基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器_鲍艳.pdf

POGESSINCHEMISTY化 学 进 展DOI:10.7536/PC221014http:/wwwprogchemaccnProgress in Chemistry，2023，35(5):709720鲍艳陕西科技大学轻工科学与工程学院教授、博士研究生导师，享受国务院政府特殊津贴专家。从事功能性皮革化学品及有机无机纳米复合材料的研究。作为项目负责人承担科研项目 19 项。授权国家发明专利 56 项;以第一或通讯作者发表学术论文 126篇，其中被 SCI 收录 51 篇，入选 ESI 高被引论文 2 篇，论文共计被引 2483 次。研究成果获国家技术发明二等奖、国家科学技术进步二等奖、全国工人先锋号等 25 项奖励。入选国家级百千万人才工程、教育部新世纪优秀人才支持计划、陕西省高层次人才特殊支持计划青年拔尖人才等人才项目。收稿:2022 年 10 月 25 日，收修改稿:2023 年 2 月 24 日，网络出版:2023 年 4 月 30 日国家自然科学基金项目(No22078188)和咸阳市秦创原科技创新专项(No2021ZDZX-GY0007)资助The work was supported by the National Natural Science Foundation of China(No22078188)and the Xianyang City Qin Chuangyuan Science andTechnology Innovation Special Project(No2021ZDZX-GY0007)*Corresponding author e-mail:baoyan susteducn基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器鲍艳1，2*许佳琛1郭茹月1马建中1(1陕西科技大学 轻工科学与工程学院(柔性电子学院)西安 710021;2陕西科技大学 轻化工程国家级试验教学示范中心西安 710021)摘要近年来，随着互联网和人工智能的发展和普及，轻薄便捷、电子性能优异的柔性压力传感器作为可穿戴电子设备的核心器件，拥有了越来越广阔的市场。柔性压力传感器具有灵活柔韧、可折叠、传感性能优异等优点，因而在电子皮肤、运动检测、医疗监测和人机界面等方面已引起广泛的关注。构筑微纳结构是提高压力传感器灵敏度和传感性能的关键。基于此，本文首先总结了高灵敏度压力传感器的传感机制(压阻式、电容式、压电式和摩擦电式)和关键性能参数(灵敏度、压力检测范围、检测限、响应/恢复时间、循环稳定性和线性度等)，然后归纳了利用基材构建表面微纳结构(微凸结构、荆棘结构和褶皱结构)和利用导电材料构建微纳结构(微球结构、海胆状结构、蜂窝状结构)的柔性压力传感器的研究进展及其优缺点，总结了基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器在脉搏监测、电子皮肤、运动检测和人机界面等方面的应用现状。最后，从今后应用的角度出发，概述了高灵敏度柔性压力传感器即将面临的挑战及未来发展方向。关键词柔性压力传感器高灵敏度微纳结构中图分类号:TP212;TB33;TM24文献标识码:A文章编号:1005-281X(2023)05-0709-12HighSensitivity Flexible Pressure Sensor Based on MicroNano StructureYan Bao1，2*，Jiachen Xu1，uyue Guo1，Jianzhong Ma1(1 College of Bioresources Chemical and Materials Engineering(College of Flexible Electronics)，ShaanxiUniversity of Science Technology，Xi an 710021，China;2National Demonstration Center for ExperinencedLight Chemical Engineering Education，Shaanxi University of Science Technology，Xi an 710021，China)AbstractIn recent years，with the development and popularization of Internet and artificial intelligence，theflexible pressure sensor with light，convenience and excellent electronic performance，as the core device ofeview化 学 进 展710Progress in Chemistry，2023，35(5):709720wearable electronic equipment，has a increasingly broad market