柔性压⼒传感器阵列的最新进展：从设计到应⽤外文翻译资料

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柔性压⼒传感器阵列的最新进展：从设计到应⽤

Jing Li,dagger; abRongrong Bao, dagger; ab Juan Tao,ab Yiyao Pengab and Caofeng Panlowast;ab

能够保持任意变形的压⼒传感能⼒的柔性压⼒传感器在电⼦⽪肤、⼈机界⾯、医疗诊疗等领域具有重要意义。迄今为⽌，柔性压⼒传感器已被⼴泛研究，并引⼊了多种转换原理和结构设计，以⽣产能够顺应地覆盖任意表⾯的柔性压⼒传感器。 此外，还针对不同的应⽤需求设计了⾼性能的柔性压⼒传感器。例如，基于压电纳⽶线（NWs）实现了⾼分辨率的柔性压⼒传感器阵列，同时结构⾮常简单的基于裂纹的压⼒传感器对声⾳和⽣理信号等微⼩压⼒具有⾼灵敏度。为了更⼴泛的应⽤，开发了赋予柔性压⼒传感器以感知温度、湿度和其他刺激的能⼒，以模仿⼈体⽪肤的体感系统。近年来，具有⾃供电、⾃愈和可⽣物降解能⼒的新型柔性压⼒传感器蓬勃发展。在对近期柔性压⼒传感器进⾏全⾯介绍后，我们提出了集⾼灵敏度、⾼分辨率、快速响应、良好的拉伸性和宽检测范围于⼀体的柔性压⼒传感器的潜在前景，进⼀步丰富了柔性压⼒传感器的多功能性。近年来，具有⾃供电、⾃愈和可⽣物降解能⼒的新型柔性压⼒传感器蓬勃发展。在对近期柔性压⼒传感器进⾏全⾯介绍后，我们提出了集⾼灵敏度、⾼分辨率、快速响应、良好的拉伸性和宽检测范围于⼀体的柔性压⼒传感器的潜在前景，进⼀步丰富了柔性压⼒传感器的多功能性。近年来，具有⾃供电、⾃愈和可⽣物降解能⼒的新型柔性压⼒传感器蓬勃发展。在对近期柔性压⼒传感器进⾏全⾯介绍后，我们提出了集⾼灵敏度、⾼分辨率、快速响应、良好的拉伸性和宽检测范围于⼀体的柔性压⼒传感器的潜在前景，进⼀步丰富了柔性压⼒传感器的多功能性。

1. 简介

灵活的压⼒传感器带来了⼈体内部以及⼈体与外部环境接触过程中特定需求的重要信息。通常由硬质材料制成的传统压⼒传感器⼤多不适⽤于柔性接触或可穿戴设备。因此，⼈们探索了顺应任意曲线表⾯的柔性压⼒传感器，并在⼈机界⾯、软机器⼈、电⼦⽪肤、医学诊断和治疗等领域具有重要意义。^1-9然⽽，为了切实适应这些新兴应⽤，柔性压⼒传感器在⾼灵敏度、⾼分辨率、快速响应、稳定性好和强鲁棒性等⽅⾯⾯临着⾼性能的挑战。¹⁰此外，配备多功能的柔性压⼒传感器以实现在各种复杂环境中应⽤的可⾏性势在必⾏。

迄今为⽌，许多科学研究都集中在柔性压⼒传感器的开发上。⾸先，实现柔性压⼒传感器的功能主要基于两个⽅⾯：压⼒传感的转换原理和实现柔性的⽅法。随着对各种各样柔性和功能材料的探索，转导原理已被⼴泛⽤于制备柔性压 ⼒传感器。^11-15⼤量的研究还通过合理的结构设计开发了柔性压⼒传感器。^16-18此外，为了满⾜⼯业⽣产和实际应⽤的要求，很多报道都集中在提⾼柔性压⼒传感器的性能上。其中，值得注意的是压电和压电光电⼦效应已在纳⽶线中进⾏了探索并引⼊压⼒传感中，实现了超越⼈类⽪肤分辨率的⾼分辨率，^19-23这对电⼦触摸板和软机器⼈有着深远的意义。随后，为了模拟⼈体⽪肤的⼏种感觉感受器，探

