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斯坦福大学鲍哲南院士《AFM》综述:教你如何设计压力传感器的微结构-岩拓气凝胶

斯坦福大学鲍哲南院士《AFM》综述:教你如何设计压力传感器的微结构

压力传感器在消费电子、医疗和机器人等领域的重要性已无需赘述。伴随着电子皮肤等概念的飞速发展,更轻、更薄、可穿戴的压力传感器层出不穷。现阶段,科学家已经在这一领域积累了大量的工程经验和理论基础。当我们站在现在,展望将来的压力传感器发展路线时,我们最需要的是更成系统的设计理念,让我们从“设计-制备-测试-再设计”的经验主义走向“理论预测/设计-制备-测试”的理性设计路线。

近日,斯坦福大学鲍哲南院士团队针对压力传感器活性层的微结构设计进行了综述。针对四种最常见的压力传感器,即电容传感器、电阻传感器、压电传感器和摩擦电传感器,分别讨论并比较了提升其灵敏度、感应范围、响应时间、形变回复速率、和感应下限的微结构设计机理和加工方法。上述文章以“Microengineering pressure sensor active layers for improved performance”为题,发表于《Advanced Functional Materials》。

斯坦福大学鲍哲南院士《AFM》综述:教你如何设计压力传感器的微结构

1.哪些指标最重要?

斯坦福大学鲍哲南院士《AFM》综述:教你如何设计压力传感器的微结构
图 1压力传感器的用途、类型、结构和指标

对于器件性能而言,灵敏度、感应范围、响应时间、形变回复速率和感应下限最重要。

灵敏度:灵敏度用于描述传感器受到单位强度的压力时输出信号强度的变化幅度,用输出信号强度的变化值除以初始输出信号强度再除以压力变化值来表示。一般而言,高灵敏度也同时意味着稿信噪比,这使得传感器对微小压力变化的感应能力增强。

感应范围:感应范围代表了在多大的压力范围内传感器能给出有效的输出信号。一般而言,传感器在整个感应范围上会有多个线性感应区间,在一个区间内,信号强度变化量正比于压力变化量,具有统一的灵敏度。

响应时间和形变回复速率:这两个量分别代表着传感器输出信号变化相对于施加压力和撤去压力的滞后程度。对于高频脉冲信号的探测而言,快速响应十分重要。

感应下限:是传感器能感受到的最小压力的大小。对于不同的应用场景,其压力探测范围也不同,因而要调整感应下限和感应范围以达到在应用范围内灵敏度最大化。

对于制备方法来说,工艺复杂度、结构均匀度、形状/尺寸的多样性和可调节性以及规模化前景是最重要的。一个优秀的制备方法应当能够通过简单的操作流程制备具有不同微结构(金字塔、圆柱、半球、多孔结构等)的高度均匀的传感器活性层,并具有大规模生产的潜力或兼容现存工艺。

2.提升电容传感器性能的机理与加工方法

斯坦福大学鲍哲南院士《AFM》综述:教你如何设计压力传感器的微结构
图 2电容式传感器的微结构及增强原理

电容式压力传感器通过探测电容随压力大小的变化来感应压力大小。受压时,电容两极板间距和电介质介电常数会发生变化,从而导致电容的变化。因此要想提高电容传感器的灵敏度、响应速度和感应下限,常用的方法是减小介电层的压缩模量并提高其介电常数。需要注意的是,减小模量往往会导致感应范围的下降,弥补的办法包括赋予材料随应变增大而增大的压缩模量以及增大传感器厚度。能实现上述要求的微结构主要包括微图案阵列(金字塔形、半球形、圆柱形等)、微孔结构(1 – 1000μm的微孔)和混合式结构。可用于加工微图案阵列的方法包括光刻/软光刻和生物模板法;微孔材料一般通过混合造孔剂(孔模板)如水、方糖和聚苯乙烯微球和弹性体来制备。

3.提升电阻传感器性能的机理与加工方法

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图 3电阻式传感器的微结构及增强原理

电阻式压力传感器是通过检测两极板间电阻随压力的变化情况来测量压力大小。当压力增大时,电流流动的截面积增大,流动距离缩短,电阻下降。然而一般的压力传感器都具有薄厚度、大面积的特性,因而电阻式传感器的灵敏度都很低,并且其响应速度和感应下限都受限于传统活性层较高的压缩模量和较慢的回复速度而得不到提升,因此微图案阵列和微孔结构法仍适用于提升电阻式传感器的性能。此外,科学家还开发出了多层堆叠微结构的方式进一步提高其性能。不过与电容式传感器的微加工法有所区别的是,电阻式压力传感器的性能提升要点在于提高电流流动截面积随压力变化而变化的量,单纯降低压缩模量所能提升的性能有限。相比于金字塔等结构,圆顶式结构以及多尺度圆顶结构对提升电阻式传感器的灵敏度和感应范围更为有效。同样地,光刻/软光刻、生物模板法以及传统弹性多孔材料的制备方法也都适用于加工电阻式传感器的微结构。

4.提升压电传感器性能的机理与加工方法

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图 4压电传感器的微结构

压电压力传感器是利用压电效应将压力信号转化为电信号。具有压电效应的材料在受压形变的过程中,材料内部原有的偶极会发生变化,从而导致电荷在材料两面聚集,产生电压。常用的压电材料包括聚偏氟乙烯、钛酸锆酸铅和氧化锌等。理论上来来说,适用于电容式传感器的微结构设计原理也同样适用于压电传感器。通过增大材料在受压过程中的形变量,可以有效提高传感器的灵敏度、响应时间和感应下限。目前对于压电传感器的微纳结构修饰仍处于研究初期,相关报道较少,但已有实验证据表明金字塔状和三角截面条带可有效提高压电传感器的灵敏度。

5.提升摩擦电传感器性能的机理与加工方法

摩擦纳米发电机结合了摩擦起电和静电感应两个效应。两个表面能不同的界面相互摩擦会使其携带相应的电荷,两者距离的改变则会引起表面电荷量的变化,当通过电极与外电路相接时,就会在外电路中产生瞬时电流和电压,其大小和两表面的距离有关。对两表面的微结构处理能够有效增加在摩擦起电过程中两表面的接触面积,并提高电荷转移量,因而能显著提高摩擦纳米发电机的输出电压和功率,有助于提高传感器的灵敏度。目前最为常用且经济的处理方法是采用砂纸对表面进行一定程度的打磨,提高其粗糙度。

6.结语

从先前的研究中,我们已经能够把握微结构对传感器核心性能的影响规律,并对其做出定性分析。然而为了实现对压力传感器的理性设计,更为精确的定量模型仍有待进一步完善。通过结合有限元分析等强有力的计算工具,我们能够更为精确地针对不同的应用场景设计压力传感器的微结构,并探索更多的可能性。

全文链接:

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

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