柔性應(yīng)變與壓力傳感器的前潛力與研究方向

壓力傳感器，也被稱為觸覺/應(yīng)變傳感器，近年來引起了許多研究的關(guān)注，尤其是基于皮膚的柔性電子器件。它具有靈活性、耐久性、生物相容性等獨特優(yōu)點，以及重量輕、應(yīng)變靈活，使得壓力傳感器能夠緊緊附著在人體皮膚上，實時監(jiān)測心率、呼吸節(jié)律等生理健康狀況。

目前，文獻中已經(jīng)報道了多種高度敏感的傳感器系統(tǒng)，這些傳感器基于功能納米材料或混合微/納米結(jié)構(gòu)，將外界刺激轉(zhuǎn)化為電信號。按照其傳導(dǎo)機制，可分為壓阻、壓電和電容式壓力傳感器。其中，壓阻式測量電阻率變化被認為是最常見的一種，因為這種通過將力的變化轉(zhuǎn)化為電阻率的變化來進行系統(tǒng)設(shè)計和讀出機制的方式比較簡單。

過去十年，對可穿戴應(yīng)變器件的靈敏度、測量因子、線性度、滯后、響應(yīng)、恢復(fù)時間以及超調(diào)行為等參數(shù)進行了改進。盡管如此，若想進一步提高柔性壓力傳感器的性能，其他設(shè)備的性能也應(yīng)該考慮進去。如由于機械變形引起的傳感性能的變化，使得動態(tài)變形下的壓力難以準確測量。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，有研究者開發(fā)了一種基于復(fù)合納米纖維的可彎曲、超柔性的電阻式壓力傳感器。如圖a所示，傳感器的彎曲半徑即使下降到80μm，由于襯底薄(厚度<2μm)以及材料本身的糾纏態(tài)納米結(jié)構(gòu)，使得傳感器性能保持不變。這使得可精確測量三維表面上的法向壓力分布，并且在注射針上纏繞器件前后性能變化很小(圖b-d)。

大多數(shù)皮膚感受器在去除外力后無法保留觸覺信息。為了提高基于電子皮膚系統(tǒng)的通用性，可穿戴壓力傳感器的內(nèi)存特性便不可忽視。與神經(jīng)元間的突觸類似，柔性記憶傳感器可用于模擬大腦的記憶功能，存儲模擬值。

如通過將壓力傳感器的底部電極替換為記憶器件的頂部電極陣列，實現(xiàn)柔性觸覺記憶器件，所施加的應(yīng)變可以保持一周以上，幾乎沒有衰減。而基于有機壓敏元件的有機非揮發(fā)性電阻存儲器，保留時間更長，至少6個月。然而，柔性壓力傳感器記憶體的商業(yè)化仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。圖e是一種基于柔性電阻變化非易失性浮動門隨機存取存儲器(FGRAM)陣列的柔性電子壁紙觸覺觸摸存儲器陣列。

由于InGaZnO薄膜晶體管具有在大尺度基片上實現(xiàn)集成電路的良好性能，因此被用作柔性壓力傳感器陣列的FGRAMs。例如，這種電子壁紙的價值在于它能夠像留言板一樣記住觸摸信息(圖f，g)。如果沒有觸摸，程序電壓與FGRAM的柵極斷開。在傳感器上施加觸覺觸摸后，程序電壓以閾值電壓的正偏移提供給FGRAM。結(jié)果表明，用三支筆在器件上施加壓力兩小時后，仍能保持信息，觸發(fā)-15v擦除電壓即可刷新信息。而且通過集成溫度傳感器，可以對室溫進行記憶和控制。

到目前為止，大多數(shù)以皮膚為靈感的可穿戴式應(yīng)變傳感器都是用來監(jiān)測心跳或呼吸速率的，而心跳或呼吸速率與疾病密切相關(guān)。穿戴式應(yīng)變傳感器的另一種同樣重要的應(yīng)用是其監(jiān)測物理運動和運動的能力。盡管各種可穿戴傳感器在監(jiān)測健康狀況方面取得了巨大進展，但僅檢測健康信息無法進行充分的分析來精準預(yù)測或診斷疾病。事實上，記錄的健康狀況，如皮膚溫度或心電圖(ECG)，與受試者的身體活動密切相關(guān)。因此，同時檢測人類活動/運動至關(guān)重要。

運動傳感器依賴于附著在手指或膝關(guān)節(jié)上的柔性應(yīng)變傳感器來監(jiān)測它們的運動。然而，肢體運動并不總是與整體的體育活動相關(guān)，因此結(jié)合所記錄的健康數(shù)據(jù)，可能導(dǎo)致診斷不準確。受剪紙藝術(shù)的啟發(fā)，有人設(shè)計了由四根梁和三個應(yīng)變傳感器組成的三軸加速度傳感器，來響應(yīng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變的變化(圖h，j)。剪紙結(jié)構(gòu)的引入，避免了拉伸引起的機電故障，同時提高了佩戴者的舒適度。

研究發(fā)現(xiàn)，運動傳感器的閾值加速度約為5-12 m s?2，由加速度方向決定。通過對結(jié)構(gòu)尺寸的合理調(diào)整，在光束長度(L)為10.7 mm，寬度(W)為0.35 mm時，可獲得一個小于3 m s?2的足夠低的加速度閾值，使其有可能檢測到人類的輕活動(圖k，l)。為了使加速度傳感器能夠適應(yīng)更廣泛的人群，需要進一步的設(shè)備開發(fā)，通過將這種運動/加速度傳感器集成到功能更加靈活的設(shè)備中，可以同時監(jiān)測身體活動、皮膚溫度、心電圖、紫外線照射等。