索了具有不同传感模块的柔性多功能压⼒传感器，能够区分复杂环境中的多种刺激。^6,24-30此外，裂缝总是被视为器件的损坏，⽽将⾮常简单的基于裂缝的结构引⼊压⼒传感中，由于对微⼩变形的超灵敏响应⽽备受关注。^31-33 近年来，具有⾃供电、⾃修复和可⽣物降解能⼒的新型柔性压⼒传感器不断涌现，开辟了⼀个新的研究领域。⾃ 2006 年王⽒课题组发现纳⽶发电机以来，⾃供电柔性压⼒传感器在移动电⼦领域是很有前途的候选者。^34-41受⼈体⽪肤的触觉感应和可再愈合特性启发，由⾃愈材料制成的柔性压⼒传感器保证⻓期使⽤和经济效益。^42-44此外，可⽣物降解的压⼒传感器由于具有环保、⽣物相容性和在医学诊断和临床治疗⽅⾯的应⽤潜⼒⽽备受关注。^3,5,45,46

在这⼀节中，我们重点介绍了柔性压⼒传感器的基本设计和性能改进。在下⼀节中，我们将介绍压⼒传感的主要转导原理以及实现可拉伸性的各种策略。在第 3节中，我们重点介绍了具有⾼分辨率、多功能和超⾼灵敏度性能的柔性压⼒传感器，然后介绍了具有⾃供电、⾃愈和可⽣物降解特性的新型柔性压⼒传感器。最后，我们总结了柔性压⼒传感器的最新突破，并概述了柔性压⼒传感器的前景。

柔性压⼒传感器的基本设计

大量的努力已经致力于探索监测柔性接触压力刺激的有效转导原理。同时，除了实现压⼒传感能⼒外，实现柔性和可拉伸性确保了柔性压⼒传感器在作⽤于曲⾯上的功能。在本节中，我们从以下两个⽅⾯介绍柔性压⼒传感器的基本设计：压⼒传递原理和实现可拉伸性的策略。

2.1 压⼒传递原理

已经探索了涉及压阻、电容和压电的各种转导机制，以将压⼒刺激转换为电信号。基于上述三个换能原理，已经做了很多⼯作来增强柔性压⼒传感器的性能，表1总结了⼀些柔性压⼒传感器及其性能参数。此外，其他的换能⽅法拓宽了柔性压⼒传感器的应⽤范围近年来也有报道。这些内容都在下⾯这⼀节中介绍。

表1对一些柔性压力传感器及其性能指标的总结。

2.1.1 压阻率

压阻式传感器的机制是基于将压⼒刺激转换为电阻的变化。压阻式传感器因其制作简单、结构简单、成本低、信号采集容易等优点⽽受到⼴泛研究。压阻式传感器的电阻变化主要来⾃两个导电模块在外部压⼒下的接触电阻。通常，可穿戴压⼒传感器的制造结构是将超薄⾦纳⽶线浸渍的薄纸夹在空⽩的聚⼆甲基硅氧烷(PDMS) ⽚和图案化的叉指电极阵列之间。当在外部压⼒下，薄纸和叉指电极之间的接触电阻降低，这是由于更多的⾦纳⽶线与叉指电极接触产⽣的细微的压缩变形（图 1a）。⁴⁷基于压⼒和微结构PDMS下的接触电阻变化，柔性压⼒传感器的灵敏度通过将柔性电极与另⼀种还原氧化⽯墨烯 (rGO)^{48, 49}组装的简单结构提⾼了,⽯墨烯⁵⁰或聚（3,4-⼄烯⼆氧噻吩）：聚（对苯⼄烯磺酸钠）/聚氨酯分散(PEDOT:PSS/PUD)⁵¹基于薄膜的微结构化 PDMS 基板⾯对⾯。此外，结合活性材料（碳纳⽶管（CNT），⁵²⾦膜，⁵³单壁碳纳⽶管(SWNT)²) 与微结构的PDMS基板形成具有互锁结构的压⼒传感器，获得了⾼灵敏度、低检测限和快速响应。

