柔性压力传感器
柔性压力传感器是指可以在包括弯曲、扭曲、拉伸等外界刺激下能输出响应电信号，并具有高的可靠性和集成度的一类柔性电子器件
01、简介
将压力输入转换为电信号的压力传感器是柔性电子家族中的重要成员。作为最重要的柔性电子器件之一，柔性压力传感器可以附着在任意曲面上，高效地检测各种人类活动包括人体物理、化学、生物和环境等状态信号。此外，柔性压力传感器已经发展成为一个多学科交叉的领域，结合了材料科学、设备和系统工程以及信号处理，包括新出现的人工智能等技术等。
柔性压力传感器的感知机制可以简单的分为压阻式、电容式、压电式和摩擦电式。了解这些传感器的性能，对传感器在不同应用领域中的应用起着至关重要的作用，并可以达到最佳的功能匹配。
02、制备材料
用于可穿戴健康检测的柔性压力传感器是一个复杂的集成系统,通常由柔性/可拉伸基底、导电电极以及传感材料组成。因此，就特别需要注意每个单独的组件、它们的交互以及这些交互对整个系统性能的影响
基底
基底材料在柔性压力传感器构建中起着重要的作用。通常，柔性聚合物和橡胶等材料由于其热稳定性、良好的耐化学性和巨大的机械柔性而被广泛用作柔性传感器的基底材料。其中使用最多的柔性可拉伸基底材料,包括聚乙烯醇(PVA).聚亚胺 (PI)、聚对苯二甲酸乙二醇(PET) 和聚二甲基硅氧烷 (PDMS)硅胶材料等，它们在柔性传感器领域获得了广泛的应用。
纤维和纺织品非常适合制备可穿戴电子产品，因为纺织品是最接近人类皮肤的天然材料，被认为是第二种人类皮肤。通过与多功能电子设备的整合，新型纺织品既具有柔性电子设备的功能，又具有服装类纺织品的特点。到目前为止，已经开发出了各种智能纺织品来感测环境条件和与健康相关的生理信号。例如，导电纱线可以编织成智能纺织品，该智能纺织品配备有多功能传感器，具有监测心电图信号和血压的能力。因此，纤维和纺织品为可穿戴设备提供了一个有价值的平台，迎来将传统纺织品推向智能化、多功能化的时代。
对于各种应用场景,柔性压力传感器需要耐用且具有兼容性的基底才能满足要求。例如，医疗器械必须由具有生物相容性的材料制成，以便在不引起感染的情况下使用并附着在人体上。最近，聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于其生物相容性和固有的高拉伸性(约 100-1100%)而被广泛用作柔性/可拉伸装置中的基底。为了提高传感器的灵敏度和响应时间，具有微结构的 PDMS 薄膜被应用到柔性传感器基底中，并已经开发出了包括金字塔、微圆柱和半球等微结构。
水凝胶作为一种三维 (3D) 交联亲水聚合物网络的固体材料，由于其高透明度、高柔韧性、高可拉伸性和良好的生物相容性而在柔性压力传感器领域显示出诸多潜在应用。迄今为止，各种导电材料已经被嵌入水凝胶基质中以制备导电水凝胶。通过增加导电材料的含量或直接掺杂导电聚合物，水凝胶的导电性通常会得到极大的改善。导电水凝胶能够结合导电材料和水凝胶的独特优势，表现出良好的电子性质、可调的机械柔性和易加工性，这使得水凝胶在制备不同用途的传感器方面具有很大的潜力。
03、导电电极和传感材料
导电电极和传感材料都是传感器的关键部件且都是导电材料，可以嵌入到柔性器件的弹性衬底中或顶部。最常用的导电材料是金属基材料(如液态金属.、金属纳米颗粒和金属纳米线、碳基材料(如炭黑、碳纳米管和石墨烯)、导电聚合物(如聚呲咯 (PPy) 、聚(3，4-亚乙基二氧) 聚(苯烯磺酸))[PEDOT:PSS]) 和其他材料(如 MOF和 MXene）。这些导电材料表现出优异的机械性能、优异的导电性和长期稳定性，特别是基于金属基材料的压力传感器。
碳基纳米材料已经被广泛用于制造柔性压力传感器。通常，碳纳米材料包括碳纳米管、石墨烯以及其衍生物和炭黑。根据层数，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，根据其结构构型可分为排列碳纳米管和随机碳纳米管碳纳米管因其高机械强度、化学稳定性和优异的导电性而成为最广泛使用的填料类型。碳纳米管的另外一个优点是，他们可以通过溶液加工技术直接沉积在柔性或可拉伸的基底上，这对于其商业加工至关重要。
石墨烯和炭黑来源丰富，制备方便，成本低廉，为工业化生产和广泛应用带来了机遇。最近，石墨烯和炭黑作为新型碳纳米材料得到广泛研究。它们表现出优异的性能，如电性能、简便易行的功能化性能和稳定性，已用来制造多功能传感器。此外，由于结构缺陷，石墨烯在用于柔性电子器件的构建时仍具有局限性。如由于机械限制和片层之间的电阻较大其电性能有些有待提高。已经有研究通过利用碳纳米管或金属纳米线与石墨烯结合的混合结构来克服这些局限性。Luo 等人报道了在聚二甲基硅氧烷(PDMS) 衬底上使用威森伯格效应制备具有多壁碳纳米管的石墨烯纳米片，以制造具有大约 6.65 MPa"和 0.335 kPa"的高压灵敏度的柔性压力传感器。