Flexible pressure sensors have attracted extensiveattention in electronic skin，motion detection，medical monitoring and man-machine interface because of itsflexibility，folding and excellent sensing performance The construction of micro-nano structures is the key toimprove the sensitivity and sensing performance of pressure sensors Based on this，the sensing mechanism(piezoresistive，capacitive，piezoelectric，triboelectric)and key performance parameters(sensitivity，pressureresponse range，detection limit，response/recovery time，stability of circulation and linearity，etc)of the high-sensitivity pressure sensors were summarized Then，research progress of flexible pressure sensors using substrates toconstruct surface micro-nano structures(micro-convex structure，bramble structure and fold structure)and usingconductive materials to construct micro-nano structures(micro-sphere structure，urchin structure and cellularstructure)were compared and concluded Furthermore，the application status of high-sensitivity flexible pressuresensors based on micro-nano structure in pulse detection，electronic skin，motion detection and man-machineinterface was concluded Finally，from the perspective of future application，the challenges and developmentdirection of high sensitivity flexible pressure sensor are summarizedKey wordsflexible pressure sensor;high sensitivity;micro-nano structureContents1Introduction2Sensing mechanism and key performance parametersof high sensitivity flexible pressure sensor2.1Sensing mechanism2.2Key performance parameters3Construction of high sensitivity flexible pressuresensorbasedonmicro-nanostructureofsubstrate materials3.1Micro-convex structure3.2Bramble structure3.3Fold structure4Construction of high sensitivity flexible pressuresensorbasedonmicro-nanostructureofconductive materials5Application of high sensitivity flexible pressuresensor based on micro-nano structure6Summary and outlook1引言随着智能化和微型化技术的不断发展，柔性压力传感器已被广泛研究。柔性压力传感器是指能够通过信号转换和传导将输入的外力信号转化为电信号输出且具有优异外力感知能力的一类传感器13。高灵敏度的压力传感器能够更加精确地感知人体的微小活动，如呼吸和心跳等生理信号，因此在新型医疗保健、电子皮肤和多模态感知等领域能够模拟真实皮肤4，5，在软机器人领域能够精确感知由压力引起的电信号变化，从而有利于人机交互功能的实现6，7。微纳结构广泛存在于自然界中，如荷叶具有“出淤泥而不染”的特性、壁虎拥有飞檐走壁的本领、水黾可以凌波微步、海龟能够千里识途，这些均是由他们身体结构上特殊的微纳结构所赋予的8，9。