目前，已經(jīng)報(bào)道了多種高度敏感的傳感器系統(tǒng)，這些傳感器基于功能納米材料或混合微/納米結(jié)構(gòu)，將外界刺激轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。按照其傳導(dǎo)機(jī)制，可分為壓阻、壓電和電容式壓力傳感器。其中，壓阻式測量電阻率變化被認(rèn)為是最常見的一種，因?yàn)檫@種通過將力的變化轉(zhuǎn)化為電阻率的變化來進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和讀出機(jī)制的方式比較簡單。
壓力傳感器，也被稱為觸覺/應(yīng)變傳感器，近年來引起了許多研究的關(guān)注，尤其是基于皮膚的柔性電子器件。它具有靈活性、耐久性、生物相容性等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，以及重量輕、應(yīng)變靈活，使得壓力傳感器能夠緊緊附著在人體皮膚上，實(shí)時(shí)監(jiān)測心率、呼吸節(jié)律等生理健康狀況。
過去十年，對(duì)可穿戴應(yīng)變器件的靈敏度、測量因子、線性度、滯后、響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間以及超調(diào)行為等參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。盡管如此，若想進(jìn)一步提高柔性壓力傳感器的性能，其他設(shè)備的性能也應(yīng)該考慮進(jìn)去。如由于機(jī)械變形引起的傳感性能的變化，使得動(dòng)態(tài)變形下的壓力難以準(zhǔn)確測量。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，有研究者開發(fā)了一種基于復(fù)合納米纖維的可彎曲、超柔性的電阻式壓力傳感器。如圖a所示，傳感器的彎曲半徑即使下降到80μm，由于襯底薄(厚度<2μm)以及材料本身的糾纏態(tài)納米結(jié)構(gòu)，使得傳感器性能保持不變。這使得可精確測量三維表面上的法向壓力分布，并且在注射針上纏繞器件前后性能變化很小(圖b-d)。
大多數(shù)皮膚感受器在去除外力后無法保留觸覺信息。為了提高基于電子皮膚系統(tǒng)的通用性，可穿戴壓力傳感器的內(nèi)存特性便不可忽視。與神經(jīng)元間的突觸類似，柔性記憶傳感器可用于模擬大腦的記憶功能，存儲(chǔ)模擬值。
如通過將壓力傳感器的底部電極替換為記憶器件的頂部電極陣列，實(shí)現(xiàn)柔性觸覺記憶器件，所施加的應(yīng)變可以保持一周以上，幾乎沒有衰減。而基于有機(jī)壓敏元件的有機(jī)非揮發(fā)性電阻存儲(chǔ)器，保留時(shí)間更長，至少6個(gè)月。然而，柔性壓力傳感器記憶體的商業(yè)化仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。圖e是一種基于柔性電阻變化非易失性浮動(dòng)門隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FGRAM)陣列的柔性電子壁紙觸覺觸摸存儲(chǔ)器陣列。
由于InGaZnO薄膜晶體管具有在大尺度基片上實(shí)現(xiàn)集成電路的良好性能，因此被用作柔性壓力傳感器陣列的FGRAMs。例如，這種電子壁紙的價(jià)值在于它能夠像留言板一樣記住觸摸信息(圖f，g)。如果沒有觸摸，程序電壓與FGRAM的柵極斷開。在傳感器上施加觸覺觸摸后，程序電壓以閾值電壓的正偏移提供給FGRAM。結(jié)果表明，用三支筆在器件上施加壓力兩小時(shí)后，仍能保持信息，觸發(fā)-15v擦除電壓即可刷新信息。而且通過集成溫度傳感器，可以對(duì)室溫進(jìn)行記憶和控制。
