dǎo)電相會(huì)形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)為電阻明顯減小。導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成目前主要有兩個(gè)理論：一是滲透理論，二是隧道電流效應(yīng)。

電阻型與電容型壓力傳感器在設(shè)計(jì)策略上有類似的地方。例如，為了獲得較高的靈敏度，會(huì)使用具有微結(jié)構(gòu)的柔性襯底或?qū)щ妼?。尖錐狀陣列、球狀陣列、柱狀陣列，互鎖結(jié)構(gòu)等微結(jié)構(gòu)的應(yīng)用顯著提升了傳感器的靈敏度。Park 等將碳納米管（carbon nanotubes， CNTs）混入到 PDMS 中，通過模板法制造兩層表面有微球結(jié)構(gòu)的薄膜面對(duì)面疊放在一起（圖2（c）），形成上下互鎖的結(jié)構(gòu)。受壓時(shí)，隨著微球結(jié)構(gòu)發(fā)生變形并且接觸面積增大，導(dǎo)電填料間電阻變小。該柔性壓力傳感器相比于沒有微結(jié)構(gòu)和只有單側(cè)微結(jié)構(gòu)的傳感器對(duì)壓力變化的響應(yīng)更加顯著（圖2（d）），靈敏度可以在低壓（＜10 kPa）下達(dá)到15.1kPa?1 。還有研究者受到自然界中植物表面結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，利用植物的微結(jié)構(gòu)來制作柔性襯底。比如 Su 等將未固化的 PDMS 轉(zhuǎn)移到植物葉片上，成功得到具有葉片表面微結(jié)構(gòu)的 PDMS 襯底。相比于傳統(tǒng)的光刻法，該方法大大簡(jiǎn)化了制備過程。

1.3 壓電型壓力傳感器

壓電型壓力傳感器是將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，它的感應(yīng)機(jī)理來源于壓電材料的壓電效應(yīng)。描述壓電材料壓電性能最重要的參數(shù)是d33，稱為壓電常數(shù)，體現(xiàn)壓電材料將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能或者將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的能力。一般d33越大，壓電體的壓電性能越好。這類傳感器可以在壓力下產(chǎn)生內(nèi)部電壓，電壓的大小與應(yīng)變有關(guān)，在無源壓力傳感器領(lǐng)域具有巨大的潛力。壓電型壓力傳感器在測(cè)量動(dòng)態(tài)力上有出色的表現(xiàn)，并且響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到微秒量級(jí)，但是在靜態(tài)力的測(cè)量上還存在一些困難。壓電效應(yīng)可能發(fā)生在具有各向異性晶胞的晶體中，或者發(fā)生在駐極體內(nèi)具有不同電荷的區(qū)域中。常用的壓電材料主要有聚合物和無機(jī)材料。比如鋯鈦酸鉛 （lead zirconate titanate，PZT）、ZnO、聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）。
Rogers 等將 PZT 引入場(chǎng)效應(yīng)晶體管陣列的單元中，得到了具有超低檢測(cè)限（0.005 Pa）和超快響應(yīng)時(shí)間（0.1 ms）的壓力傳感器。Kim 等在 PVDF 基質(zhì)當(dāng)中引入BaTiO3，得到的傳感器有良好的抗疲勞性能，可在大于9MPa的應(yīng)力下穩(wěn)定循環(huán)106次; 最高輸出電流相比于非原位生長(zhǎng)的 PVDF 提升了1033%. Yang 等在此基礎(chǔ)上，加入聚多巴胺 （polydopamine，PDA）作為表面改性劑修飾，再與 PVDF混合（圖3（a））。發(fā)現(xiàn)當(dāng)PDA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 17% 時(shí)，產(chǎn)生的電壓可達(dá)9.3 V，比PVDF提升了13 倍（圖3（b））。PDA 的修飾不僅有助于BaTiO3均勻分散在PVDF當(dāng)中，而且減少了兩種材料間的裂紋和缺陷。在對(duì)靜態(tài)力的測(cè)量上，Chen 等 制備了一種基于BaTiO3納米線/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的壓力傳感器。他們報(bào)道了納米線中應(yīng)變產(chǎn)生的極化電荷作為帶電雜質(zhì)影響石墨烯載流子遷移率的機(jī)理，因此即使在靜態(tài)壓力下， 應(yīng)變也會(huì)對(duì)導(dǎo)電能力產(chǎn)生影響。器件的響應(yīng)時(shí)間為 5—7ms，對(duì)靜態(tài)壓力的靈敏度達(dá) 9.4×10?3 kPa?1。