材料的微纳结构化所带来的小尺寸效应和大比表面积，在提高材料性能的同时还可丰富材料的功能10，这对传感材料来讲也不例外。如，Wang等11 受到蜘蛛腿部纤细微米级绒毛的启发，在碳丝织物表面原位生长绒毛状碳纳米管(CNT)，制备了超灵敏全纺织柔性压力传感器。蓬松状 CNT 修饰的织物使传感器具有特殊的微纳结构，增加了导电材料的接触面积，从而赋予了传感器优异的传感性能。由上可知，构建多尺度微纳结构是提升柔性压力传感器灵敏度的主要途径1214。基于此，本文综述了基于微纳结构的高灵敏度鲍艳等:基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器综述与评论化学进展，2023，35(5):709720711柔性压力传感器的研究进展。首先，对高灵敏度压力传感器的传感机制和关键性能参数进行了分析和总结;其次，基于目前构建微纳结构的两种主要方式，即利用基材构建表面微纳结构和利用导电材料构建微纳结构，归纳并分析了各种方法的研究进展及其优缺点;然后，阐述了基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器在脉搏监测、电子皮肤和运动检测等方面的应用现状;最后，对基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器面临的挑战以及未来的发展方向进行了展望。2高灵敏度柔性压力传感器的传感机制和关键性能参数2.1传感机制柔性压力传感器是一类能将外力信号(如弯曲、扭转、拉伸等刺激)转化为电阻、电流或电容等信号的传感器，按照传感机制的不同可将其分为压阻式、电容式、压电式和摩擦电式四类1518。压阻式压力传感器是将压力变化转化为电阻或电流信号的一类传感器，其电阻变化公式为:=L/A(为材料的电阻率，L 和 A 分别为长度和表面积)。传感机制如图 1a 所示，施加外部压力，材料会发生变形，间接改变传感器内部导电材料的分布密度和接触状态，从而使传感器的电信号发生规律性变化。因此，压阻式压力传感器结构简单，与其他传感器相比，检测范围广，被广泛用于实时健康监测、智能机器人和假肢等方面19，20。如，Zhou 等21 采用静电纺丝技术制备超薄的敏感层，是由聚(3，4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)和聚酰胺 6 组成的复合纳米纤维薄膜，在传感层上下两侧连接电极，获得具有高灵敏度(6554.6 kPa1)、快速响应时间(53 ms)、宽的检测范围(060 kPa)和良好循环稳定性(10 000 次)柔性压阻式压力传感器，能够检测呼吸、脉搏、手部和腕部等人体运动。电容式压力传感器是由并联板式电容器作为传感元件的一类传感器，通常由上下电极板、绝缘体和衬底组成。电容变化公式为 C=0rA/d(C 为电容，0为真空介电常数，r为相对介电常数，d 为板间距)。传感机制如图 1b 所示，当受压力作用时，上下电极板间的距离发生变化，从而使电容发生变化。电容式压力传感器具有检测范围大、灵敏度高、结构简单、能耗低等优势。如，Yu 等22 设计了表面嵌入微凸 结 构 的 多 壁 碳 纳 米 管/聚 二 甲 基 硅 氧 烷(MWCNTs/PDMS)电极层和钛酸钡/聚二甲基硅氧烷(BaTiO3/PDMS)介电层，获得了具有高灵敏度(2.39 kPa1)、宽压力检测范围(0120 kPa)、低检测限(6.8 Pa)和快速响应时间(16 ms)的柔性电容式压力传感器，可以识别坐、站、走和跑等姿势。压电式压力传感器是一种基于压敏效应的传感器，可以实现机械能和电能之间的转换。传导机理如图 1c 所示，当材料受压变形时，功能材料内部的正负电荷发生分离，同时在两个表面产生相反的电荷，并在内部形成电位差，通过检测电位差的变化来确定压力大小。与其他传感器相比，压电式压力传感器能够直接将机械能转化为电能，对于推动自供电传感技术的实现具有重要意义。Park 等23 合成了一种锆钛酸铅压电薄膜，并将其黏结在聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底上，制备了具有高灵敏度(0.018 kPa1)、快速响应时间(60 ms)和良好机械稳定性的自供电压电脉冲传感器，能够完全附着于皮肤表面响应人体微小的脉冲信号。图 1不同压力传感器的传感机理:(a)压阻式;(b)电容式;(c)压电式;(d)摩擦电式Fig 1The sensing mechanism of different pressuresensors:(a)piezoresistive;(b)capacitive;(c)piezoelectric;(d)triboelectric摩擦电式压力传感器是一种基于摩擦起电与静电感应耦合效应的压力传感器，由两种极性相反的摩擦材料组成。传感机理如图 1d 所示，当施加压力时，两种不同材料相互接触，表面会产生相反的静电荷。随着压力的减小，两种材料相互分离，两个摩擦带电材料背面的电极通过静电感应产生电荷。因而产生电位差，导致电子通过外部电路进行转移，直到两种材料完全分离时达到平衡状态。