到目前為止，大多數(shù)以皮膚為靈感的可穿戴式應(yīng)變傳感器都是用來監(jiān)測心跳或呼吸速率的，而心跳或呼吸速率與疾病密切相關(guān)。穿戴式應(yīng)變傳感器的另一種同樣重要的應(yīng)用是其監(jiān)測物理運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)的能力。盡管各種可穿戴傳感器在監(jiān)測健康狀況方面取得了巨大進(jìn)展，但僅檢測健康信息無法進(jìn)行充分的分析來精準(zhǔn)預(yù)測或診斷疾病。事實(shí)上，記錄的健康狀況，如皮膚溫度或心電圖(ECG)，與受試者的身體活動(dòng)密切相關(guān)。因此，同時(shí)檢測人類活動(dòng)/運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要。
運(yùn)動(dòng)傳感器依賴于附著在手指或膝關(guān)節(jié)上的柔性應(yīng)變傳感器來監(jiān)測它們的運(yùn)動(dòng)。然而，肢體運(yùn)動(dòng)并不總是與整體的體育活動(dòng)相關(guān)，因此結(jié)合所記錄的健康數(shù)據(jù)，可能導(dǎo)致診斷不準(zhǔn)確。受剪紙藝術(shù)的啟發(fā)，有人設(shè)計(jì)了由四根梁和三個(gè)應(yīng)變傳感器組成的三軸加速度傳感器，來響應(yīng)結(jié)構(gòu)應(yīng)變的變化(圖h，j)。剪紙結(jié)構(gòu)的引入，避免了拉伸引起的機(jī)電故障，同時(shí)提高了佩戴者的舒適度。
研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)傳感器的閾值加速度約為5-12 m s−2，由加速度方向決定。通過對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的合理調(diào)整，在光束長度(L)為10.7 mm，寬度(W)為0.35 mm時(shí)，可獲得一個(gè)小于3 m s−2的足夠低的加速度閾值，使其有可能檢測到人類的輕活動(dòng)(圖k，l)。為了使加速度傳感器能夠適應(yīng)更廣泛的人群，需要進(jìn)一步的設(shè)備開發(fā)，通過將這種運(yùn)動(dòng)/加速度傳感器集成到功能更加靈活的設(shè)備中，可以同時(shí)監(jiān)測身體活動(dòng)、皮膚溫度、心電圖、紫外線照射等。
南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的韓民教授和王廣厚院士團(tuán)隊(duì)在發(fā)展高分辨率、高靈敏度的壓力傳感技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“An ultrahigh resolution pressure sensor based on percolative metal nanoparticle arrays”為題，發(fā)表在2019年9月6日的《自然·通訊》雜志上（Nature Communication 2019，19，4024）。該論文的通訊單位為南京大學(xué)，第一作者為博士研究生陳敏瑞，通訊作者為南京大學(xué)韓民教授，得到了王廣厚院士的指導(dǎo)和支持。
精密的氣體壓力傳感器是微機(jī)-電系統(tǒng)中最基本的傳感器件之一，在航空航天、自動(dòng)駕駛、環(huán)境檢測以及商用電子產(chǎn)品等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用需求。目前，主流的商用壓力傳感器是硅基傳感器，其原理是利用摻雜硅的壓阻或壓容特性來感知外界氣壓的變化。然而，由于硅基材料彈性模量非常高，所制造的壓力傳感器在大氣壓附近的分辨率往往只有~100 Pa。這樣的分辨率很難滿足精確氣象測量與三維精準(zhǔn)定位等應(yīng)用的需求。因此，該課題組一方面利用彈性模量更低的高分子有機(jī)薄膜代替硅片，另一方面通過原子團(tuán)簇束流沉積在柔性薄膜表面上可控制備具有量子滲流效應(yīng)和庫侖阻塞效應(yīng)的團(tuán)簇點(diǎn)陣，將壓力引起的柔性薄膜的表面應(yīng)變轉(zhuǎn)化成團(tuán)簇點(diǎn)陣的量子隧穿電導(dǎo)變化。
