史丹福大學鮑哲南院士《AFM》綜述：教你如何設計壓力傳感器的微結構

2020-08-19 高分子科學前沿

壓力傳感器在消費電子、醫療和機器人等領域的重要性已無需贅述。伴隨著電子皮膚等概念的飛速發展，更輕、更薄、可穿戴的壓力傳感器層出不窮。現階段，科學家已經在這一領域積累了大量的工程經驗和理論基礎。當我們站在現在，展望將來的壓力傳感器發展路線時，我們最需要的是更成系統的設計理念，讓我們從「設計-製備-測試-再設計」的經驗主義走向「理論預測/設計-製備-測試」的理性設計路線。

近日，史丹福大學鮑哲南院士團隊針對壓力傳感器活性層的微結構設計進行了綜述。針對四種最常見的壓力傳感器，即電容傳感器、電阻傳感器、壓電傳感器和摩擦電傳感器，分別討論並比較了提升其靈敏度、感應範圍、響應時間、形變回復速率、和感應下限的微結構設計機理和加工方法。上述文章以「Microengineering pressure sensor active layers for improved performance」為題，發表於《Advanced Functional Materials》。

1. 哪些指標最重要？

圖 1壓力傳感器的用途、類型、結構和指標

對於器件性能而言，靈敏度、感應範圍、響應時間、形變回復速率和感應下限最重要。

靈敏度：靈敏度用於描述傳感器受到單位強度的壓力時輸出信號強度的變化幅度，用輸出信號強度的變化值除以初始輸出信號強度再除以壓力變化值來表示。一般而言，高靈敏度也同時意味著稿信噪比，這使得傳感器對微小壓力變化的感應能力增強。

感應範圍：感應範圍代表了在多大的壓力範圍內傳感器能給出有效的輸出信號。一般而言，傳感器在整個感應範圍上會有多個線性感應區間，在一個區間內，信號強度變化量正比於壓力變化量，具有統一的靈敏度。

響應時間和形變回復速率：這兩個量分別代表著傳感器輸出信號變化相對於施加壓力和撤去壓力的滯後程度。對於高頻脈衝信號的探測而言，快速響應十分重要。

感應下限：是傳感器能感受到的最小壓力的大小。對於不同的應用場景，其壓力探測範圍也不同，因而要調整感應下限和感應範圍以達到在應用範圍內靈敏度最大化。

對於製備方法來說，工藝複雜度、結構均勻度、形狀/尺寸的多樣性和可調節性以及規模化前景是最重要的。一個優秀的製備方法應當能夠通過簡單的操作流程製備具有不同微結構（金字塔、圓柱、半球、多孔結構等）的高度均勻的傳感器活性層，並具有大規模生產的潛力或兼容現存工藝。

2. 提升電容傳感器性能的機理與加工方法

圖 2電容式傳感器的微結構及增強原理

電容式壓力傳感器通過探測電容隨壓力大小的變化來感應壓力大小。受壓時，電容兩極板間距和電介質介電常數會發生變化，從而導致電容的變化。因此要想提高電容傳感器的靈敏度、響應速度和感應下限，常用的方法是減小介電層的壓縮模量並提高其介電常數。需要注意的是，減小模量往往會導致感應範圍的下降，彌補的辦法包括賦予材料隨應變增大而增大的壓縮模量以及增大傳感器厚度。能實現上述要求的微結構主要包括微圖案陣列（金字塔形、半球形、圓柱形等）、微孔結構（1 – 1000μm的微孔）和混合式結構。可用於加工微圖案陣列的方法包括光刻/軟光刻和生物模板法；微孔材料一般通過混合造孔劑（孔模板）如水、方糖和聚苯乙烯微球和彈性體來製備。

3. 提升電阻傳感器性能的機理與加工方法

圖 3電阻式傳感器的微結構及增強原理

電阻式壓力傳感器是通過檢測兩極板間電阻隨壓力的變化情況來測量壓力大小。當壓力增大時，電流流動的截面積增大，流動距離縮短，電阻下降。然而一般的壓力傳感器都具有薄厚度、大面積的特性，因而電阻式傳感器的靈敏度都很低，並且其響應速度和感應下限都受限於傳統活性層較高的壓縮模量和較慢的回覆速度而得不到提升，因此微圖案陣列和微孔結構法仍適用於提升電阻式傳感器的性能。此外，科學家還開發出了多層堆疊微結構的方式進一步提高其性能。不過與電容式傳感器的微加工法有所區別的是，電阻式壓力傳感器的性能提升要點在於提高電流流動截面積隨壓力變化而變化的量，單純降低壓縮模量所能提升的性能有限。相比於金字塔等結構，圓頂式結構以及多尺度圓頂結構對提升電阻式傳感器的靈敏度和感應範圍更為有效。同樣地，光刻/軟光刻、生物模板法以及傳統彈性多孔材料的製備方法也都適用於加工電阻式傳感器的微結構。

4. 提升壓電傳感器性能的機理與加工方法

圖 4壓電傳感器的微結構

壓電壓力傳感器是利用壓電效應將壓力信號轉化為電信號。具有壓電效應的材料在受壓形變的過程中，材料內部原有的偶極會發生變化，從而導致電荷在材料兩面聚集，產生電壓。常用的壓電材料包括聚偏氟乙烯、鈦酸鋯酸鉛和氧化鋅等。理論上來來說，適用於電容式傳感器的微結構設計原理也同樣適用於壓電傳感器。通過增大材料在受壓過程中的形變量，可以有效提高傳感器的靈敏度、響應時間和感應下限。目前對於壓電傳感器的微納結構修飾仍處於研究初期，相關報導較少，但已有實驗證據表明金字塔狀和三角截麵條帶可有效提高壓電傳感器的靈敏度。

5. 提升摩擦電傳感器性能的機理與加工方法

摩擦納米發電機結合了摩擦起電和靜電感應兩個效應。兩個表面能不同的界面相互摩擦會使其攜帶相應的電荷，兩者距離的改變則會引起表面電荷量的變化，當通過電極與外電路相接時，就會在外電路中產生瞬時電流和電壓，其大小和兩表面的距離有關。對兩表面的微結構處理能夠有效增加在摩擦起電過程中兩表面的接觸面積，並提高電荷轉移量，因而能顯著提高摩擦納米發電機的輸出電壓和功率，有助於提高傳感器的靈敏度。目前最為常用且經濟的處理方法是採用砂紙對表面進行一定程度的打磨，提高其粗糙度。

6.結語

從先前的研究中，我們已經能夠把握微結構對傳感器核心性能的影響規律，並對其做出定性分析。然而為了實現對壓力傳感器的理性設計，更為精確的定量模型仍有待進一步完善。通過結合有限元分析等強有力的計算工具，我們能夠更為精確地針對不同的應用場景設計壓力傳感器的微結構，並探索更多的可能性。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003491

來源：高分子科學前沿

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