与压阻式和电容式压力传感器相比，摩擦电式压力传感器在不提供电源的情况下就可以正常工作;与压电式压力传感器相比，摩擦电式压力传感器的灵敏度高且可供选择的传感材料种类多24。Shlomy 等25 以 PDMS 作为负电层，尼龙和乙酸丁酯纤维素作为正电层，通过黏结金属电极，制备了一种摩擦电式压力传感器，将其植入皮肤下，能够将触觉压力转化为电势，通过电极传递到感觉神经，模拟触觉，弥补创伤性周围神经损伤。eview化 学 进 展712Progress in Chemistry，2023，35(5):709720基于摩擦电式压力传感器的摩擦纳米发电机表现出能量转换效率高、性能优异、易于加工等优势，为自供电型可穿戴电子设备带来了新的机遇和挑战。2.2关键性能参数虽然不同柔性压力传感器的传感机制有所不同，且各有优缺点，但柔性压力传感器的关键性能指标却是相同的，其主要包括灵敏度、压力检测范围、检测限、响应/恢复时间、循环稳定性等，有关性能指标的具体定义及所表达的意义、提升方式等见表 1所示。表 1柔性压力传感器的关键性能参数Table 1Key performance parameters of flexible pressure sensorPerformanceparametersDefinition and expressed meaningWays to improvementSensitivityIt is the ratio of the response change to the excitationchange，reflecting the accuracy of the sensorBy reducing the initial value of electrical signal，such as building amicro convex structure2628 to reduce the initial contact areaPressureresponse rangeExpress the range of pressure that the sensor candetect for a long time without changing the outputcharacteristicsIt mainly depends on the properties of the base material and thesensing material The flexibility，strong elasticity and good resistanceof the base material and the high tensile property of the sensingmaterial are the keys to obtain a wide response rangeDetection limitThe minimum pressure that can be detectedA stable microstructure is introduced on the substrate surface or thesensing layer to output tiny electrical signals through the tip contact ofthe microstructure under weak pressure，thereby improvingthedetection limitesponse/recovery timeWhen the external force is applied/removed，thetime required for the electrical signal to increase/recover from the initial value/maximum value to themaximum value/initial value It reflects the responsespeed of the sensorThe response/recovery time is mainly related to the viscoelasticity ofmaterials and the contact between sensing layers The viscoelasticitybetween materials can be reduced by designing the surface structure orconducting porous modificationStabilityof circulationThe degree to which the characteristic curve obtainedby the sensor keeps consistent when a certainexternal force is input for a long time or repeatedlyIt reflects the stability of the sensorStructural design shall