與傳統(tǒng)的硅基材料相比，該傳感器有如下特點(diǎn)：
（1）在同等壓力作用下，選用彈性模量更低的柔性高分子薄膜作為壓力感知器件，其表面產(chǎn)生的應(yīng)變量將遠(yuǎn)高于硅片產(chǎn)生的應(yīng)變量；
（2）在附著于薄膜表面的密集的納米團(tuán)簇點(diǎn)陣中，電子輸運(yùn)主要是以單電子隧穿跳躍方式，使得團(tuán)簇點(diǎn)陣的隧穿電導(dǎo)G與團(tuán)簇平均面間距d之間呈指數(shù)式的變化關(guān)系，，其中β為電子耦合項(xiàng)，與尺寸和溫度相關(guān)。因此，即便是微小的壓力誘導(dǎo)出柔性襯底表面的微小形變，造成團(tuán)簇的間距的極微小變化，就能足以使團(tuán)簇間單電子隧穿結(jié)的導(dǎo)電狀態(tài)發(fā)生快速切換，加上團(tuán)簇密集點(diǎn)陣中間滲流路徑數(shù)目大，使其對(duì)點(diǎn)陣導(dǎo)電能力升高或降低的影響高度敏感。
（3）不僅如此，團(tuán)簇點(diǎn)陣中存在的庫侖阻塞效應(yīng)又能進(jìn)一步降低熱漲落所造成的電流熱噪聲幅度，從而進(jìn)一步減小了可測量的團(tuán)簇點(diǎn)陣的最小電導(dǎo)變化量。這些因素大幅度提高了壓力傳感器的分辨率與靈敏度。
圖1(a)基于原子團(tuán)簇束流沉積制備的團(tuán)簇點(diǎn)陣壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；(b)壓力傳感器工作原理：壓力的作用改變了團(tuán)簇滲流通道（紅色連線）的數(shù)目；(c)團(tuán)簇點(diǎn)陣電導(dǎo)隨壓力變化曲線；(d)響應(yīng)0.5 Pa壓力變化時(shí)團(tuán)簇點(diǎn)陣的電導(dǎo)變化。
課題組采用掩模鍍膜法，在0.05 mm厚的PET材料上印刷微型叉指電極。利用原子團(tuán)簇束流沉積系統(tǒng)，在叉指電極之間可控制備金屬團(tuán)簇密集點(diǎn)陣。最后，將PET膜片密封于一個(gè)參考空腔上，從而完成壓力傳感器的制備。當(dāng)壓力傳感器被置于不同的環(huán)境氣壓下，外界氣壓與參考空腔內(nèi)部壓力在PET膜片上形成一個(gè)新的力學(xué)平衡，PET膜片產(chǎn)生的應(yīng)變將改變團(tuán)簇點(diǎn)陣隧穿電導(dǎo)并被電學(xué)測量回路測得。該壓力傳感器的靈敏度達(dá)到0.13 kPa-1，在大氣壓環(huán)境中可以分辨小至0.5 Pa的氣壓變化（圖1）（比目前通用硅基傳感器分辨率提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，也遠(yuǎn)超其它材料所構(gòu)成的壓力傳感器）。
作為實(shí)際驗(yàn)證，課題組進(jìn)一步將壓力傳感器應(yīng)用于不同海拔高度的氣壓變化的測量，在一棟14層的樓房電梯中，實(shí)時(shí)記錄傳感器隨不同樓層變化的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，傳感器能夠分辨1 m的海拔高度差引起的氣壓變化。作為氣壓高度計(jì)，該傳感器能夠達(dá)到0.00027 m-1的靈敏度（圖2）。這種超高分辨的氣壓高度計(jì)在航空航天、三維全球定位系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用前景。
圖2(a)電梯載著傳感器在不同樓層時(shí)傳感器的電導(dǎo)變化；(b)對(duì)(a)中數(shù)據(jù)匯總，每層樓（按每層樓高3.5米計(jì)算）的海拔被轉(zhuǎn)換成相對(duì)于14樓的高度差。（來源：南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
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