基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器_鲍艳.pdf

POGESSINCHEMISTY化 学 进 展DOI:10.7536/PC221014http:/wwwprogchemaccnProgress in Chemistry，2023，35(5):709720鲍艳陕西科技大学轻工科学与工程学院教授、博士研究生导师，享受国务院政府特殊津贴专家。从事功能性皮革化学品及有机无机纳米复合材料的研究。作为项目负责人承担科研项目 19 项。授权国家发明专利 56 项;以第一或通讯作者发表学术论文 126篇，其中被 SCI 收录 51 篇，入选 ESI 高被引论文 2 篇，论文共计被引 2483 次。研究成果获国家技术发明二等奖、国家科学技术进步二等奖、全国工人先锋号等 25 项奖励。入选国家级百千万人才工程、教育部新世纪优秀人才支持计划、陕西省高层次人才特殊支持计划青年拔尖人才等人才项目。收稿:2022 年 10 月 25 日，收修改稿:2023 年 2 月 24 日，网络出版:2023 年 4 月 30 日国家自然科学基金项目(No22078188)和咸阳市秦创原科技创新专项(No2021ZDZX-GY0007)资助The work was supported by the National Natural Science Foundation of China(No22078188)and the Xianyang City Qin Chuangyuan Science andTechnology Innovation Special Project(No2021ZDZX-GY0007)*Corresponding author e-mail:baoyan susteducn基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器鲍艳1，2*许佳琛1郭茹月1马建中1(1陕西科技大学 轻工科学与工程学院(柔性电子学院)西安 710021;2陕西科技大学 轻化工程国家级试验教学示范中心西安 710021)摘要近年来，随着互联网和人工智能的发展和普及，轻薄便捷、电子性能优异的柔性压力传感器作为可穿戴电子设备的核心器件，拥有了越来越广阔的市场。柔性压力传感器具有灵活柔韧、可折叠、传感性能优异等优点，因而在电子皮肤、运动检测、医疗监测和人机界面等方面已引起广泛的关注。构筑微纳结构是提高压力传感器灵敏度和传感性能的关键。基于此，本文首先总结了高灵敏度压力传感器的传感机制(压阻式、电容式、压电式和摩擦电式)和关键性能参数(灵敏度、压力检测范围、检测限、响应/恢复时间、循环稳定性和线性度等)，然后归纳了利用基材构建表面微纳结构(微凸结构、荆棘结构和褶皱结构)和利用导电材料构建微纳结构(微球结构、海胆状结构、蜂窝状结构)的柔性压力传感器的研究进展及其优缺点，总结了基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器在脉搏监测、电子皮肤、运动检测和人机界面等方面的应用现状。最后，从今后应用的角度出发，概述了高灵敏度柔性压力传感器即将面临的挑战及未来发展方向。关键词柔性压力传感器高灵敏度微纳结构中图分类号:TP212;TB33;TM24文献标识码:A文章编号:1005-281X(2023)05-0709-12HighSensitivity Flexible Pressure Sensor Based on MicroNano StructureYan Bao1，2*，Jiachen Xu1，uyue Guo1，Jianzhong Ma1(1 College of Bioresources Chemical and Materials Engineering(College of Flexible Electronics)，ShaanxiUniversity of Science Technology，Xi an 710021，China;2National Demonstration Center for ExperinencedLight Chemical Engineering Education，Shaanxi University of Science Technology，Xi an 710021，China)AbstractIn recent years，with the development and popularization of Internet and artificial intelligence，theflexible pressure sensor with light，convenience and excellent electronic performance，as the core device ofeview化 学 进 展710Progress in Chemistry，2023，35(5):709720wearable electronic equipment，has a increasingly broad market Flexible pressure sensors have attracted extensiveattention in electronic skin，motion detection，medical monitoring and man-machine interface because of itsflexibility，folding and excellent sensing performance The construction of micro-nano structures is the key toimprove the sensitivity and sensing performance of pressure sensors Based on this，the sensing mechanism(piezoresistive，capacitive，piezoelectric，triboelectric)and