1.4 摩擦電型壓力傳感器

摩擦電型壓力傳感器比前3種傳感器出現(xiàn)得晚。與電阻型和電容型傳感器相比較，它不需要提供電源; 與壓電型傳感器相比較，它可選擇的材料范圍更廣。摩擦電型壓力傳感器利用了摩擦起電的原理，具有成本低、制備流程簡(jiǎn)單和輸出電壓高的優(yōu)點(diǎn)。它一般由上下兩個(gè)電極和中間負(fù)責(zé)摩擦生電的不同材料構(gòu)成。兩層材料之間有一層薄薄的空氣。當(dāng)外加壓力時(shí)，兩種不同帶電序列的材料相互接觸，摩擦起電現(xiàn)象發(fā)生，在接觸界面兩側(cè)產(chǎn)生相反的電荷。當(dāng)壓力釋放后，帶等量相反電荷的兩個(gè)表面被自動(dòng)分離，由于靜電感應(yīng)現(xiàn)象分別在電極表面產(chǎn)生補(bǔ)償電荷。材料之間的空氣層使兩個(gè)表面上的電荷不能完全中和，形成電位差。這種機(jī)制使摩擦電型壓力傳感器可以在壓力作用并釋放后產(chǎn)生電信號(hào)。摩擦電型壓力傳感器最早在 2012 年被 Fan 等報(bào)道，他們用兩種不同的材料：PET 和 Kapton（卡普頓，主要成分聚酰亞胺）制成聚合物薄片疊加在一起，在結(jié)構(gòu)的頂部和底部分別沉積金屬薄膜。接通外電路后，輸出電壓高達(dá)3.3V，功率密度約為10.4 mW/cm3 。

影響摩擦電型壓力傳感器性能的關(guān)鍵在于材料的表面結(jié)構(gòu)。Ashok 等通過在砂紙上固化PDMS，以簡(jiǎn)單低成本的方式制備了微結(jié)構(gòu) 。PDMS和PET/ITO（銦錫氧化物）在壓力下摩擦產(chǎn)生電荷（圖 3（c））。該傳感器具有較高的靈敏度（7.697 kPa–1）（圖3（d）），可以檢測(cè)到大約1Pa的壓力，響應(yīng)時(shí)間小于 9.9 ms，并在4000次的壓縮循環(huán)后保持性能穩(wěn)定。Yang 等設(shè)計(jì)了一種可以檢測(cè)風(fēng)力的摩擦電型壓力傳感器。當(dāng)有風(fēng)力作用時(shí)，會(huì)引起尼龍薄膜的震動(dòng)， 根據(jù)摩擦起電現(xiàn)象和靜電感應(yīng)原理，頂部的聚酰亞胺 （polyimide，PI）和氧化石墨烯泡沫層會(huì)根據(jù)尼龍薄膜的距離遠(yuǎn)近而帶上數(shù)量不同的正電荷或者負(fù)電荷。傳感器輸出的電壓和電流與施加壓力大小存在線性關(guān)系， 隨著壓力增大， 電壓和電流都明顯增加（U= 85 × P0.12 ，I=5.42×P0.1，P表示壓力），在小于30N 的壓力范圍內(nèi)性能良好。

上述介紹的4種不同類型的壓力傳感器，電容型壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠檢測(cè)靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力，信號(hào)漂移小，但是容易被外場(chǎng)干擾，靈敏度受到介電層可壓縮程度的限制。電阻型壓力傳感器同樣能夠檢測(cè)靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是信號(hào)漂移較大，但是不容易受到外場(chǎng)的干擾。壓電型壓力傳感器大部分只能檢測(cè)動(dòng)態(tài)力，響應(yīng)時(shí)間快，相比于前兩種具有可自供電的優(yōu)勢(shì)。摩擦電型壓力傳感器一般也只能測(cè)動(dòng)態(tài)力，具有制作成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出電壓高、自驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。在測(cè)量對(duì)象上，一般電容型和電阻型壓力傳感器的應(yīng)用范圍更廣，但是也有例外，在一些惡劣的環(huán)境中，它們需要及時(shí)更換電源，比較耗費(fèi)人力和物力，而壓電型和摩擦電型的壓力傳感器由于可以自供電，能夠長(zhǎng)時(shí)間在野外檢測(cè)信號(hào)，極大地節(jié)省了成本。