be carried out for active materials to eliminateresidual stress，or special process shall be adopted for sealing assemblyto improve cycle stabilityLinearityQuantified by the coefficient of the linear regressionfitting curve，it is the degree to which the actualperformance of the pressure sensor is close to astraight line within a specific working range Itreflects the response accuracy and reliability of thesensorQuantified by the coefficient of the linear regression fitting curve，it isthe degree to which the actual performance of the pressure sensor isclose to a straight line within a specific working range It reflects theresponse accuracy and reliability of the sensor29 由表 1 可知，一个性能优异的柔性压力传感器需要器件既具有高灵敏度又具备宽的压力响应范围。同时，检测限低、响应/恢复时间短、循环稳定性及线性度高也是柔性压力传感器所需追求的关键指标，他们对传感器在新型医疗保健、脉搏检测和电子皮肤等方面的可靠运行十分关键3033。然而，要追求上述所有性能达到极致是不现实的。因此，目前在柔性压力传感器的研制方面大家的关注焦点首先集中在灵敏度方面，其次才是压力响应范围，也即先保证传感器的使用性能再关注其适用范围。通过文献归纳可知，影响传感器灵敏度的主要因素是基底材料和传感材料的微结构。3基于基底材料的微纳结构构筑高灵敏度柔性压力传感器近年来，使用具有表面微结构的基底材料制备压力传感器已被证明可以成功实现灵敏度的提升。现有基底材料的表面微结构主要包括微凸结构34、荆棘状结构35 和褶皱结构36 等。3.1微凸结构典型的微凸结构主要包括微穹顶结构、微锥结构和微圆柱结构等。每种微凸结构均具有自己的特点，能够满足不同应用方向对压力传感器的需求。微凸结构具有在微小压力下易变形的特点，可使活性层的接触面积显著增加，从而产生较大的电信号变化，有效提高压力传感器的灵敏度。除此之外，微凸结构的变形作用还可拓宽其压力检测范围。微穹顶结构是最常见的一种表面微凸结构，通俗来讲就是基底材料表面存在很多圆滑的微凸起。Tang 等37 采用一步发泡策略和光刻蚀技术制备了基于微穹顶结构的氧化石墨烯(GO)/硅橡胶电阻式压力传感器，如图 2 所示。通过改变发泡时间来鲍艳等:基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器综述与评论化学进展，2023，35(5):709720713改变微穹顶的结构特征，可以调整压力传感器的灵敏度和线性工作范围。当发泡时间为 3 min 时，传感器的灵敏度为 0.19 kPa1(04.2 kPa)，与表面平整的压力传感器(0.04 kPa1)相比灵敏度高出许多。除此之外，该传感器还具有宽的传感范围(0100 kPa)、短的 响 应 时 间(75 ms)和 恢 复 时 间(80 ms)。上述结果表明基于微穹顶结构的柔性压力传感器在灵敏度和线性传感范围之间有很好的平衡，可在人体脉冲检测、手指点击检测、抓握力感知等方面进行应用。为了进一步提高压力传感器的灵敏度，Park 等38 在具有微穹顶结构的硅模具上涂覆CNT 和 PDMS 混合液，经固化后从模具上剥离下来，制备具有均匀微穹顶阵列的导电薄膜，并将其组装成压力传感器，如图 3 所示。该传感器是基于两个微穹顶阵列之间的隧穿电流变化进行传感的，外部压力在小的接触点处引起应力集中，并在微区中引起局部变形，从而导致接触面积和隧穿电流的增加，减缓了滞后性对传感性能造成的影响。传感器的灵敏度可达到 15.1 kPa1、响应时间为 40 ms、检测限为0.2 Pa，在健康监测、运动检测等方面具有应用前景。基于微穹顶结构的压力传感器虽可实现灵敏度的提升，且可使响应时间、传感范围等有所改善，但由于其表面凸起较为圆滑，因此该结构对于灵敏度的提升幅度有限。图 2基于表面微穹顶结构的电阻式压力传感器:(a)微穹顶结构设计图;(b)受压时微穹顶结构顶点接触图;(c)灵敏度曲线图37 Fig 2esistance pressure sensor based on surface microdome structure:(a)designdrawingofmicrodomestructure;(b)contact diagram of micro dome structureunder compression;(c)sensitivity curve37 微锥结构的应力分布不均匀，通常集中在尖端，因此在提升灵敏度方面展现出微穹顶结构所不具备的优势39。