最近對能夠感知各種人體運動（如脈搏，呼吸和心率以及運動）的電子皮膚的研究正在引起越來越多的關注。
高靈活性和可拉伸性的電子皮膚對於老年護理，運動性能，軟體機器人和傷口癒合也具有重要意義。這些“類皮膚”壓力傳感器可以將細微的機械信息轉化為電學信號。電容和電阻式傳感器由於其高頻寬度而被研究最多。
在電容式傳感器中，平行板電容器的電容（C）由C = εA/d公式決定，其中ε是介電常數，A和d是兩個電極之間的面積和距離。電容傳感器通常用於通過監測兩個平行電極之間的距離的變化來測量機械力。低彈性模量的介電材料在給定的壓力下產生大的應變，因而可以顯著增加這種類型的壓力靈敏度。使用其介電特性隨應變而變化的介電材料製備的晶體管傳感器具有更高的靈敏度。然而，電容式傳感器本身容易受到電磁相互作用和邊緣效應的影響，這使得它們不適合特定的電子應用。
圖1 多步法和一步法制備反相模板的對比示意圖：a為傳統工藝用於製備反相微結構；b為採用3D打印製備的微結構方案
而壓阻式傳感器設計簡單，製造成本低，讀出機制簡單，儘管環境溫度波動和傳感響應的滯後可能會影響其測量的可重複性。由於材料微觀結構的變化會影響兩個接觸電極之間的接觸電阻，因而傳感器的電阻會隨著變形而變化。構建不同的壓阻納米材料，如碳納米管/納米纖維，石墨烯和銀納米線已被嵌入彈性基質中，形成導電通路，外力作用下回破壞或者重構這些導電桐廬。另外一種構型的壓力傳感器是通過電極或導電界面之間接觸電阻的變形引起的電阻率變化。這種類型的傳感器通常能夠檢測人體運動引起的微小變形，如心跳、脈搏以及身體運動等方面，目前已經成功應用於醫療檢測等領域。然而製造高靈敏特性的壓力傳感器仍然具有挑戰性，這種傳感器結合了高靈敏度和大工作壓力範圍以及快速響應。
圖2。通過複製3D打印的聚合物模板製備的微結構PDMS薄膜表徵圖：a）三維CAD模聚合模板，包括金字塔、半球和半圓柱體。b）導電微結構PDMS薄膜製備示意圖。c)塗覆有微結構的PDMS薄膜的頂視圖。d）對應的側視圖。e）用CNFs塗覆的金字塔的SEM。
最常見的一種用於改善傳感器性能的方案是在接觸彈性體的表面上構建微架構電極的壓阻式傳感器，其靈敏度由接觸電阻變化決定。與非結構化的傳感器相比，微納結構的存在增加了電極之間的接觸界面積。當施加一定的外力時，即可引起電阻的極大變化，從而實現更高的檢測靈敏度。同時，當具有多孔微結構彈性體作為電極時，彈性模量明顯降低，顯著改善了低壓下的檢測靈敏度。最常見的微結構主要是微米級金字塔和半圓球結構的壓力傳感器。
圖3。不同微結構在壓力作用下的有限元分析：一個錐體的單個微結構單元Von Misesstress field，a）金字塔，b)半圓柱體和c)半球；d）傳感器單元的接觸面積作為壓力的函數。E）電流示意圖通過半圓柱體在壓力作用下的微觀結構。
然而，這些高靈敏度壓力傳感器的製造通常需要複雜的微/納米制造工藝。如圖1a所示，為了製備具有微珠光體的反向硅模板，需要多個步驟的光刻工藝，包括旋塗，UV照射，蝕刻和清潔。整個過程耗時長成本高，而且對於低成本的消費類電子產品產品也是不適用。除了通過複雜的微/納米加工工藝加工特定微結構外，也可利用天然物品的微結構作為模板，比如簡單地複製絲基紡織品的微結構製備的大面積的導電彈性壓力傳感器也顯示出超高靈敏度，可以檢測微小力並且具有快速的響應時間。儘管通過將各種微結構集成到壓力傳感器中已經取得了實質性進展，但仍然不清楚幾何特徵對傳感器性能的影響如何。
圖4。不同的微結構的壓力傳感器的製備與表徵。a）PDMS/ITO的壓力傳感器的示意圖。b）半圓柱體壓力傳感器的電阻變化。c）抗性圖不同微結構的壓力傳感器在施加壓力的變化下的阻抗變化圖（從上到下依次為平面式，金字塔；半球形；實半圓柱型
近期，澳大利亞新南威爾士大學的科學家開發了新型微結構電極的製備方法，併成功製備得到了高靈敏性的柔性壓力傳感器。為了簡化製作過程，通過3D打印技術成功實現了一步法制備金字塔、半球和半圓柱體等多種微結構模板（圖1b）。可想而知在壓力作用下，這些非均勻截面電極的變形會引起接觸面積的大幅變化。通過複製微結構模板，獲得了具有微觀結構的PDMS薄膜。然後將薄層導電納米碳纖維（CNFs）噴塗到這些微結構PDMS的薄膜。最後將PDMS導電薄膜與包覆有ITO的PET薄膜組裝成新型的壓力傳感器。對不同微觀結構的傳感器的電阻變化進行了實驗研究和比較，證明了傳感器性能在很大程度上取決於不同微結構的形貌特徵。與金字塔和半球微結構相比，半圓柱微結構被認為是一種獲得最佳靈敏度的傳感器性能的新幾何結構。
參考文獻：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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