5【摘要】：柔性压力传感器由于其在电子皮肤、柔性触摸传感器、柔性机器人和可穿戴电子产品中的广泛应用而受到人们的关注。在各种类型的压力传感器中，电容式压力传感器有着结构简单、功耗低、稳定性好等优点，本课题主要研究了国内外在提高柔性压力传感器灵敏度做出的各种改进方法，主要分为表面微结构处理和改变介电层结构两种方式。并针对改变电容式传感器介电层结构提出了自己的优化方案：构建有效的多孔PDMS介电层结构。
【关键词】：柔性传感器 电容式压力传感器 混合式传感器 灵敏度 多孔PDMS
【Abstract】:Flexible pressure sensors are widely used in electronic skin, flexible touch sensors, flexible robots and wearable electronic products.Among various types of pressure sensors, capacitive pressure sensors have the advantages of simple structure, low power consumption and good stability, etc. The methods to improve the sensitivity of flexible pressure sensors are mainly divided into two ways: surface microstructure treatment and changing the structure of dielectric layer.In this work ,a method to improve the sensitivity of flexible pressure sensor by changing the structure of the dielectric layer of piezoelectric sensors, with an effective porous PDMS dielectric layer structure is proposed.
【Keywords】:Flexible sensor; Capacitive pressure senso; Hybrid sensor; Sensitivity; Porous PDMS；
- 引言
随着人工智能和物联网的蓬勃发展，柔性压力传感器作为至关重要的传感元件，凭借其在医疗诊断、运动监测等可穿戴电子设备中的广阔应用前景而备受关注。柔性压力传感器可将施加的外力转换为可识别的电信号或其他响应性输出信号。在目前的柔性压力传感器研究中，灵敏度、响应时间、检测极限和工作稳定性等指标被用来评估柔性压力传感器的性能。根据传感机制，柔性压力传感器共有三种典型类型，包括电阻型、电容型、压电型。相对而言，柔性电容式传感器具有灵敏度高，响应速度快和滞后性低等优点。电容式压力传感器的灵敏度主要取决于在压力的作用下电容的变化量。电容的变化量则与介电层的介电常数的变化、介电层的厚度和电极的表面积都有关。
- 电容型柔性压力传感器国内外研究现状
电容型柔性压力传感器灵敏度高，具有极高的循环稳定性，是目前柔性压力传感器领域的重要研究方向之一。但是传统平行板柔性电容传感器灵敏度低，提高电容型柔性压力传感器灵敏度最简便有效的方式之一就是在传感层构筑微纳结构，从而使柔性传感器在较小的压力条件下能够产生较大的形变。电容型柔性压力传感器是利用传感器在压力下引起的柔性电极或介电层结构的变化来改变传感器的电容值，通过检测电容值的变化可以推测压力的变化，从基本原理上说，几乎所有的电容型柔性压力传感器都可以认为是平行板电容器，其电容值大小取决于板间距、介电常数和有效的正对面积。当电容型传感器受到外界压力的时候，传感器的柔性电极和介电层会发生形变，这导致有效正对面积、介电常数和板间距都会发生变化，最终导致传感器的电容值发生变化。通过测量电容型柔性压力传感器在加压时其本身电容值来反映施加的压力的大小以实现压力-电容的同步响应。
林书豪等[1] 介绍了在柔性和可伸缩平台；适用于压力、温度、纹理摄影成像和柔性传感器设备的工作原理和材料；器件和集成结构，包括多模态单细胞、三轴触觉传感器、垂直堆叠传感器阵列、主动矩阵传感器阵列和集成电子学；用于处理触觉感知数据的各种纹理感知和机器学习算法的可靠采集方法等方面电子皮肤柔性和可伸缩多模态传感器领域的最新研究趋势和方法。景润宇等[2]使用喷墨打印系统来制作整个柔性电子器件。采用全打印方法制备了柔性电容式压力传感器，并对其压力检测性能进行了实验验证。然后制备了电容式压力传感器阵列，证明了其检测空间压力分布的能力。T.H.N Dinh等[3]考虑了具有三轴压力传感能力的电容阵列。设计了具有25个单元三轴微型传感器的传感器阵列原型。在柔性衬底上利用PDMS作为可变形的介电材料，通过原始的薄膜转移技术实现。这种传感器的工作原理是基于电容传感器在外加应力作用下，随着分离传感器电极的介电层的变形而发生的电容变化。进行了有限元计算，预测和优化传感器对应力的敏感性。
人们进行了各种改进来提高压力传感器的灵敏度。在过去的研究中，有人通过在介电层表面修饰一些微米纳米结构来提高测量微小压力的柔性压力传感器的灵敏度，比如，微金字塔[4]、纳米针［5]等。Guo[6]等收到自然微结构的启发，为了简化微结构的制备工艺，利用玫瑰花的花瓣及其叶子作为传感器的介电层，作柔性压力传感器的制备及灵敏度影响因素探究者充分利用植物叶片的三维细胞壁网络结构，结合柔性电极制备出柔性可压缩的传感器。该柔性压力传感器具有高灵敏度和超高的循环稳定性。然而通过在介电层表面形成微结构来改善介电层的变形能力，它们虽然获得了相对较高的灵敏度，但制备微结构过程中复杂而昂贵的光刻工艺极大限制了柔性压力传感器的规模化生产。另一种提高灵敏度的方法是在介电层内形成多孔结构，可以通过将PDMS与糖、盐或聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）颗粒固化，然后将其溶解在水或乙酸中，制备多孔介质层。也可以对聚二甲基硅氧烷聚合物和去离子水的混合来实现多孔薄膜介电层的制备[7]。然而，这些方法需要复杂的制造过程和大量的时间，此外，传感器的灵敏度也还不够高。
- 聚二甲基硅氧烷（PDMS）多孔介电层结构研究现状
柔性电子选用的基底材料大多是高分子聚合物材料，具有高弹性，透光性、透气性、无毒性、稳定性和生物协调性等优点。其中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）在柔性电子基底、封装层等运用中最为普遍，这是因为其具有优良的介电性能，且其介电性随环境温度变化非常小。而且PDMS还具有非常突出的交联能力，也促使其应用于众多微纳米器件，如作为器件基材或涂层材料。多孔PDMS作为一种多孔介质材料，具有热胀冷缩和湿胀干缩的特性。其自身的温度变化及湿度变化会产生热湿变形，当变形受到约束时会产生热湿应变及热湿应力。Kong[8]等研究了在纯PDMS中添加碳纳米管的复合材料中碳浓度的不同对材料导热性，导电性、热膨胀系数和力学性能等的影响，并对纯PDMS的这些性能也做了实验复测。Ma[9]等采用预应力PDMS薄膜的褶皱模式制作光栅来作为热应变的应变传感器以测量衬底的热膨胀系数，实验证明该测量方法具有很高的精度。
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