还提出了许多其他⽤于转换压⼒刺激的压阻机制。受蜘蛛狭缝器官⼏何形状的启发，⼀种基于裂缝的超灵敏传感器能够通过相邻裂缝在外部压⼒下的连接和断开来感应压⼒。³¹此外，通过使⽤具有悬臂结构的纸上铅笔，基于裂纹的传感器成功地区分了压缩和拉伸刺激。⁵⁴可穿戴压⼒传感器是基于由棉花通过热解过程制成的碳棉开发的。由于PDMS基质中碳纤维的分离和滑动，传感器的电阻率在压⼒下降低。⁵⁵由尼⻰制成的纺织压⼒传感器-涂有rGO并排列成⽹格的织物对外部压⼒很敏感，并且能够感知⼒的位置⁵⁶. 此外，⽯墨烯泡沫/海绵/⽓凝㬵宏观结构由于其在外部压 ⼒下的电阻率变化⽽引起了⼈们对柔性压⼒传感器的关注。^57-59 廖以⼀种简单易⾏的⽅法开发了独⽴式⽯墨烯泡沫，其灵敏度⾜以监测附在⼈⼿腕上的⼈体⾎压。⁶⁰同样，由CNT和PDMS组成的海绵状结构也被引⼊压⼒传感中。^61,62特别是 MXenes (Ti₃C₂)，它是⼀种⼆维的早期过渡⾦属碳化物和碳氮化物，由于其相对较宽的层间距离⽽对压⼒敏感。外部压⼒刺激将减少MXene 中两个相邻中间层之间的距离，因此降低内阻。⁶³

2.1.2 电容

电容式压⼒传感器主要是基于平⾏板电容器，其电容量由下式确定：

C = ε₀ε_rA/d

其中ε₀,ε_r为真空和介电层的介电常数，A表示重叠面积，d为两个电极之间的距离。当垂直于电极施加压力时，d的变化导致电容的变化，而A则随剪切力的变化而变化。¹⁸

通过优化具有微结构的介电层^{12, 64}，将银纳⽶线嵌⼊介电层中，⁶⁵或将纳⽶粒⼦分散在介电层表⾯，⁶⁶使灵敏度更高。其中，赋予介电层微观结构，极大地降低了粘弹性行为以及响应和弛豫时间。其他的结构设计也被用于提高电容式压力传感器的性能。受微毛结构的启发，包等人将微毛界面结构引入电容式传感器，使其与不规则表面更共形接触，信噪比显著提高了12倍。⁶⁷电容式压⼒传感器可以通过⽤离⼦导体代替电极来实现⾼透明度和⽣物相容性（图1b），^{8, 68}⼤多具有⻓期稳定性和拉伸性。Madden等⼈通过利⽤含离⼦⽔凝㬵作为电极，利⽤介电层分隔圆盘形电极和环形电极的结构。开发了⼀种电容式压⼒传感器阵列，能够在伸展或弯曲时检测⼿指的运动。⁶⁹将电容机制集成到晶体管有源矩阵中，衍⽣出由晶体管有源矩阵的信号放⼤产⽣的超灵敏柔性压⼒传感器。⁷⁰引⼊具有微结构橡㬵介电层或空⽓介电层以及悬浮栅电极的晶体管有源矩阵是提⾼灵敏度和减少响应时间的两种主要⽅法。^{12, 71}鲍等⼈。通过将微结构 PDMS 电介质集成到有机薄膜晶体管(OTFT)中，开发了⼀种有源压⼒传感器阵列。介电层的电容随着施加的压⼒⽽变化，并且在器件⼯作在亚阈值状态时可以被强烈放⼤，这使得压⼒传感器阵列具有 8.4 kPa 的⾼灵敏度-1和 10 毫秒的快速响应。⁷²朱等⼈开发了⼀种使⽤悬浮栅电极的有机薄膜晶体管阵列，并⽤空⽓介电层代替了橡㬵介电层。制成的晶体管阵列克服了橡胶电介质层的弹性限制，并可优化为具有192kPa^-1的超高灵敏度，快速响应时间小10ms。⁷³