1.5 柔性壓力傳感器常用的材料

柔性壓力傳感器根據(jù)傳感機(jī)制的不同對(duì)材料的需求也有差異。例如電容型壓力傳感器需要充當(dāng)介電層的材料，其介電常數(shù)較大，可減少漏電流; 壓電型壓力傳感器需要材料具有壓電效應(yīng)，在壓力作用下產(chǎn)生內(nèi)部電壓; 電阻型壓力傳感器需要材料的電阻能夠隨著壓力變化而變化; 摩擦電型壓力傳感器需要兩種不同摩擦電序的材料來實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移。一般把這些材料稱作傳感器的功能材料。常見的功能材料一般有碳納米管、石墨烯、納米線、有機(jī)聚合物、離子凝膠等。其中，絕緣又有良好彈性的有機(jī)聚合物可以作為介電材料，例如 PDMS等; 還可以作為壓電材料，例如 PVDF; 導(dǎo)電聚合物可以用在電阻型壓力傳感器中充當(dāng)導(dǎo)電層， 例如聚苯胺 （polyaniline，PANI）、聚吡咯（polypyrrole，PPY）、聚 3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽（poly（3，4-ethylenedioxythiophene）poly（styrene sulfonate），PEDOT:PSS）等。離子凝膠的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有比較好的拉伸性能，并且為離子的遷移運(yùn)動(dòng)提供了路徑。它可以作為離子電容型壓力傳感器的中間層，與電極界面形成厚度在納米級(jí)別的 EDL，對(duì)壓力變化具有較高的靈敏度。除了功能材料以外，還有電極材料和柔性襯底。電極材料通常有 PET/ITO，金屬薄膜或者金屬納米線，離子導(dǎo)體等，其中離子導(dǎo)體已有鎖志剛教授的綜述作了十分詳細(xì)的介紹。作為柔性襯底的材料需要具有柔性、彈性、化學(xué)惰性、在一定溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性、適當(dāng)?shù)睦煨约傲己玫墓残文芰?，同時(shí)為材料提供支撐，減緩材料的應(yīng)力集中，間接提升材料的可拉伸性。除了常見的PDMS，PI和PET之外，聚乙烯（polyethylene，PE）、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）、聚乙烯醇 （polyvinyl alcohol，PVA）等高分子薄膜材料也可以用作柔性襯底。

2 柔性壓力傳感器的性能

2.1 變形性能

柔性壓力傳感器在實(shí)際的使用過程中經(jīng)常會(huì)面臨各種不同的受力環(huán)境。例如在人體表皮電子的應(yīng)用中，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致貼附在其表面的電子器件承受較大的拉伸應(yīng)變，這對(duì)材料的柔韌性提出了較高的要求。而在彎曲、拉伸、擠壓等不同類型的應(yīng)變當(dāng)中，可拉伸性是最考驗(yàn)器件性能的指標(biāo)。要制備可拉伸的傳感器，就需要電極和功能材料同時(shí)具有可拉伸性，這對(duì)材料的要求進(jìn)一步提高。雖然有的材料可以拉伸，但是拉伸之后性能并不穩(wěn)定，比如金屬薄膜和柔性襯底組成的電極在被拉伸到一定程度之后電導(dǎo)率會(huì)急劇下降，用金屬納米網(wǎng)絡(luò)來替換金屬薄膜可以增加拉伸時(shí)導(dǎo)電性能的穩(wěn)定性，并拓寬可拉伸范圍。水凝膠離子導(dǎo)體也具有良好的拉伸穩(wěn)定性，盡管體電阻比金屬高得多，但是在高度拉伸下電阻增量卻較小。

