电容式压力传感器在许多领域都展现出了巨大的应用潜力。传统依赖电介质层厚度改变反映压力信号的方式虽然具有结构简单、能耗低、易读取和稳定性高的优势，但弹性介电层往往存在不可压缩厚度。不仅如此，许多针对介电层的织构化手段借助高聚物倒模等手段进行，都导致了压力传感器的纵向和横向尺寸较大，不利于实现微观尺度下的压力识别和传感器集成，也因此限制了压力传感器在复杂环境下的应用前景。
日前，西安交通大学的杨雷副教授课题组报道了一种平面电容式的压力传感器，提出了电阻与电容的耦合关系。一方面，该传感器结构简单且不含弹性介电层，能够实现最小10 μm×5μm大小的微观压力传感器制备和最高3.75×105kPa-1的灵敏度，可以识别AFM探针接触模式下0.012 μN的超小压力，并辅助样品表面的形貌分析，满足多尺度压力感知的需求；另一方面，实验结果证明电容的形成并不拘泥于平板叠加的结构，因为任何一种对直流绝缘的结构在外加电压下都可能具有电荷存储的能力，也就是具有内禀的电容值。当这个电容值在外界压力刺激条件下可以发生改变，也就是对外界接触压力敏感时，便可以认为形成了一种将压力信号转化为电容信号的装置。利用这个原理甚至可以用极低的制作成本就可以DIY实现对于压力的灵敏感知和相关应用。这种新型的压力传感器有望应用于电子皮肤触觉识别，也为工业装备关键零部件微观接触压力的测量提供新方法。相关工作以“Multi-sized Planar Capacitive Pressure Sensor with Ultra-high Sensitivity”发表在国际期刊Nano Energy (中科院一区，影响因子16.602)，第一作者为陈思成博士。
图文导读
首先研究者分析了电极-空气间隙-电极结构为什么能够实现输出电容值和压力一一对应的关系，并提出了接触电阻与电容的耦合关系。
图1. 器件整体设计思路、仿真分析和数值计算分析。(a) 平面电容式传感器的电极-空气间隙-电极结构示意图。(b) 仿真分析压力作用下电荷交换通道的建立。(c) 通过数值计算得到电容值与电阻变化的耦合关系。
然后利用聚焦离子束（FIB）工作平台在二氧化硅基体上制备了微观尺度下的平面电容式压力传感器并对传感特性进行了表征，验证了该机理的可行性。空气间隙的形状并不拘泥于这里的“MM”型，主要能用于存储电场能量，形成电荷交换通道就是合格的空气间隙。
图2. 微观尺度的平面电容式压力传感器。(a) 利用FIB实现微米尺度的传感器加工。(b) 微米尺度下的加载灵敏度。(c) 响应时间曲线。(d) 稳定性测试曲线。
研究者们进一步设计了微观尺度下的传感器阵列，实现了对于微米分辨率的压力分布识别和最小0.02 Pa的压力感知。还进一步开发了对AFM接触模式下探针接触的位置识别和辅助形貌分析。
图3. 微观尺度的平面电容式压力传感器应用。(a) 微观传感器阵列的设计。(b) 二维压力分布图。(c) 微观传感器阵列的加载。(d) 二维压力分布图。(e) AFM扫描样品表面获得的形貌图。(f) 扫描直线时的电容变化曲线。(g) 根据电容变化曲线反推的样品表面形貌图。
这种传感机理不仅适用于微观尺度，也适用于宏观尺度。只需要在柔性基体上制备一对电极就可以实现高灵敏的压力识别和可调节的灵敏度设计，根据需求可以使用封装和未封装的两种器件进行压力感知，满足不同的应用场合。
图4. 宏观尺度的平面电容式压力传感器。(a) 传感器实物图及可弯曲可裁剪的特点。(b) 手指直接按压获得的压力响应曲线及响应时间。(c) 弯曲传感器前后的稳定性测试。(d) 封装传感器后实现的可调节灵敏度。
这种宏观尺度的压力传感器可以用于手指接触点识别、呼吸检测、液滴监测和单一像素点内的接触位置识别等。
图5. 宏观尺度的平面电容式压力传感器应用。(a) 手指接触点变化造成的电容变化。(b) 集成在口罩上用于检测呼吸。(c) 去离子水液滴滴落在传感器表面的响应输出。(d) 含氯化钠液滴滴落获得输出电容值与氯化钠浓度关系。(e) 通过设计疏密渐变的空气间隙实现单一传感器对于压力位置的识别。
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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