英语原文共 34 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

附录X 译文

柔性电容压力传感器的最新进展：从设计和材料到应用

Rishabh B. Mishra、Nazek El-Atab、Aftab M. Hussain and Muhammad M. Hussain*

R. B. Mishra、N. El-Atab 博士、M. M. Hussain 教授 mmh 实验室 电气工程阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST) Thuwal 23955-6900, 沙特阿拉伯 mmhussain@berkeley.edu

R. B. Mishra，A. M. 侯赛因博士 超大规模集成电路和嵌入式系统技术中心 (CVEST)国际信息技术研究所（IIIT）

Hyderabad, Telangana 500032, India Prof. M. M. Hussain电气工程和计算机科学（EECS）科里大厅 加州大学伯克利分校，CA 94720-1770，美国

几十年来，使用各种无机/有机材料的柔性电容式压力传感器的设计和制造方法的革命显著增强了柔性和可穿戴电子产品的领域，例如航空航天、汽车、海洋环境、机器人、医疗保健和消费/便携式电子产品。数学建模、有限元模拟和独特的制造策略用于制造各种形状的隔膜、外壳和悬臂，它们在正常、触摸或双触摸模式下运行，其操作原理灵感来自基于微机电系统 (MEMS)的电容式压力传感技术。电容式压力传感技术检测由于压敏机械元件的变形/偏转而导致的电容变化，该变形/偏转改变了电容器的分离间隙。由于最先进的制造技术的进步，电容式压力传感器的性能和特性得到了增强。在这篇综述论文中，报告了柔性电容压力传感技术在设计、材料和制造策略方面的最新进展。纸基低成本MEMS/柔性器件的力学和制造步骤也被广泛报道。最后，讨论了柔性电容压力传感器的应用、挑战和未来展望。

1.介绍

1.1.介绍压力作为参数

压力是最可测量的量和过程参数之一，是在一个区域上施加的法向力的比率，其测量单位来自三个基本单位长度、质量和时间^[1,2]。存在几种压力单位，包括：磅每平方英寸(psi)、磅每平方英尺(psf)、毫米汞柱、大气压(atm)、托毫巴和帕斯卡(Pa, aka N m-2)。后者是最方便和广泛使用的。

当流体在任何管段中流动时，压力分类如下^[3]：

bull; 静压是由于管道底部的静止流体（不流动）造成的（图 1a 中 X 点处的压力）。

bull; 动态压力是由于流动的流体冲击任何物体或表面的流体流动（图 1a 中 Y点处的压力）。

bull; 停滞或冲击压力是由于静态和动态流体流动产生的总压力（图 1a 中的 Y-X 所示），其中停滞压力（即静态压力）最大的点称为停滞点。

代替管段中流体流动的压力测量，有三种不同类型的压力，它们是相对于真空（空无空气空间中的理想零压力）或正常大气压（地球表面的压力）测量的可以分为以下三种不同的类型：

bull; 绝对压力 (PO) 是相对于真空测量的 [图 1b]。

bull; 表压 (Pgauge) 是相对于大气压测量的 [图 1b]。

bull; 压差 (Patm) 是相对于另一个压力测量的，在技术上是两个压力值的差值 [图 1a，c]。如果参考点/空间处的压力高于测量点/空间处的压力，则所产生的压力称为负压。

图1.用于定义不同类型压力的示意图。a)管道显示静态(X)、动态(Y)和冲击(Y-X)压力。b)显示绝对压力(PO)、大气压(Patm)和差压(PJ压力)的水平，c)如果两个不同的压力垂直施加在任何障碍物上时的差压。

1.2.压力传感器：从传统的MEMS到物理上的柔性

几种常规测量仪器已用于测量10-7Pa到数百MPa范围内的绝压、表压和差压。McLeod、Knudsen、电离、皮拉尼（电阻温度计）、热电偶和粘度计是用于测量的常规仪器。

