用于柔性压力传感器的基于肖特基效应的高单位面积电容界面研究

电容式柔性压力传感器具有结构简单、低功耗等优势，但是较低的电容信号量（通常为pF水平）使其非常容易受到外部干扰的影响。从物理角度讲，可以通过不断减薄介电层的厚度来提高电容信号的绝对值。但是当介电薄膜减薄至纳米尺度，其机械性能会变差，同时，量子隧穿效应变得逐渐显著，导致器件短路。因此目前电容型柔性压力传感器的介电层厚度被限制在微米尺度，对应的单位面积电容率（unit-area capacitance, UAC）被限制在pF/cm?水平。

为了解决纳米厚度介电层机械易损和量子隧穿的问题，复旦大学李卓团队提出了一种基于炭黑/硅橡胶复合材料(CB/SR)和铝箔的高UAC界面。铝表面的天然氧化层被用作纳米尺度的超薄介电层，而CB/SR复合材料和铝分别作为上下电极。该研究利用具有半导体特性的CB与铝之间的肖特基效应有效抑制了Al2O3界面的隧穿电流，从而在超薄的天然Al2O3界面获得了高达50 nF/cm?的UAC值。

基于这种高UAC界面，复旦大学团队进一步提出了一种中空半球形貌的柔性电极微结构化方案，制备的柔性压力传感器灵敏度和线性区间分别达到 8.6 kPa??和 50 kPa。得益于天然Al2O3层出色的环境稳定性和自修复特性，基于这种设计的柔性压力传感器在不同的环境、机械工况下都表现出了卓越的稳定性。该研究以题为“Schottky Effect-enabled High Unit-Area Capacitive Interface for Flexible Pressure Sensors”的论文发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。

铝表面存在纳米厚度的可自修复的天然氧化层，对于电容界面这意味高的UAC和良好的机械稳定性。但是生活中，铝是最广泛采用的导线材料之一，因为电子可以以隧穿的方式穿过其表面氧化层并在不同的导线之间流通。因此使用这些天然氧化层作为介电层的关键在于抑制隧穿的发生。利用具有半导体特性的CB与铝接触，和金属与铝接触，或者金属/高分子复合材料与铝接触不同，因为半导体-金属间的肖特基效应会在CB内部形成势垒, 这种势垒可抑制Al2O3两侧的电子隧穿。在这种设计下，电容界面UAC被提高到50 nF/cm?。

（a）CB颗粒的TEM;（b）CB/SR的切片TEM；（c）&（d）CB和Al电极的接触状态及势垒结构；（e）CB/SR-Al2O3-Al界面的电流-电压曲线；（f）CB/SR-Al2O3-Al界面电荷存储单元模型；（g）CB/SR-Al2O3-Al界面UAC与CB添加量的关系。

在这种高UAC界面的基础上，作者通过向CB/SR复合材料中加入中空微球粉末作为第二种填料，在复合材料和铝箔界面构筑了中空半球凸起的微结构。传统的实心微结构虽然提高了器件的初始灵敏度，但在压缩过程中，其模量会随着压缩量的增加迅速提高，引起器件灵敏度的快速下降，这限制了器件的线性区间。这种中空微结构的设计避免了实心结构中模量的突变，实现了电容传感器受压时接触面积和应力的同步增长，从而实现了50 kPa范围内的高灵敏度、高线性度传感。

（a）中空半球结构的变形过程示意图；（b）中空半球微结构接触面积-形变量及压力-形变量关系曲线；（c）中空半球微结构接触面积与压力间的线性关系；（d）中空微球添加量对传感器灵敏度的影响；（e）不同中空微球含量HMS/CB/SR复合电极的SEM；（f）传感器灵敏度、线性区间指标与相关工作的对比。

得益于稳定的材料特性，传感器在遭受压缩/释放循环、电极间的摩擦、氧化层损伤、电极划伤等不同的机械冲击，以及温湿度变化、水浸渍等环境冲击时都表现出了极佳的稳定性。

基于这些优势，作者提供了这种柔性压力传感器在人体假肢及手表佩戴舒适性反馈中的示范性应用。这种柔性压力传感器可以准确的监测志愿者残肢与假肢之间不同区域的接触压力及行走过程中产生的压力脉冲。集成于手表带上的传感器可以准确的监测手表佩戴的松紧程度及腕部的脉搏信号。

（a）集成于弯曲表面的柔性压力传感器；（b）传感器压力分辨效果与商业化传感器的对比；（c）人体残肢-假肢接触压力采集系统示意图；（d）不同运动状态下的人体残肢与假肢的接触压力；（e）坐姿和站姿状态下人体残肢与假肢间的接触压力分布热力图；（f）&（g）&（h）柔性压力传感器用于手表佩戴松紧程度测量及脉搏信号采集。

总结：作者提出了一种基于肖特基效应的电容界面组装方法，显著提高柔性压力传感器中电容界面的UAC值。并在此基础上提出了一种柔性电极表面的中空半球微结构化方案，实现了高灵敏度、宽线性区间柔性压力传感器的制备。这种高UAC界面的组装方法及柔性电极的中空微结构化方案为开发抗干扰的高性能电容式柔性压力传感器提供了新的思路。

原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202401415

审核编辑：刘清