最近对能够感知各种人体运动（如脉搏，呼吸和心率以及运动）的电子皮肤的研究正在引起越来越多的关注。
高灵活性和可拉伸性的电子皮肤对于老年护理，运动性能，软体机器人和伤口愈合也具有重要意义。这些“类皮肤”压力传感器可以将细微的机械信息转化为电学信号。电容和电阻式传感器由于其高频宽度而被研究最多。
在电容式传感器中，平行板电容器的电容（C）由C = εA/d公式决定，其中ε是介电常数，A和d是两个电极之间的面积和距离。电容传感器通常用于通过监测两个平行电极之间的距离的变化来测量机械力。低弹性模量的介电材料在给定的压力下产生大的应变，因而可以显著增加这种类型的压力灵敏度。使用其介电特性随应变而变化的介电材料制备的晶体管传感器具有更高的灵敏度。然而，电容式传感器本身容易受到电磁相互作用和边缘效应的影响，这使得它们不适合特定的电子应用。
图1 多步法和一步法制备反相模板的对比示意图：a为传统工艺用于制备反相微结构；b为采用3D打印制备的微结构方案
而压阻式传感器设计简单，制造成本低，读出机制简单，尽管环境温度波动和传感响应的滞后可能会影响其测量的可重复性。由于材料微观结构的变化会影响两个接触电极之间的接触电阻，因而传感器的电阻会随着变形而变化。构建不同的压阻纳米材料，如碳纳米管/纳米纤维，石墨烯和银纳米线已被嵌入弹性基质中，形成导电通路，外力作用下回破坏或者重构这些导电桐庐。另外一种构型的压力传感器是通过电极或导电界面之间接触电阻的变形引起的电阻率变化。这种类型的传感器通常能够检测人体运动引起的微小变形，如心跳、脉搏以及身体运动等方面，目前已经成功应用于医疗检测等领域。然而制造高灵敏特性的压力传感器仍然具有挑战性，这种传感器结合了高灵敏度和大工作压力范围以及快速响应。
图2。通过复制3D打印的聚合物模板制备的微结构PDMS薄膜表征图：a）三维CAD模聚合模板，包括金字塔、半球和半圆柱体。b）导电微结构PDMS薄膜制备示意图。c)涂覆有微结构的PDMS薄膜的顶视图。d）对应的侧视图。e）用CNFs涂覆的金字塔的SEM。
最常见的一种用于改善传感器性能的方案是在接触弹性体的表面上构建微架构电极的压阻式传感器，其灵敏度由接触电阻变化决定。与非结构化的传感器相比，微纳结构的存在增加了电极之间的接触界面积。当施加一定的外力时，即可引起电阻的极大变化，从而实现更高的检测灵敏度。同时，当具有多孔微结构弹性体作为电极时，弹性模量明显降低，显着改善了低压下的检测灵敏度。最常见的微结构主要是微米级金字塔和半圆球结构的压力传感器。
图3。不同微结构在压力作用下的有限元分析：一个锥体的单个微结构单元Von Misesstress field，a）金字塔，b)半圆柱体和c)半球；d）传感器单元的接触面积作为压力的函数。E）电流示意图通过半圆柱体在压力作用下的微观结构。
然而，这些高灵敏度压力传感器的制造通常需要复杂的微/纳米制造工艺。如图1a所示，为了制备具有微珠光体的反向硅模板，需要多个步骤的光刻工艺，包括旋涂，UV照射，蚀刻和清洁。整个过程耗时长成本高，而且对于低成本的消费类电子产品产品也是不适用。除了通过复杂的微/纳米加工工艺加工特定微结构外，也可利用天然物品的微结构作为模板，比如简单地复制丝基纺织品的微结构制备的大面积的导电弹性压力传感器也显示出超高灵敏度，可以检测微小力并且具有快速的响应时间。尽管通过将各种微结构集成到压力传感器中已经取得了实质性进展，但仍然不清楚几何特征对传感器性能的影响如何。
图4。不同的微结构的压力传感器的制备与表征。a）PDMS/ITO的压力传感器的示意图。b）半圆柱体压力传感器的电阻变化。c）抗性图不同微结构的压力传感器在施加压力的变化下的阻抗变化图（从上到下依次为平面式，金字塔；半球形；实半圆柱型
近期，澳大利亚新南威尔士大学的科学家开发了新型微结构电极的制备方法，并成功制备得到了高灵敏性的柔性压力传感器。为了简化制作过程，通过3D打印技术成功实现了一步法制备金字塔、半球和半圆柱体等多种微结构模板（图1b）。可想而知在压力作用下，这些非均匀截面电极的变形会引起接触面积的大幅变化。通过复制微结构模板，获得了具有微观结构的PDMS薄膜。然后将薄层导电纳米碳纤维（CNFs）喷涂到这些微结构PDMS的薄膜。最后将PDMS导电薄膜与包覆有ITO的PET薄膜组装成新型的压力传感器。对不同微观结构的传感器的电阻变化进行了实验研究和比较，证明了传感器性能在很大程度上取决于不同微结构的形貌特征。与金字塔和半球微结构相比，半圆柱微结构被认为是一种获得最佳灵敏度的传感器性能的新几何结构。
参考文献：Rationa lDesign of Ultrasensitive Pressure Sensors by Tailoring Microscopic Features，Shuhua Peng, Philippe Blanloeuil, Shuying Wu, and Chun H. Wang. Adv. Mater. Interfaces 2018, 1800403
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