可穿戴技术因其在健康医疗、人机交互和物联网等众多领域的潜在应用价值而备受学界和工业界的关注。柔性压力传感器是可穿戴器件中不可或缺的一部分，其可以反映压力强度、持续时间、间隔及频率等信号，具有高度柔性、低成本以及适于高度集成应用等特点。传感材料的微结构化设计很大程度上决定着活性层的比表面积、可形变空间和形变能力等特性，对器件的传感性能有着重要影响。因此，对传感材料的微形态工程的研究具有重要的理论价值和创新意义，将极大地助力柔性压力传感器的设计和发展。
目前，根据传感机理的不同，柔性压力传感器主要可分为电阻式、电容式、晶体管式、压电式和摩擦电式(图1)。电阻式压力传感器主要将压力刺激转换为电阻或者电流变化输出。电容式压力传感器基于受压状态下活性层的电容变化来传感，其常用的传感材料包括以导电材料和聚合物构建的电极，以及以低模量材料构建的介电层。压力诱导调节源极和漏极之间载流子流量是晶体管式压力传感器的工作原理。压电传感器中，压电材料产生的瞬时电信号可用于对外部压力的监测，常用的压电传感材料包括压电晶体、压电聚合物、生物压电材料、压电肽类及其衍生物。摩擦电式压力传感器基于静电感应和接触带电的耦合效应工作，其输出信号与接触力的大小、速度、接触面积以及材料特性有关。
图1.(a) 电阻式；(b) 电容式；(c) 晶体管式；(d) 压电式；(e) 摩擦电式压力传感器的传感机理及相应的传感特性。
传感材料的微形态/结构对器件性能有着重要影响。这些微结构可分为纳米尺度和微米尺度的结构，包括不同的能带结构、层间结构、微粗糙结构和分级结构等。
2.1 纳米级微结构
压力下，一些材料(如石墨烯、MXene、MoS₂)的能带结构、层间距离或层间结构可产生纳米尺度的改变(如图2)，由此引起的传导性能的变化，使得相关材料可以用于构建本征型压力传感器。虽然这些压力传感器的灵敏度、工作范围和其他传感参数不如结构变化较大的传感器，但相关研究为传感器的设计提供了新思路。此外，构造微裂纹是获得高灵敏压力传感器的经典设计策略，纳米级裂纹的断开-重新连接过程使传感器具有超高的机械灵敏度。
图2. 具有纳米级可变结构的传感材料：(a) Mo₂TiC₂O₂的模型及其 (b) 压缩电子能带结构图，其中，线表示能级；(c) 不同刚性分子(R₁、R₂、R₃)与石墨烯之间共价连接的示意图；(d) 压力传感器基于压力加载时的接触变化进行传感的示意图。
2.2 微米级微结构
微米级微结构在压力下可以产生较大的接触变化，是高性能压力传感器设计中常用的微结构，主要包括微粗糙结构、多孔结构和多尺度分级结构等。
2.2.1 微粗糙结构
微粗糙结构包括微几何结构(微柱、微金字塔、微圆、微脊结构等)、波状结构、褶皱结构，其具有较大的比表面积，尤其适合于高灵敏的电阻式或摩擦电式压力传感器的设计与构建。受压时，微粗糙结构基于应力集中效应，可产生较多的接触位点变化，有限元分析表明：接触面积变化的大小遵循微柱<微金字塔<微圆<微脊结构。此外，受生物系统启发而设计的互锁结构，具有高灵敏、及时快速响应、高度稳定传感(互锁结构有效减小机械损坏)等特点，还可使器件检测到多种类型的外力刺激(压力、扭转、剪切)。
图3. 传感材料的微粗糙结构：(a) 微几何结构；(b) 互锁结构的优点；(c) 波状结构；(d) 褶皱结构。
2.2.2 分级结构
分级结构具有可分级变化的丰富微形貌，往往具有增强的形变能力、较大的比表面积和增大的可形变空间，可以提高传感材料受压状态的结构变化；按其形貌特性可分为多孔分级结构和多尺度分级结构。
多孔分级结构
多孔结构具有低的密度、优异的压缩回弹性和丰富的可接触变化空间，是构建高性能压力传感器的另一主要形态。相互连接的框架网络结构(如泡沫基、海绵基、气凝胶基、纸基和纺织基结构)和中空结构都是多孔结构。同时，许多多孔材料的孔壁形态也具有一定的微结构，如由片层材料经冷冻构筑的气凝胶，在受压时，气凝胶的孔洞结构会被压缩，孔壁中片层材料的层间距也会发生改变，因此，多孔结构也是一类分级结构。同理，以泡沫、海绵、纸张和织物等多孔框架采用浸渍、喷涂、沉积和原位生长等方法负载的具有微结构的复合传感材料，亦是如此。此外，木制材料本身具有沿生长方向的多通道孔洞结构，一些孔壁带有微结构的中空结构等也被广泛用作器件的多孔分级结构。
图4. 传感材料的多孔分级结构：(a) 气凝胶基多孔分级结构；(b) 木基多孔气凝胶；(c) 海绵基；(d) 泡沫基；(e) 纸基；(f) 织物基多孔结构；(g) 基于向日葵花粉(SFP)的压阻传感器；(h) SFP基中空分级结构的扫描电镜图像。
文章来源：传感器专家网
原文网址：https://mp.weixin.qq.com/s/-gicWQBGZlll8KFPmUaXcg
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