此外，导电聚合物已经被广泛用作柔性压力传感器的传感材料。PEDOT:PSS是另一种常见的导电聚合物。MXene 是一种 2D 层状纳米材料，具有大的比表面积和高导电性，已用于制备不同种类的柔性压力传感器。Yang等人基于分层图案化聚呲咯 (PPy) 制造了高灵敏度压阻式压力传感器，该传感器灵敏度高达 19.32 kPa，且检测极限很低。
柔性压力传感器的感知机制可以简单的分为压阻式、电容式、压电式和摩擦电式。了解这些传感器的性能，对传感器在不同应用领域中的应用起着至关重要的作用，并可以达到最佳的功能匹配。
压阻式柔性压力传感器
压阻式柔性压力传感器的基本工作原理是基于材料变形而产生的电阻变化这种变化可以反映为相应的电信号变化。与传统的压力传感器相比，压阻式柔性压力传感器具有高的灵活性和灵敏度，因而被广泛的应运于医疗监测、软体机器人和体育锻炼等[14, 401。压阻式传感器的电阻变化通常取决于几何参数的变化,如导体的长度和面积，其公式为: R = pL/A，p 是材料的电阻率，L 是长度，A是面积。L 和 A 参数随着材料的变化而变化，这导致了电阻值的变化。压阻式压力传感器的工作原理如图 1.2 所示。在外加压力的作用下，压阻式传感器的传感材料发生变形，其中导电材料的接触面积发生变化，从而导致了电阻的变化和电信号的输出。压阻式压力传感器的这些原理可以应用到柔性可穿戴电子产品上它可以通过电阻的变化来监测身体各项数据，以预防疾病的发生。
人们通过研究不同种类的传感材料和不同形貌的表面结构来开发高性能的传感器。Kim 等人提出了一种垂直排列的碳纳米管 (VACNT) 阵列嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)基质中的可穿戴的柔性压力传感器该柔性压力传感器显示出高灵敏度(0.3 kPa)、快的响应时间(108 ms)以及良好的机械耐久性(5000 次循环)。
电容式柔性压力传感器
电容式的柔性压力传感器因其具有相对较高的灵活性、简单的结构、良好的动态响应性能、高分辨率、无漂移特性、鲁棒性和低功耗而受到广泛的关注。电容式压力传感器通常包括两个柔性电极及来在两电极中的介电层。电容式和压阳式传感器在设计思路上有着的相似之处。例如，压阻式压力传感器中使用的微结构材料或绝缘弹性材料也可以作为柔性电容式传感器(例如 PDMS)的介电材料。电容式柔性压力传感器可以将机械刺激转化为电容变化，如图 所示控制电容变化的方程为 其中是介电材料的相对介电常数，是空间介电常数，A 是电容器的面积，d 是两个分离电极之=间的距离。当垂直于电极施加压力时,距离d 变化,导致电容变化,而距离 d 随着压力的变化而变化。由容式压力传感器的传感性能、柔性介电层(如PDMS 和热塑弹性体等)、电容将随材料变形面积或厚度的变化而变化。
Niu 等人提出了一种在聚(亚乙烯基氟代-三氟乙烯) 薄膜中形成互锁对称纳米锥的高灵敏度电容式压力传感器。该传感器表现出 6.583 kPa的最大灵敏度、约 3 Pa 的超低检测极限、48/36 ms 的快速响应/恢复时间和 10000 次循环的高稳定性。
压电式柔性压力传感器
柔性压电式传感器因其材料制备简单、成本低廉、电信号易于采集等优点，受到了研究者的广泛关注。压电式柔性压力传感器可以将机械能和电能相互转换。他们的转换机制可以描述如下:当材料受到外部压力产生变形时，正负电荷在功能材料中分离。在材料的两个相对表面，会出现方向相反的正负电荷排列，内部会形成电位差。通过检测这些电位差就可以确定外力的作用，如图 1.6 所示。压电式传感器在检测高频压力方面的优势使其被应用于精密设备的制造。此外，新型压电材料的出现，包括聚偏氟乙烯(PVDF)、钦酸锁(BaTiO;)、错酸 (PZT) 和氧化锌 (ZnO) 等，取代了传统的脆性陶瓷和石英，为压电式传感器的发展带来了新的机遇。
Hou 等人报道了一种用于人体实时运动检测的柔性自供电的压电压力传感器。该传感器采用了基于压电纳米纤维/PDMS 复合材料制备的压电薄膜，因此显示出非常高的灵敏度。
摩擦电式柔性压力传感器
摩擦纳米发电机(TENG)在许多能量收集和信号产生方面表现出优异的性能。TENG 由两种极性相反的摩擦材料组成，两种材料相互接触时，其内表面会产生极性相反的静电荷。分离后，两个摩擦电材料背部表面的电极产生静电感应电荷。因此,产生了电势差,导致电子通过外部电路转移，直到当两种材料完全分离时达到平衡状态。TENG 有四种不同的工作模式: 垂直接触分离模式、横向滑动模式、单电极模式和独立模式。TENG 展示了最佳的特性，如低成本、高输出性能、结构设计简单、出色通用性和可持续性，为未来的个人电子产品和自驱动系统带来了新的机遇。
Lee 等人报道了一种自供电可拉伸的基于 TENG 的触摸传感器，适用于适应皮肤运动的可穿戴设备。该器件由石墨烯、聚酷和聚二甲基硅氧烷制成，在 1-40 kPa 的压力范围内产生 0.274 VkPa的灵敏度。