2.1.3 压电

压电压力传感器的工作机理是，各向异性晶体材料在外部压力刺激下产生的偶极矩，在晶体中产生宏观电势。⁷⁴压电聚合物和无机材料都被广泛应用于触觉传感。聚（偏氟乙烯）(PVDF)及其共聚物是一种具有良好柔性、低阻抗和相对高压电电压系数的导电聚合物，被广泛应用于加速度、振动和取向的传感。⁷⁵PVDF及其共聚物具有低成本和大面积制备能力，获得了广泛的发展，但对压⼒传感器具有较低的压电应变常数(d33)。

相反，具有非中心对称性的无机材料大多具有较高的d33值，并广泛应用于压力传感领域，如氧化锌、氮化镓、InN、硫化锌和硫化镉等。21Wu等人基于垂直氧化锌NWs制备了可寻址的双端晶体管阵列，并利用应变作为门来调制电信号，实现了高分辨率的触觉感知和自供电特性(图1c)。⁷⁶重要的是，基于NWs的压电压力传感器阵列的分辨率通常取决于NWs或NW团簇的大小和分布，这赋予了压电压力传感器阵列实现高分辨率的可能性。最近，二维（二维）材料，如氧化锌，^77,78MoS79也被发现具有压电效应，是很有前途的压电压力传感器的候选者。刘等人开发了基于氧化锌纳米晶体阵列的二维压子晶体管阵列，获得了 60.97-78.23

meV MPa^-1 的⾼压/应变灵敏度和⼀个12700 dpi 的⾼分辨率。⁷⁷

图1换能原理示意图，设备和设备的相应照片压电电子学、压电光子学、光电子学和压电光电子学，基于三元耦合半导体、压电和光激发依赖于压电材料产生的压电势：（a）压阻率。（b）电容。（c）压电。

2.1.4 其他转导⽅法

除了上⾯提到的转导机制，其他的转导原理也被⽤来感知压⼒。谐振压⼒传感器具有在两个感应螺旋之间夹⼊可变形介电层的结构，能够检测归因于压⼒下的谐振频移的压⼒。7这种柔性压⼒传感器开创了⽤于医学诊断和⽣物研究的⼈体健康指标的⽆线监测。采用聚合物的光学压力传感器波导在曲线界面上的应用。^{80, 81}开发了⼀种光学压⼒传感器，包括 PDMS 波导、聚合物有机发光⼆极管 (OLED) 和聚合物有机光电⼆极管。当施加外部压⼒刺激时，由于波导⽀持的模式较少，PDMS 厚度以及光电⼆极管检测到的光都会减⼩。⁸⁰近年来，基于接触带电和静电感应耦合的摩擦电压⼒传感器引起了⼴泛的关注，它在没有电源的情况下产⽣

电信号作为对外部刺激的响应。³⁴

2.2 实现可拉伸性的策略

为压⼒传感器配备柔韧性和可拉伸性，扩⼤了其在崎岖表⾯上的应⽤，这在⼈⼯智能领域是必要的，也是⼈机交互的实际需要。灵活的压⼒传感器采⽤灵活的结构。例如，空⼼球微结构和破裂的导电海绵⽤于制造具有⾼灵敏度的柔性压⼒传感器。^16、17与柔韧性相⽐，可拉伸性更难实现，这使得压⼒传感器随着物体不断变形⽽不会损坏，并保留压⼒感应能⼒。到⽬前为⽌，已经开发了许多材料和结构来实现可拉伸性。实现可拉伸性的两种主要⽅法分别是利⽤固有的可拉伸材料和设计适当的结构来获得可拉伸性。

2.2.1 内在拉伸性

压⼒传感器的内在拉伸性主要是通过将活性材料嵌⼊到具有⾼弹性模量的聚合物中来实现的。通过⽤单壁碳纳⽶管填充PDMS的表层并在PDMS和单壁碳纳⽶管之间利⽤全氟单层，所制造的电容式压传感器能够承受⾼达300%的应变。⁸²然⽽，将活性材料嵌⼊聚合物中总是会导致弹性聚合物的机械柔量发⽣变化。Park 和他的同事通过将

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