真空压力，即低于大气压的压力。对于高于大气压的高压测量，传统设备（如波纹管、波登管、胶囊、隔膜和应变计）用于绝压、表压和差压测量，可以达到MPa压力范围^[1,2,4]。压力计（U型管、倾斜和壁式）和气压计是用于静水压差或液位测量的常规设备。所有这些传统设备仍可用于工业应用，并根据其适用性进行选择，例如压力测量范围、精度、响应时间、滞后、稳定性、过载、电信号调节电路或压力读数要求。集成电路(IC)行业的进步彻底改变了MEMS研究，特别是在表面和体微加工工艺发展之后^[5]。MEMS是CMOS行业中的多学科和最受欢迎的研究领域之一，由可机械移动的微型组件组成，例如悬臂、桥、隔膜、阀门、齿轮、通道和泵，以响应不同的物理、化学或生物刺激^[6-11]。压力微传感是微传感器领域最流行的器件，占微器件市场的很大比例^[5,12]。压力微传感器相对于传统压力量设备的优势是：^[5,9,12,13]

bull;反应快

bull;高性能

bull;体积/重量小

bull;低功耗

bull;大批量制造

bull;温漂小

bull;高温膨胀公差

由于这些显着的优势，MEMS传感器市场非常庞大，尽管存在一些挑战，包括使MEMS器件变得灵活。然而，朝着这个目的已经取得了重大进展，将基板转化为柔性版本并使用有机和纳米材料，而不是传统的无机半导体材料，被发现是最有前途的技术^[14-17]新兴电子产品的趋势（即柔性、可拉伸、印刷和增材制造）由于对低成本、大面积、一次性、易于部署和类似皮肤的电子系统的高需求，在任何阶段都不会影响性能水平^[18-20]。

在这篇综述文章中，我们就柔性电容压力传感器的工作机制、机械敏感元件的类型、用于导电电极之间的分离间隙的材料以及在机器人、可穿戴/医疗保健等不同技术领域的应用进行了全面的报告。航空航天、汽车、生物医学、便携式和消费电子产品，同时考虑品质因数。

1.3.压力传感品质因数

1.3.1静态特性

需要几个参数来定义电容式压力传感器的性能，这些参数在理解设备的物理特性方面发挥着重要作用。这些参数包括^[1,2]：

a)准确性：传感器的理想值(Qdeal)与测量值(Cmeasured)之间的差异称为精度。这通常用百分比误差来定义：

100 (1)

b)精确：如果多次应用相同的输入，传感器的响应应该是可重现的。因此，精度描述了传感器的再现性以及输出与真实值的接近程度。

c)解决：产生可检测到的输出(AC)变化的最小输入增量变化称为分辨率。这通常以测量范围来定义，即最大和最小输入值之间的差异。如果输入的变化(APmin)可以产生最小可检测到的输出变化，则最大分辨率由下式给出：

100 (2)

d)灵敏度：增量输出与增量输入的比率称为灵敏度。

(3)

在 MEMS 中，机械敏感元件中的放气与施加压力的比率称为机械敏感性，而电容变化与施加压力范围的比率称为电/电容敏感性。

e)非线性：与通过实验（或模拟）确定的输出曲线的定义校准曲线（即最小二乘拟合或终点直线曲线）的偏差称为非线性。这表示为百分比 (%)，对于理想传感器为零。

100 (4)

f)滞后：当从增加然后减少压力接近该点时，传感器在任何给定测量点的输出的最大差异称为滞后。在电容与压力的关系图中，加载和卸载曲线定义了此属性。此外，加载和卸载曲线下面积之间的最大差异值是滞后。

g)选择性：如果传感器响应不受环境或其他参数产生的有害信号/噪声的影响，则传感器称为选择性传感器。

1.3.2.动态特性

传感器分为三类：一阶低通、二阶低通和带通。偏微分方程将被测量（输入）与传感器输出联系起来，传感器输出在时域和频域中针对不同类型的系统进行分析。需要时域和频域分析来定义稳定性、瞬态响应、稳态响应、超前滞后响应、阻尼、响应时间、上升/下降时间、可观察性和可控性。在二阶低通类别中，系统根据阻尼因子和极点和零点的位置定义为欠阻尼、过阻尼或临界阻尼^[1,2]。

1.4.灵活的电容式压力传感器

与其他柔性设备相比，柔性压力传感器是传感器市场中最有用的设备之一。与任意曲线表面的物理兼容性是柔性压力传感器的一个重要优势，并且已针对各种应用进行了大规模探索。压力测量可以通过根据应用和转换原理设计设备来实现。在不同的转换原理中，即压阻式、电容式和压电式，电容式转换技术是最常用和探索的方法，因为它具有以下优点：

bull;制作面积大

bull;高压力灵敏度

bull;对温度漂移反应较小

1.4.1电容传感的一般原理

电容传感结构由两个导电的平行电极组成，它们被介质隔开。其中一个平行电极固定在任何曲线或非曲线表面，而第二个电极是机械敏感的。如果介质的重叠面积、分离间隙和介电常数分别为A、d和ε,则结构的基本电容为：

