電容式柔性壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、低功耗等優(yōu)勢，但是較低的電容信號(hào)量（通常為pF水平）使其非常容易受到外部干擾的影響。從物理角度講，可以通過不斷減薄介電層的厚度來提高電容信號(hào)的絕對值。但是當(dāng)介電薄膜減薄至納米尺度，其機(jī)械性能會(huì)變差，同時(shí)，量子隧穿效應(yīng)變得逐漸顯著，導(dǎo)致器件短路。因此目前電容型柔性壓力傳感器的介電層厚度被限制在微米尺度，對應(yīng)的單位面積電容率（unit-area capacitance, UAC）被限制在pF/cm2水平。

為了解決納米厚度介電層機(jī)械易損和量子隧穿的問題，復(fù)旦大學(xué)李卓團(tuán)隊(duì)提出了一種基于炭黑/硅橡膠復(fù)合材料(CB/SR)和鋁箔的高UAC界面。鋁表面的天然氧化層被用作納米尺度的超薄介電層，而CB/SR復(fù)合材料和鋁分別作為上下電極。該研究利用具有半導(dǎo)體特性的CB與鋁之間的肖特基效應(yīng)有效抑制了Al2O3界面的隧穿電流，從而在超薄的天然Al2O3界面獲得了高達(dá)50 nF/cm2的UAC值。

基于這種高UAC界面，復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了一種中空半球形貌的柔性電極微結(jié)構(gòu)化方案，制備的柔性壓力傳感器靈敏度和線性區(qū)間分別達(dá)到 8.6 kPa?1和 50 kPa。得益于天然Al2O3層出色的環(huán)境穩(wěn)定性和自修復(fù)特性，基于這種設(shè)計(jì)的柔性壓力傳感器在不同的環(huán)境、機(jī)械工況下都表現(xiàn)出了卓越的穩(wěn)定性。該研究以題為“Schottky Effect-enabled High Unit-Area Capacitive Interface for Flexible Pressure Sensors”的論文發(fā)表在期刊《Advanced Functional Materials》上。

鋁表面存在納米厚度的可自修復(fù)的天然氧化層，對于電容界面這意味高的UAC和良好的機(jī)械穩(wěn)定性。但是生活中，鋁是最廣泛采用的導(dǎo)線材料之一，因?yàn)殡娮涌梢砸运泶┑姆绞酱┻^其表面氧化層并在不同的導(dǎo)線之間流通。因此使用這些天然氧化層作為介電層的關(guān)鍵在于抑制隧穿的發(fā)生。利用具有半導(dǎo)體特性的CB與鋁接觸，和金屬與鋁接觸，或者金屬/高分子復(fù)合材料與鋁接觸不同，因?yàn)榘雽?dǎo)體-金屬間的肖特基效應(yīng)會(huì)在CB內(nèi)部形成勢壘, 這種勢壘可抑制Al2O3兩側(cè)的電子隧穿。在這種設(shè)計(jì)下，電容界面UAC被提高到50 nF/cm2。

（a）CB顆粒的TEM;（b）CB/SR的切片TEM；（c）&（d）CB和Al電極的接觸狀態(tài)及勢壘結(jié)構(gòu)；（e）CB/SR-Al2O3-Al界面的電流-電壓曲線；（f）CB/SR-Al2O3-Al界面電荷存儲(chǔ)單元模型；（g）CB/SR-Al2O3-Al界面UAC與CB添加量的關(guān)系。

在這種高UAC界面的基礎(chǔ)上，作者通過向CB/SR復(fù)合材料中加入中空微球粉末作為第二種填料，在復(fù)合材料和鋁箔界面構(gòu)筑了中空半球凸起的微結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的實(shí)心微結(jié)構(gòu)雖然提高了器件的初始靈敏度，但在壓縮過程中，其模量會(huì)隨著壓縮量的增加迅速提高，引起器件靈敏度的快速下降，這限制了器件的線性區(qū)間。這種中空微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)避免了實(shí)心結(jié)構(gòu)中模量的突變，實(shí)現(xiàn)了電容傳感器受壓時(shí)接觸面積和應(yīng)力的同步增長，從而實(shí)現(xiàn)了50 kPa范圍內(nèi)的高靈敏度、高線性度傳感。

（a）中空半球結(jié)構(gòu)的變形過程示意圖；（b）中空半球微結(jié)構(gòu)接觸面積-形變量及壓力-形變量關(guān)系曲線；（c）中空半球微結(jié)構(gòu)接觸面積與壓力間的線性關(guān)系；（d）中空微球添加量對傳感器靈敏度的影響；（e）不同中空微球含量HMS/CB/SR復(fù)合電極的SEM；（f）傳感器靈敏度、線性區(qū)間指標(biāo)與相關(guān)工作的對比。

得益于穩(wěn)定的材料特性，傳感器在遭受壓縮/釋放循環(huán)、電極間的摩擦、氧化層損傷、電極劃傷等不同的機(jī)械沖擊，以及溫濕度變化、水浸漬等環(huán)境沖擊時(shí)都表現(xiàn)出了極佳的穩(wěn)定性。

基于這些優(yōu)勢，作者提供了這種柔性壓力傳感器在人體假肢及手表佩戴舒適性反饋中的示范性應(yīng)用。這種柔性壓力傳感器可以準(zhǔn)確的監(jiān)測志愿者殘肢與假肢之間不同區(qū)域的接觸壓力及行走過程中產(chǎn)生的壓力脈沖。集成于手表帶上的傳感器可以準(zhǔn)確的監(jiān)測手表佩戴的松緊程度及腕部的脈搏信號(hào)。

（a）集成于彎曲表面的柔性壓力傳感器；（b）傳感器壓力分辨效果與商業(yè)化傳感器的對比；（c）人體殘肢-假肢接觸壓力采集系統(tǒng)示意圖；（d）不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的人體殘肢與假肢的接觸壓力；（e）坐姿和站姿狀態(tài)下人體殘肢與假肢間的接觸壓力分布熱力圖；（f）&（g）&（h）柔性壓力傳感器用于手表佩戴松緊程度測量及脈搏信號(hào)采集。

總結(jié)：作者提出了一種基于肖特基效應(yīng)的電容界面組裝方法，顯著提高柔性壓力傳感器中電容界面的UAC值。并在此基礎(chǔ)上提出了一種柔性電極表面的中空半球微結(jié)構(gòu)化方案，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、寬線性區(qū)間柔性壓力傳感器的制備。這種高UAC界面的組裝方法及柔性電極的中空微結(jié)構(gòu)化方案為開發(fā)抗干擾的高性能電容式柔性壓力傳感器提供了新的思路。

原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202401415

審核編輯：劉清