除此之外，也要關(guān)注器件的共形能力。傳感器可能用在平面、曲面或者處于變化中的表面，例如人體關(guān)節(jié)附近的皮膚表面。如果不能和皮膚良好地貼合 （即共形），即使有很好的拉伸性能也不能準(zhǔn)確地搜集到想要的數(shù)據(jù)。為此，傳感器應(yīng)盡可能地薄， 并且彈性模量和皮膚接近，這樣才不會(huì)和皮膚脫離。

2.2 靈敏度

靈敏度是研究者們一直以來都十分關(guān)注的一個(gè)重要性能參數(shù)。壓力傳感器的靈敏度表示為

其中：S表示壓力傳感器的靈敏度;X0表示傳感器初始電信號(hào)的值，例如電壓、電阻、電容;?X則表示電信號(hào)的相對(duì)變化量; P表示傳感器受到的壓力。通常，提高靈敏度的方法包括降低初始電信號(hào)強(qiáng)度 X0（例如，在電阻型和電容型傳感器中引入微結(jié)構(gòu)，減小初始接觸面積）、采用新型的傳感材料（例如在電容型傳感器中引入離子凝膠形成離子電容型傳感器）、引入非穩(wěn)的細(xì)小裂紋（例如模擬蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)制備的有納米級(jí)裂紋的薄膜）等。

2.3 壓力響應(yīng)范圍

壓力響應(yīng)范圍是傳感器性能評(píng)估的一個(gè)重要指標(biāo)。下面將從極低壓和高壓兩個(gè)角度進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。大多數(shù)傳感器在正常壓力范圍內(nèi)擁有出色的響應(yīng)能力，但是在極低壓下（低于壓力檢測(cè)限）卻不響應(yīng)?；谶@個(gè)問題，很多研究者提出了相應(yīng)的解決辦法。例如 Dagdeviren 等在傳感陣列單元中引入PZT，設(shè)計(jì)了一種小巧輕薄并且可拉伸（30%）的壓電型傳感器，它可以和皮膚很好地貼合。由于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的放大效應(yīng)，該傳感器擁有超低的檢測(cè)極限（可以感應(yīng)到0.005 Pa 的壓力）。圖4（a），（b）展示了該傳感陣列可以感受到很?。?mm）的PDMS 薄膜與之接觸帶來的壓力變化。

除了擴(kuò)展低壓區(qū)的檢測(cè)限，壓力傳感器也需要在高壓區(qū)具有良好的響應(yīng)。前面已經(jīng)提到，很多研究工作通過引入活性層或電極上的微結(jié)構(gòu)來提高器件的靈敏度，包括金字塔、尖錐狀、球狀微結(jié)構(gòu)等，這些結(jié)構(gòu)都屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。由于軟材料的不可壓縮性，以及這些結(jié)構(gòu)受壓時(shí)發(fā)生硬化的現(xiàn)象，采用微結(jié)構(gòu)的傳感器很容易在壓力較大時(shí)信號(hào)達(dá)到飽和。最近，我們課題組制備了具有多級(jí)非穩(wěn)態(tài)自補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的離電型壓力傳感器有效地解決了上述問題。該工作采用一種易于失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)，它在受壓失穩(wěn)后，將嵌入到微溝槽中，有效地提高結(jié)構(gòu)的可壓縮性。在該策略指導(dǎo)下傳感器在極寬的壓力響應(yīng)范圍內(nèi)（0.08 Pa—360 kPa）的靈敏度均超過了220kPa–1（圖4（c）），在高壓區(qū)的靈敏度超過了之前結(jié)果達(dá)4個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.4空間分辨率和壓力分辨率

人體皮膚中分布著大量的感受器，能夠?qū)Νh(huán)境的溫度、濕度， 壓力等刺激做出靈敏且快速的響應(yīng)， 并讓人感受到刺激來自于身體的某個(gè)部位。為了讓電子皮膚也能夠敏銳地感知外界刺激的準(zhǔn)確位置， 需要提高器件的空間分辨率。

