力学刺激传感器件

一、力学刺激传感器件

人体皮肤能感觉到复杂的外部力学刺激，包括压力、拉伸、剪切、弯曲、振动、滑动等。对电子皮肤器件来说，从材料和器件结构上进行设计来实现对力学刺激的传感，就显得尤为重要。

皮肤与外界环境接触时产生压力与应变。根据压力与应变的不同，人体可判断接触的物质的基本性质。压力与应变的识别与传递是皮肤的重要功能之一，因此也是电子皮肤模拟的重要功能之一。在电子皮肤器件中，主要通过器件的电阻、电容、摩擦电效应等对外界作用力的响应性实现压力和应变的传感。其中，基于电容和电阻变化的电子皮肤不仅结构简单，而且能够探测动态和静态的刺激信号，因而得到最广泛和深入的研究。

基于电阻变化的电子皮肤可通过三种途径实现压力或应变的传感：①聚合物基复合材料中导电逾渗网络的变化；②导电材料与电极之间接触电阻的变化；③导电材料本身电阻的变化。电子皮肤器件将作用力变化转变为器件电阻的变化，是一种非常简单、常用的策略。

例如，将单壁碳纳米管在弹性基底（如PDMS）上进行排列形成薄膜，可制备应变传感器。当拉伸弹性基底时，碳纳米管薄膜发生断裂，从而在膜中形成缝隙，导致薄膜的电阻增加。形变程度越大，膜中产生的缝隙越大，电阻也越大。因此，可通过测量电阻变化来实现应变的传感。该器件可被集成到衣物、创可贴、手套等表面，从而达到对人体不同运动（如呼吸、说话、行走、手势等）的传感（图10-3），有望实现电子皮肤在健康监测、虚拟现实、机器人等领域的广泛应用。此外，金属纳米线也可作为导电材料构建应力传感器。压力导致纳米线与电极之间的接触程度发生变化，进而使器件的电阻发生变化。通过固定电压，测量器件电流随应力的变化，从而实现应力的传感。

基于电容变化的电子皮肤主要通过压力或应变改变器件电极之间的距离、面积、介电层的介电常数实现压力或应变的传感。例如，利用微结构化的PDMS薄膜作为介电层，可制备基于电容器原理的压力传感器。如图10-4所示，器件中PDMS薄膜表面具有金字塔形的微结构阵列。当受到外界压力时，该薄膜依然能保持良好的弹性形变能力，从而赋予PDMS薄膜灵敏的响应性。外界压力导致介电层厚度发生改变，进而使电容器的电容发生改变，也可使场效应晶体管的输出电流发生改变，由此实现压力的传感。此外，在PDMS基底中引入单壁碳纳米管，在拉伸和松弛基底后，纳米管发生弯曲，基于此可构建基于平行板电容器的压力和应变传感器（图10-5）。该器件具有对压力非常灵敏的传感性能及非常迅速的响应速度，对压力和应变的传感具有空间分辨能力，这进一步扩展了该器件在电子皮肤方面的应用。

灵敏度是压力传感器较为重要的性能参数之一。灵敏度可以被定义为电信号（如电容、电阻、电流、电压等）随外界压力变化曲线的斜率。通常情况下，压力传感器的灵敏度与传感材料的压缩模量有关：给定压力时，应变越高则电信号的变化越大，器件的灵敏度越高。对于前面介绍的基于电容和压阻变化的压力传感器，目前已经发展出了多种方法来提升器件的灵敏度。

对于电容型器件，介电层的微结构化可提升其灵敏度。例如，上述在PDMS表面制备金字塔形的阵列，在施加压力时，金字塔尖端很大的压强使PDMS产生很大的形变，导致电容变化增大，达到提升灵敏度的目的。多孔结构也可用于提升压力传感器的灵敏度。孔结构可将应力集中在孔之间的框架结构上，当施加差别很小的压力时，器件的导电性发生显著的改变，可实现灵敏度的提升。

对于压阻型器件，改变导电材料之间的接触点或接触面积的方式可改变接触电阻，从而提升器件灵敏度。例如，可将碳材料（碳纳米管、石墨烯等）与交叉电极阵列集成，在外力作用下，器件内部电极与导电材料的接触点或接触面积的变化程度大，可显著提升器件的灵敏度，可用于血压及手腕脉搏等较小压力的连续测量。

灵敏度的提升通常也会导致器件可测量范围的缩小，灵敏度高的传感器在压力增加时，其灵敏度降低。欲实现电子皮肤对人体皮肤的真实模拟，就需要在提升灵敏度的同时增大其传感范围。Cho等人在器件中功能层表面制备半球形阵列，制备了压阻型的压力传感器，其在工作范围（0～12 kPa）内的灵敏度达到了8.5 kPa-1。此外，还可利用具有表面褶皱的电极制备电容型的压力传感器，通过压力改变电极面积来实现灵敏度和传感范围的增加。

人体皮肤除了能够感知应力应变以外，还对外力方向、滑动等不同的刺激具有精确的感知能力，例如皮肤能够区分作用力的方向，还能感知物体在皮肤表面的滑动。对电子皮肤器件来说，只有实现其对不同力学刺激的精确感知能力，才能在假体、机器人等方面获得广泛应用。从器件角度上讲，对滑动及力方向的传感需要器件对动态的力学刺激进行探测，因此主要利用压电和摩擦电原理来设计电子皮肤器件。聚偏氟乙烯是典型的压电材料，可在其表面制备不同的突起，利用不同的材料在这些突起表面滑动时产生的振动来探测材料在器件表面的滑动状态，进而对材料的表面粗糙度进行感知（图10-6（a））。基于摩擦电原理的纳米发电机也可用于探测器件表面的滑动状态。通过在器件中置入碳纳米管/PDMS复合电极，当表面有物体滑动时，这些电极对移动物体做出响应，从而探测物体在器件表面的移动方向。

通过器件结构设计，同一个器件上可实现多种电信号（如电阻、电容、电流、电压等）的测量，由此可实现法向和切向作用力的区分。图10-6（b）所示的力学传感器由一个顶电极和四个底电极组成，顶电极和底电极之间由介电材料分隔，由此形成四个电容器。通过检测四个电容器电容的变化，可实现法向和切向作用力的区分。Bergbreiter等人将三块导电材料置于一块导电材料周围，设计了一种力学传感装置。当不同方向上的力作用于器件上时，中间区域与周围导电材料之间的相对距离和接触面积发生变化，导致器件的电阻和电容发生改变，通过分析输出信号，该器件可识别作用力的大小和方向。可同时实现力的大小和方向探测的器件可集成到机械臂上，实时探测机械臂在抓取、移动物体时所受到的压力和剪切力。