柔性应变与压力传感器的前潜力与研究方向

压力传感器，也被称为触觉/应变传感器，近年来引起了许多研究的关注，尤其是基于皮肤的柔性电子器件。它具有灵活性、耐久性、生物相容性等独特优点，以及重量轻、应变灵活，使得压力传感器能够紧紧附着在人体皮肤上，实时监测心率、呼吸节律等生理健康状况。

目前，文献中已经报道了多种高度敏感的传感器系统，这些传感器基于功能纳米材料或混合微/纳米结构，将外界刺激转化为电信号。按照其传导机制，可分为压阻、压电和电容式压力传感器。其中，压阻式测量电阻率变化被认为是最常见的一种，因为这种通过将力的变化转化为电阻率的变化来进行系统设计和读出机制的方式比较简单。

过去十年，对可穿戴应变器件的灵敏度、测量因子、线性度、滞后、响应、恢复时间以及超调行为等参数进行了改进。尽管如此，若想进一步提高柔性压力传感器的性能，其他设备的性能也应该考虑进去。如由于机械变形引起的传感性能的变化，使得动态变形下的压力难以准确测量。为了应对这一挑战，有研究者开发了一种基于复合纳米纤维的可弯曲、超柔性的电阻式压力传感器。如图a所示，传感器的弯曲半径即使下降到80μm，由于衬底薄(厚度<2μm)以及材料本身的纠缠态纳米结构，使得传感器性能保持不变。这使得可精确测量三维表面上的法向压力分布，并且在注射针上缠绕器件前后性能变化很小(图b-d)。

大多数皮肤感受器在去除外力后无法保留触觉信息。为了提高基于电子皮肤系统的通用性，可穿戴压力传感器的内存特性便不可忽视。与神经元间的突触类似，柔性记忆传感器可用于模拟大脑的记忆功能，存储模拟值。

如通过将压力传感器的底部电极替换为记忆器件的顶部电极阵列，实现柔性触觉记忆器件，所施加的应变可以保持一周以上，几乎没有衰减。而基于有机压敏元件的有机非挥发性电阻存储器，保留时间更长，至少6个月。然而，柔性压力传感器记忆体的商业化仍然面临着巨大的挑战。图e是一种基于柔性电阻变化非易失性浮动门随机存取存储器(FGRAM)阵列的柔性电子壁纸触觉触摸存储器阵列。

由于InGaZnO薄膜晶体管具有在大尺度基片上实现集成电路的良好性能，因此被用作柔性压力传感器阵列的FGRAMs。例如，这种电子壁纸的价值在于它能够像留言板一样记住触摸信息(图f，g)。如果没有触摸，程序电压与FGRAM的栅极断开。在传感器上施加触觉触摸后，程序电压以阈值电压的正偏移提供给FGRAM。结果表明，用三支笔在器件上施加压力两小时后，仍能保持信息，触发-15v擦除电压即可刷新信息。而且通过集成温度传感器，可以对室温进行记忆和控制。

到目前为止，大多数以皮肤为灵感的可穿戴式应变传感器都是用来监测心跳或呼吸速率的，而心跳或呼吸速率与疾病密切相关。穿戴式应变传感器的另一种同样重要的应用是其监测物理运动和运动的能力。尽管各种可穿戴传感器在监测健康状况方面取得了巨大进展，但仅检测健康信息无法进行充分的分析来精准预测或诊断疾病。事实上，记录的健康状况，如皮肤温度或心电图(ECG)，与受试者的身体活动密切相关。因此，同时检测人类活动/运动至关重要。

运动传感器依赖于附着在手指或膝关节上的柔性应变传感器来监测它们的运动。然而，肢体运动并不总是与整体的体育活动相关，因此结合所记录的健康数据，可能导致诊断不准确。受剪纸艺术的启发，有人设计了由四根梁和三个应变传感器组成的三轴加速度传感器，来响应结构应变的变化(图h，j)。剪纸结构的引入，避免了拉伸引起的机电故障，同时提高了佩戴者的舒适度。

研究发现，运动传感器的阈值加速度约为5-12 m s−2，由加速度方向决定。通过对结构尺寸的合理调整，在光束长度(L)为10.7 mm，宽度(W)为0.35 mm时，可获得一个小于3 m s−2的足够低的加速度阈值，使其有可能检测到人类的轻活动(图k，l)。为了使加速度传感器能够适应更广泛的人群，需要进一步的设备开发，通过将这种运动/加速度传感器集成到功能更加灵活的设备中，可以同时监测身体活动、皮肤温度、心电图、紫外线照射等。

