电容式柔性压力传感器的性能优化原理及研究进展

田玉玉，何韧，吴菊英，钟卫洲，张凯 （中国工程物理研究院总体工程研究所）

摘要：作为可穿戴电子器件的重要分支，柔性压力传感器在人机交互、健康监测等方面具有广阔的应用前景。随着新型材料与新的器件制备策略的不断开发，柔性压力传感器的力学与电学性能不断被优化以适应不同的应用需求。相较于其他传感器，电容式柔性压力传感器具有灵敏度高、功耗低、响应快的优势。电容式柔性压力传感器的性能优化主要通过改变器件的结构参数来实现，如电极有效正对面积、电极间距、有效介电常数等。主要方法策略包括新型纳米材料的应用、新型微结构设计和新型复合材料的开发。主要优化原理有四种：（1） 通过改变电极表面粗糙度来改变电极有效正对面积；（2）在电极或介电层中引入空气层以降低弹性模量；（3）在介电层中引入空气或高介电常数材料来改变有效介电常数；（4）通过复合材料在介电层中形成微电容以改变总体电容变化。在电容式柔性压力传感器的性能优化研究中存在一个共性问题，即高灵敏度与宽检测范围之间总是存在一种制约关系。在一定压力范围内，尤其是低压范围，灵敏度提升往往会使器件较易达到压缩饱和而使检测范围有限，即线性度较差。近年来，研究者们着眼于高灵敏度与宽检测范围之间的制约问题，对介电层的梯度结构设计及混合响应机制进行探索，取得了丰硕的成果，在保证高灵敏度的前提下大幅提升了器件的检测范围。然而，迟滞、稳定性及阵列优化仍是电容式柔性压力传感器面向实际应用时存在的问题。本文系统归纳了电容式柔性压力传感器的性能优化原理，分别对电极和介电层的结构设计与材料优化方法进行了介绍，分析了电容式柔性压力传感器在性能优化研究中面临的难题，并进行了展望，以期为设计和制备满足应用需求条件的高性能柔性压力传感器提供参考。

关键词：柔性压力传感器；电容式；微结构设计；复合材料；多级结构；混合响应