增加傳感器數(shù)量和減小傳感器尺寸是提高空間分辨率的基本方法。但是當(dāng)傳感器陣列做得更大，且每個(gè)單元的尺寸更小時(shí)，意味著有更多的數(shù)據(jù)需要搜集和處理， 如何快速有效地處理如此多的數(shù)據(jù)是一個(gè)重要問題。Wang 等對(duì)于常規(guī)傳感器陣列的 型線路（類似于一個(gè)電極對(duì)應(yīng)一條電路）進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)成一橫排或者一豎排的所有電極對(duì)應(yīng)一條電路，將需要處理的信號(hào)數(shù)量降低到了 m+n（圖5（a））。這種方法基于交叉定位技術(shù)，當(dāng)一個(gè)物體接觸到交點(diǎn)時(shí)，可以從相應(yīng)的行和列端口測(cè)量電壓信號(hào)。他們測(cè)試了傳感陣列對(duì)手勢(shì)的追蹤響應(yīng)，得到的壓力分布圖和手勢(shì)完全一致（圖5（c））。Ma 等將18根垂直交叉分布的碳纖維分為兩組，得到 99 個(gè)像素點(diǎn)，每根碳纖維都單獨(dú)引出與外部連接 。制備的壓力傳感器靈敏度為0.055 nA/kPa，響應(yīng)時(shí)間為68ms，分辨率可以達(dá)到127×127PI， 相比皮膚中機(jī)械性感受器的分辨率提高了約10倍。增加碳纖維的數(shù)量、減小碳纖維的直徑，并合理控制間距將能夠進(jìn)一步提升空間分辨率。Pan等報(bào)道了一種基于納米線發(fā)光二極管的壓力傳感器陣列。該傳感器陣列能夠以高達(dá) 2.7μm 的空間分辨率（6350 DPI的像素密度）測(cè)量二維平面內(nèi)壓力分布情況。每個(gè)像素點(diǎn)由單個(gè) n-ZnO nanowires/p-GaN 發(fā)光二極管組成，完成壓力的測(cè)量只需 90 ms. 圖5（b）和圖5（d）展示了該傳感陣列在用字母模板“ABC”和“PIEZO”進(jìn)行按壓時(shí)能產(chǎn)生準(zhǔn)確的響應(yīng)信號(hào)。

在某些壓強(qiáng)比較大的應(yīng)用場(chǎng)合，例如飛機(jī)模型的風(fēng)洞測(cè)試中，如何在極高的環(huán)境壓力下分辨出變化的低壓（即具有高壓力分辨率），對(duì)于飛行器的設(shè)計(jì)具有重要意義。然而，由于柔性傳感器中采用的很多軟材料（例如 PDMS）的彈性模量在 MPa量級(jí)，引入微結(jié)構(gòu)后，很多器件在 100kPa之后的響應(yīng)已達(dá)到飽和。優(yōu)化微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、引入更高模量的彈性體有益于提高傳感器的壓力響應(yīng)范圍。

前面我們已經(jīng)提到過一種“非穩(wěn)態(tài)自填充結(jié)構(gòu) ”能有效地提高壓力響應(yīng)范圍，能夠在0.08 Pa—360 kPa的壓力范圍內(nèi)獲得高于220 kPa?1 的靈敏度。這也使得傳感器在極寬的壓力范圍具有極高的壓力分辨率，即使在壓強(qiáng)為320kPa 的情況下，傳感器依然能夠分辨 18Pa（0.0056%）的壓強(qiáng)變化（圖 6（a）—（e）），遠(yuǎn)高于其他的傳感器和人體皮膚。

需要指出的是，壓力分辨率是比靈敏度更重要的參數(shù)， 但在柔性壓力傳感器的研究中卻鮮有提及。通常， 靈敏度是相對(duì)量， 其高低并不能直接反映出傳感器的壓力分辨能力; 相比之下， 壓力分辨率則直接反映出器件在壓力條件下對(duì)力刺激的響應(yīng)能力， 這在實(shí)際應(yīng)用中更有意義。除了本文中詳細(xì)討論的一些性能， 傳感器的抗干擾能力、線性度、點(diǎn)陣之間的串?dāng)_和一致性都需要在實(shí)際應(yīng)用中予以考慮。

本文來源：智能傳感器專委會(huì)
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