在施加压力后，微锥结构的尖端会压缩得更大，从而导致更高的机械形变，产生更大的电信号变化，提升灵敏度。Cao 等40 首先制备了倒微锥结构的硅模具，并在其表面喷涂单壁碳纳米管图 3基于微穹顶 CNTs/PDMS 薄膜的压力传感器:(a)微穹顶 CNT/PDMS 薄膜的制备过程;(b)传感机理图;(c)传感性能比较38 Fig 3Sensitivity curve of pressure sensor based on microdome CNTs/PDMS film:(a)preparation process of CNT/PDMS thin films for micro dome;(b)preparation process ofCNT/PDMS thin films for micro dome;(c)comparison ofsensing performance38(SWCNTs)，最后旋凃 PDMS 预聚体，经固化后获得了具有微锥结构的 SWCNTs/PDMS 复合薄膜，并基于此制备压力传感器，该传感器具有高的灵敏度(3.26 kPa1)、短 的 响 应/恢 复 时 间(200 ms/100 ms)以及良好的循环稳定性，它能够同人体指纹表皮一样，识别各种纹理，如不同织物的纹理、盲文等，在机器人皮肤和触觉感知方面具有巨大的应用图 4基于微锥结构的 CNT/PDMS 压力传感器等效电路及外观照片28 Fig 4Equivalent circuit and appearance photos of CNT/PDMS pressure sensor based on micro-cone structure28 潜力。同样地，Ma 等28 采用反模板法制备基于PDMS 和 CNT 导电微锥结构的柔性压力传感器，如图 4 所示。进一步改进的是该传感器通过调节微锥的间距和基底长度来系统调整器件的压力传感特性。当微锥间距和基底长度的比率为 1 1 时，该传感器 在 10 100 kPa 内 具 有 较 高 的 灵 敏 度(0.34 kPa1)、快速的响应时间(48 ms)、低滞后性、低工作电压(0.1 mV)以及高的机械稳健性。将优化后的传感器集成在可穿戴压力传感器系统，实现在电子皮肤中的潜在应用。然而，由于微锥结构的eview化 学 进 展714Progress in Chemistry，2023，35(5):709720尖端在使用过程中易于被损耗，因此其循环稳定性相较微穹顶结构有所不足。微圆柱结构相较微穹顶结构具有更大的接触面积，相较微锥结构具有更好的结构稳定性，因此可将两者的优势集于一体，更好地提升柔性压力传感器的传感性能。Lin 等41 制备了具有微圆柱阵列的PDMS 薄膜和聚偏二氟乙烯(PVDF)纤维传感电极，并将其组装成电容式压力传感器。PVDF 的高介电系数和静电纺丝产生的空隙有利于形成特殊的膨胀层，同时结合阵列微柱，得到了一种新型的双介电层结构。当压力施加在传感器上时，纤维层在间隙中释放空气，轻微的压力也会改变电极之间的距离，从而提高传感器的灵敏度。当传感器上的压力被释放时，压入纤维中的汽缸会迅速扩大电极之间的距离，由于压力而被压缩的纤维层迅速恢复到原来的庞大状态。这种微圆柱结构可以对电极之间的距离变化做出迅速响应，并减缓迟滞性带来的影响，从而增加传感器的电容变化和耐久性。该传感器的灵敏度可达 0.6 kPa1、响 应 时 间 为 25 ms、检 测 限 低 至0.06 Pa且具有良好的循环稳定性(10 000 次循环)，可成功应用于脉搏、肢体运动、呼吸和声学振动等方面。此外，Lu 等42 以磷酸/草酸为电解质，图 5(a)基于微锥结构的 IOCA 压力传感器的制备过程示意图;(b)灵敏度拟合曲线图;(c)传感机理如图42 Fig 5IOCA pressure sensor based on micro conestructure(a)Schematic diagram of preparation process;(b)sensitivity fitting curve;(c)the sensing mechanism isshown in figure42 交替进行氧化和预增宽，制备了不同高度的阳极氧化铝模板(t-AAO)，以其为反应容器，通过原位聚合，将吡咯单体在 t-AAO 模板孔壁上聚合成聚吡咯(PPy)，最后通过涂布聚甲基丙烯酸甲酯/N，N-二甲基甲酰胺混合溶液制备微圆柱结构薄膜，将该薄膜面对面组装在一起获得具有连锁纳米阵列的高度互锁结构(IOCA)的压力传感器，如图 5 所示。该传感器 在 0200 Pa 压 力 范 围 内 具 有 高 灵 敏 度(268.36 kPa1)，进行快速响应/恢复(48/56 ms)以及良好的重复性和连续性，可以准确检测风速、手腕扭转和弯曲等运动，在可穿戴医疗监测、电子皮肤等方面具有广泛的应用前景。3.2荆棘结构小的初始电流和电流随压力发生显著变化是提高传感器灵敏度和线性度的关键43，44。