key performance parameters(sensitivity，pressureresponse range，detection limit，response/recovery time，stability of circulation and linearity，etc)of the high-sensitivity pressure sensors were summarized Then，research progress of flexible pressure sensors using substrates toconstruct surface micro-nano structures(micro-convex structure，bramble structure and fold structure)and usingconductive materials to construct micro-nano structures(micro-sphere structure，urchin structure and cellularstructure)were compared and concluded Furthermore，the application status of high-sensitivity flexible pressuresensors based on micro-nano structure in pulse detection，electronic skin，motion detection and man-machineinterface was concluded Finally，from the perspective of future application，the challenges and developmentdirection of high sensitivity flexible pressure sensor are summarizedKey wordsflexible pressure sensor;high sensitivity;micro-nano structureContents1Introduction2Sensing mechanism and key performance parametersof high sensitivity flexible pressure sensor2.1Sensing mechanism2.2Key performance parameters3Construction of high sensitivity flexible pressuresensorbasedonmicro-nanostructureofsubstrate materials3.1Micro-convex structure3.2Bramble structure3.3Fold structure4Construction of high sensitivity flexible pressuresensorbasedonmicro-nanostructureofconductive materials5Application of high sensitivity flexible pressuresensor based on micro-nano structure6Summary and outlook1引言随着智能化和微型化技术的不断发展，柔性压力传感器已被广泛研究。柔性压力传感器是指能够通过信号转换和传导将输入的外力信号转化为电信号输出且具有优异外力感知能力的一类传感器13。高灵敏度的压力传感器能够更加精确地感知人体的微小活动，如呼吸和心跳等生理信号，因此在新型医疗保健、电子皮肤和多模态感知等领域能够模拟真实皮肤4，5，在软机器人领域能够精确感知由压力引起的电信号变化，从而有利于人机交互功能的实现6，7。微纳结构广泛存在于自然界中，如荷叶具有“出淤泥而不染”的特性、壁虎拥有飞檐走壁的本领、水黾可以凌波微步、海龟能够千里识途，这些均是由他们身体结构上特殊的微纳结构所赋予的8，9。材料的微纳结构化所带来的小尺寸效应和大比表面积，在提高材料性能的同时还可丰富材料的功能10，这对传感材料来讲也不例外。如，Wang等11 受到蜘蛛腿部纤细微米级绒毛的启发，在碳丝织物表面原位生长绒毛状碳纳米管(CNT)，制备了超灵敏全纺织柔性压力传感器。蓬松状 CNT 修饰的织物使传感器具有特殊的微纳结构，增加了导电材料的接触面积，从而赋予了传感器优异的传感性能。由上可知，构建多尺度微纳结构是提升柔性压力传感器灵敏度的主要途径1214。基于此，本文综述了基于微纳结构的高灵敏度鲍艳等:基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器综述与评论化学进展，2023，35(5):709720711柔性压力传感器的研究进展。首先，对高灵敏度压力传感器的传感机制和关键性能参数进行了分析和总结;其次，基于目前构建微纳结构的两种主要方式，即利用基材构建表面微纳结构和利用导电材料构建微纳结构，归纳并分析了各种方法的研究进展及其优缺点;然后，阐述了基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器在脉搏监测、电子皮肤和运动检测等方面的应用现状;最后，对基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器面临的挑战以及未来的发展方向进行了展望。2高灵敏度柔性压力传感器的传感机制和关键性能参数2.1传感机制柔性压力传感器是一类能将外力信号(如弯曲、扭转、拉伸等刺激)转化为电阻、电流或电容等信号的传感器，按照传感机制的不同可将其分为压阻式、电容式、压电式和摩擦电式四类1518。压阻式压力传感器是将压力变化转化为电阻或电流信号的一类传感器，其电阻变化公式为:=L/A(为材料的电阻率，L 和 A 分别为长度和表面积)。传感机制如图 1a 所示，施加外部压力，材料会发生变形，间接改变传感器内部导电材料的分