（6）

请注意，数学方程式(6)不包括边缘场效应。

从等式(6)可以确认，基本电容变化可以通过改变用于压力传感的三个变量中的一个或全部来实现，即ε、A和d。改变分离间隙是电容式压力传感最常用的技术，其中分离间隙由于施加在机械敏感膜片上的压力而变化。使用重叠面积(A)和介质介电常数的变化来测量/感应流量、介电常数和位移等参数(ε)^[21-23]。

图2.通用电容传感方法的机电模型示意图。

1.4.2电容传感的机电模型

平行板电容式压力传感器的机电（平移或动态组合）模型[图2]。该模型由弹簧常数为k的线性弹簧和阻尼系数为B的阻尼器组成。顶部电极的质量、重叠面积、初始分离间隙和施加电压分别为m、A、d和Vs。当在顶部电极上施加压力时，弹簧伸长，导致顶部电极向传感器的底部电极移动。通过分别选择合适的弹簧和阻尼器的弹簧常数（k）和阻尼常数（B）值，求解偏微分方程可得到吸合电压（V）的近似值^[24,25]：

B kw2= (7)

其中，m和w是移动电极的质量，移动电极的挠度。

在执行正常模式操作时，最大隔膜偏转保持小于板之间分离间隙的三分之一。不同的研究人员已经尝试了不同的分析、有限元模拟和集总模型方法，用于电容式压力微传感器的悬臂、方形、圆形和其他形状的隔膜^[24,25]。

2.用于柔性电容压力传感器的电极

高性能压力传感器只需要带有导电电极的机械敏感隔膜。在制造传统的刚性压力传感器时，通常使用金、银、铜或铝等金属材料作为电极材料。由于柔性设备的不同制造方法的技术进步和可靠性增强，例如，印刷、增材制造、热涂层、各种低成本材料制成的电极都可以轻松制造。柔性/可拉伸电极必须是贴合的、可靠的、在潮湿环境中无腐蚀、不可溶、贴合、具有大面积均匀性以及优异的电气、机械和光学性能，随着材料科学和技术的进步，这一点变得越来越容易实现。电容式压力传感器的电极材料选择取决于设备的应用，例如植入^[26]、人机界面^[27,28]、机器人^[29]、可穿戴设备^[30,31]、或电子皮肤^[32]。在设计柔性电极时，不同的下一代材料，如聚合物和纳米材料（通常是一维和二维），是继氧化铟锡(ITO)、薄金属电极和聚合物薄膜之后最广泛使用的材料。ITO本质上是机械刚性的，经过多次传感、弯曲和折叠操作后会失去其机械性能^[31,33,34],纳米材料，如石墨烯^[34-36]、纳米管^[32,35]、纳米线^[37,38]仍在探索设计用于电容式压力传感器的高灵敏度柔性电极，然而，它们的表面均匀性和导电性等基本物理特性有限，缺乏薄膜金属和聚合物电极的物理特性^[39-43]。因此，这些纳米材料当用作电极时，通常夹在两个薄膜之间^[32,34-38]。BU Hwang等人提出了一种基于复合电极的柔性电容压力传感器，其中顶部电极基于PEDOT:PSS/EMIM-TCB（聚-（3,4-乙烯-二氧-噻吩）：聚-（苯乙烯-磺酸盐）/1-乙基）-3-甲基-咪唑鎓四氰基硼酸盐），它本质上是压阻的，而GIG[Au-ITO-AU]被选为底部电极^[40]。使用金属涂层聚合物作为传感电极，分析了纵横比对悬臂电容式压力传感器的影响^[39]。S.M.汗等人分析了相同材料的不同隔膜形状，用于声学和气压传感^[41]和哮喘监测^[42]应用。顶部和底部电极基于石墨烯，而微结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜在柔性电容压力传感器中充当电介质^[34]。最初，石墨烯在铜(Cu)薄膜上生长，然后转移到PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）片材上。银纳米线(AgNW)材料已被证明可作为与PEDOT:PSS[聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐]组成的电极在柔性电容压力传感器中使用，其中AgNW和PEDOT:PSS被棒涂在图案化后的PDMS。D.J.Lipomi等人提出了一种使用碳纳米管(CNT)制造

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[590944]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word