荆棘状导电纤维膜的粗糙结构可赋予其大的比表面积，增加敏感层与电极之间的接触，从而有效提高传感器的传感性能。Hu 等45 采用湿法纺丝制备了一种蓬松结构的碳杂化荆棘状纤维(CHF)，该纤维的骨架由GO 组成，骨架上缠结的 CNT 形成荆棘结构，然后将CHF 和银电极集成在 PDMS 基底上，获得了柔性压阻式传感器，如图 6 所示。该传感器的蓬松结构扩展了内部空间，使纤维能够变形，从而获得令人满意的灵敏度。当受到弯曲应变时，GO 纳米片开始滑动，CHF 纤维发生变形，形成导电路经;随着应力的增加，GO 纳米片边缘断开，电荷通过荆棘状的 CNT传输，确保应变加载时整体结构的完整性;当撤去应力时，传感器恢复层状结构。该传感器的灵敏度可达 1127 kPa1、响应时间为 70 ms、循环稳定性大于2000 次，可用于腰椎和颈椎记录实时坐姿信号。同样地，Sharma 等46 采用静电纺丝技术将丙烯腈、纤维素和 MXene 混纺制备纳米纤维膜，随后碳化并原位聚合聚苯胺(PANI)，成功制备了荆棘状 P-CPCM纤维膜。将两个 Cu 电极和三层 P-CPCM 纤维膜依次堆叠在 PDMS 柔性衬底上，成功构建了柔性压阻式传感器。施加压力时，薄膜厚度减小，电流通过大量的脊柱尖端接触，导电路径增加，电阻减小;压力越大，接触面积越大，导电性越好;释放压力后，膜厚与电极恢复到原始状态。荆棘状纳米纤维的引入，实现了压阻式传感器的高灵敏度(179.1 kPa1)、低检测限(1.2 Pa)、宽压力范围(050 kPa)及高耐用性(10 000 次循环)。由上可知，荆棘结构主要是通过纺丝技术将导电材料附着在纤维上而产生的，荆棘结构虽可提升传感器的灵敏度，但其制备过程较为复杂，荆棘结构的均匀性控制较为困难，这可能鲍艳等:基于微纳结构的高灵敏度柔性压力传感器综述与评论化学进展，2023，35(5):709720715图 6基于海绵压力传感器的示意图和传感机理图45 Fig 6Schematic diagram and sensing mechanism diagramof sponge pressure sensor45 会影响到传感器的传感稳定性。3.3褶皱结构褶皱结构是一种特殊的表面微图案，这种结构通常在机械应力下形成。Baek 等47 通过机械拉伸制备了具有表面褶皱结构的硅橡胶，然后将金涂饰的硅电极放置在硅橡胶的两侧，制备了电容式压力传感器(图 7)。褶皱结构有效增加了传感器的接触点密度，从而提高了传感器的灵敏度。与无褶皱传感器相比，单面褶皱传感器的响应和恢复时间分别提升了 9.7%和 17%，双面褶皱传感器的响应和恢复时间分别提升了 42%和 25%，表明在弹性基体中引入褶皱结构是提高传感性能的有效途径，且褶皱化程度对传感器的响应和恢复时间具有显著影响。为了简化工艺，Luo 等48 采用电镀法制备具有褶皱结构的 PPy 薄膜，再将聚乙烯醇纳米线(PVANW)填充在喷涂氧化铟锡的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜和褶皱结构 PPy 薄膜之间，制备了电容式压力传感器。当传感器受到外部压力时，褶皱结构的 PPy 薄膜发生变形，导电路径增加，并克服 PVANW 的隔离功 能，从 而 使 传 感 器 具 有 超 高 的 灵 敏 度(228.5 kPa1)、低的检测限(2.97 Pa)和快速的响应(66.8 ms)。相较表面微凸结构和荆棘结构，褶皱结构具有形成过程简单，褶皱大小及褶皱均匀、易于控制等优点，且使用过程中褶皱结构稳定性相对较好，因此是目前制备高灵敏度柔性压力传感器的一种有效策略。综上可知，使用具有表面微结构的基底材料制备压力传感器，由于基底材料具有良好的柔韧性，因此微结构的稳定性相对较好，在提升压力传感器灵敏度的同时，循环稳定性基本不受影响。但不同的表面微结构对传感器性能的贡献仍然是有差异的，如表 2 所示，且采用该策略所形成的压力传感器灵敏度提升幅度有限，响应/恢复时间较长。图 7基于褶皱结构的电容式压力传感器:(a c)无褶皱、单侧褶皱和双侧褶皱压力传感器在 5 kPa 压力下的传感性能;(df)无褶皱、单侧褶皱和双侧褶皱压力传感器的响应时间;(g)传感器的制备过程示意图47 Fig 7Capacitive pressure sensor based on pleatedstructure(a c)Sensing performance of wrinkle free，unilateral wrinkle and bilateral wrinkle pressure sensorsunder 5 kPa pressure;(d f)response time of non fold，unilateral fold and bilateral fold pressure sensors;(g)schematic diagram of sensor preparation process47 4基于导电材料的微纳结构构筑高灵敏度柔性压力传感器导电材料是传感器感知外界压力的主要部分，是决定传感器性能的另一关键因素。常见的导电材料包括金属基材料(如金属纳米颗粒、纳米线)、碳基材料(如石墨烯、