南京大学固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心的韩民教授和王广厚院士团队在发展高分辨率、高灵敏度的压力传感技术方面取得了重要进展，相关成果以“An ultrahigh resolution pressure sensor based on percolative metal nanoparticle arrays”为题，发表在2019年9月6日的《自然·通讯》杂志上（Nature Communication 2019，19，4024）。该论文的通讯单位为南京大学，第一作者为博士研究生陈敏瑞，通讯作者为南京大学韩民教授，得到了王广厚院士的指导和支持。

精密的气体压力传感器是微机-电系统中最基本的传感器件之一，在航空航天、自动驾驶、环境检测以及商用电子产品等领域有着巨大的应用需求。目前，主流的商用压力传感器是硅基传感器，其原理是利用掺杂硅的压阻或压容特性来感知外界气压的变化。然而，由于硅基材料弹性模量非常高，所制造的压力传感器在大气压附近的分辨率往往只有~100 Pa。这样的分辨率很难满足精确气象测量与三维精准定位等应用的需求。因此，该课题组一方面利用弹性模量更低的高分子有机薄膜代替硅片，另一方面通过原子团簇束流沉积在柔性薄膜表面上可控制备具有量子渗流效应和库仑阻塞效应的团簇点阵，将压力引起的柔性薄膜的表面应变转化成团簇点阵的量子隧穿电导变化。

与传统的硅基材料相比，该传感器有如下特点：

（1）在同等压力作用下，选用弹性模量更低的柔性高分子薄膜作为压力感知器件，其表面产生的应变量将远高于硅片产生的应变量；

（2）在附着于薄膜表面的密集的纳米团簇点阵中，电子输运主要是以单电子隧穿跳跃方式，使得团簇点阵的隧穿电导G与团簇平均面间距d之间呈指数式的变化关系，，其中β为电子耦合项，与尺寸和温度相关。因此，即便是微小的压力诱导出柔性衬底表面的微小形变，造成团簇的间距的极微小变化，就能足以使团簇间单电子隧穿结的导电状态发生快速切换，加上团簇密集点阵中间渗流路径数目大，使其对点阵导电能力升高或降低的影响高度敏感。

（3）不仅如此，团簇点阵中存在的库仑阻塞效应又能进一步降低热涨落所造成的电流热噪声幅度，从而进一步减小了可测量的团簇点阵的最小电导变化量。这些因素大幅度提高了压力传感器的分辨率与灵敏度。

图1(a)基于原子团簇束流沉积制备的团簇点阵压力传感器结构示意图；(b)压力传感器工作原理：压力的作用改变了团簇渗流通道（红色连线）的数目；(c)团簇点阵电导随压力变化曲线；(d)响应0.5 Pa压力变化时团簇点阵的电导变化。

课题组采用掩模镀膜法，在0.05 mm厚的PET材料上印刷微型叉指电极。利用原子团簇束流沉积系统，在叉指电极之间可控制备金属团簇密集点阵。最后，将PET膜片密封于一个参考空腔上，从而完成压力传感器的制备。当压力传感器被置于不同的环境气压下，外界气压与参考空腔内部压力在PET膜片上形成一个新的力学平衡，PET膜片产生的应变将改变团簇点阵隧穿电导并被电学测量回路测得。该压力传感器的灵敏度达到0.13 kPa-1，在大气压环境中可以分辨小至0.5 Pa的气压变化（图1）（比目前通用硅基传感器分辨率提高了3个数量级以上，也远超其它材料所构成的压力传感器）。

作为实际验证，课题组进一步将压力传感器应用于不同海拔高度的气压变化的测量，在一栋14层的楼房电梯中，实时记录传感器随不同楼层变化的响应。实验表明，传感器能够分辨1 m的海拔高度差引起的气压变化。作为气压高度计，该传感器能够达到0.00027 m-1的灵敏度（图2）。这种超高分辨的气压高度计在航空航天、三维全球定位系统中有着重要的应用前景。

图2(a)电梯载着传感器在不同楼层时传感器的电导变化；(b)对(a)中数据汇总，每层楼的海拔被转换成相对于14楼的高度差（按每层楼高3.5米计算）。

研究工作得到国家自然科学基金，国家重大科研仪器项目和江苏省高校重点学科建设项目等的支持。（来源：南京大学固体微结构物理国家重点实验室）