南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的韓民教授和王廣厚院士團隊在發(fā)展高分辨率、高靈敏度的壓力傳感技術(shù)方面取得了重要進展，相關(guān)成果以“An ultrahigh resolution pressure sensor based on percolative metal nanoparticle arrays”為題，發(fā)表在2019年9月6日的《自然·通訊》雜志上（Nature Communication 2019，19，4024）。該論文的通訊單位為南京大學(xué)，第一作者為博士研究生陳敏瑞，通訊作者為南京大學(xué)韓民教授，得到了王廣厚院士的指導(dǎo)和支持。

精密的氣體壓力傳感器是微機-電系統(tǒng)中最基本的傳感器件之一，在航空航天、自動駕駛、環(huán)境檢測以及商用電子產(chǎn)品等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用需求。目前，主流的商用壓力傳感器是硅基傳感器，其原理是利用摻雜硅的壓阻或壓容特性來感知外界氣壓的變化。然而，由于硅基材料彈性模量非常高，所制造的壓力傳感器在大氣壓附近的分辨率往往只有~100 Pa。這樣的分辨率很難滿足精確氣象測量與三維精準定位等應(yīng)用的需求。因此，該課題組一方面利用彈性模量更低的高分子有機薄膜代替硅片，另一方面通過原子團簇束流沉積在柔性薄膜表面上可控制備具有量子滲流效應(yīng)和庫侖阻塞效應(yīng)的團簇點陣，將壓力引起的柔性薄膜的表面應(yīng)變轉(zhuǎn)化成團簇點陣的量子隧穿電導(dǎo)變化。

與傳統(tǒng)的硅基材料相比，該傳感器有如下特點：

（1）在同等壓力作用下，選用彈性模量更低的柔性高分子薄膜作為壓力感知器件，其表面產(chǎn)生的應(yīng)變量將遠高于硅片產(chǎn)生的應(yīng)變量；

（2）在附著于薄膜表面的密集的納米團簇點陣中，電子輸運主要是以單電子隧穿跳躍方式，使得團簇點陣的隧穿電導(dǎo)G與團簇平均面間距d之間呈指數(shù)式的變化關(guān)系，，其中β為電子耦合項，與尺寸和溫度相關(guān)。因此，即便是微小的壓力誘導(dǎo)出柔性襯底表面的微小形變，造成團簇的間距的極微小變化，就能足以使團簇間單電子隧穿結(jié)的導(dǎo)電狀態(tài)發(fā)生快速切換，加上團簇密集點陣中間滲流路徑數(shù)目大，使其對點陣導(dǎo)電能力升高或降低的影響高度敏感。

（3）不僅如此，團簇點陣中存在的庫侖阻塞效應(yīng)又能進一步降低熱漲落所造成的電流熱噪聲幅度，從而進一步減小了可測量的團簇點陣的最小電導(dǎo)變化量。這些因素大幅度提高了壓力傳感器的分辨率與靈敏度。

圖1(a)基于原子團簇束流沉積制備的團簇點陣壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；(b)壓力傳感器工作原理：壓力的作用改變了團簇滲流通道（紅色連線）的數(shù)目；(c)團簇點陣電導(dǎo)隨壓力變化曲線；(d)響應(yīng)0.5 Pa壓力變化時團簇點陣的電導(dǎo)變化。

課題組采用掩模鍍膜法，在0.05 mm厚的PET材料上印刷微型叉指電極。利用原子團簇束流沉積系統(tǒng)，在叉指電極之間可控制備金屬團簇密集點陣。最后，將PET膜片密封于一個參考空腔上，從而完成壓力傳感器的制備。當壓力傳感器被置于不同的環(huán)境氣壓下，外界氣壓與參考空腔內(nèi)部壓力在PET膜片上形成一個新的力學(xué)平衡，PET膜片產(chǎn)生的應(yīng)變將改變團簇點陣隧穿電導(dǎo)并被電學(xué)測量回路測得。該壓力傳感器的靈敏度達到0.13 kPa-1，在大氣壓環(huán)境中可以分辨小至0.5 Pa的氣壓變化（圖1）（比目前通用硅基傳感器分辨率提高了3個數(shù)量級以上，也遠超其它材料所構(gòu)成的壓力傳感器）。

作為實際驗證，課題組進一步將壓力傳感器應(yīng)用于不同海拔高度的氣壓變化的測量，在一棟14層的樓房電梯中，實時記錄傳感器隨不同樓層變化的響應(yīng)。實驗表明，傳感器能夠分辨1 m的海拔高度差引起的氣壓變化。作為氣壓高度計，該傳感器能夠達到0.00027 m-1的靈敏度（圖2）。這種超高分辨的氣壓高度計在航空航天、三維全球定位系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用前景。

圖2(a)電梯載著傳感器在不同樓層時傳感器的電導(dǎo)變化；(b)對(a)中數(shù)據(jù)匯總，每層樓的海拔被轉(zhuǎn)換成相對于14樓的高度差（按每層樓高3.5米計算）。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金，國家重大科研儀器項目和江蘇省高校重點學(xué)科建設(shè)項目等的支持。（來源：南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室）