鄭 娜，劉國棟

（江西科技師范大學(xué)，江西 南昌330000）

電子傳感器技術(shù)和有機(jī)材料的迅速發(fā)展，引發(fā)柔性電子器件的重大突破，各種新型的柔性電子器件蜂擁而出。目前傳感機(jī)制包括壓阻式感應(yīng)、壓電感應(yīng)、摩擦感應(yīng)、電感應(yīng)和電容感應(yīng)機(jī)制。其中電容傳感器靈敏、低成本、商業(yè)化背景好，本文提出了一種創(chuàng)新型的電容式壓力傳感器。

1 傳感器的介紹

傳感器分為兩大類。第一類是使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料和集成電路技術(shù)，使用不同的微納米結(jié)構(gòu)制造觸覺傳感器。第二類是有機(jī)半導(dǎo)體材料，納米材料，高分子材料，柔性觸摸的壓力傳感器。微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)MEMS，（Micro－Electro－Mechanical System），是集微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理、控制電路、通訊接口和電源等部件為一體的微型器件系統(tǒng)，它的誕生使壓力傳感器朝著微型化、集成化和智能化方向發(fā)展。

2 研究存在的問題

一直以來，中壓下的高靈敏度就是科研人員對柔性壓力傳感器的最主要追求目標(biāo)，因為傳統(tǒng)的柔性壓力傳感器主要應(yīng)用領(lǐng)域為觸覺感應(yīng)。目前還沒有相關(guān)器件的性能指標(biāo)能夠同時兼顧靈敏度、線性度和重復(fù)可靠性、響應(yīng)時間。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為電容傳感器的結(jié)構(gòu)：傳感器為典型的三明治夾層結(jié)構(gòu)，上下兩層為金屬電極，中間為結(jié)構(gòu)化的聚二甲基硅氧烷（Polyethylene，簡稱PDMS）組成的介電層。

其電容C為：

式中，c代表電容值；εr是介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ε0是真空介電常數(shù)；A是電極板的有效面積；d代表兩電極板之間的有效距離。式中含有三個變量ε、d和A，通常情況下固定材質(zhì)的電容器的相對介電常數(shù)ε是定值，而A和d容易受外界力的作用而改變。電容式壓力傳感器的轉(zhuǎn)換機(jī)制是通過相應(yīng)壓力改變電容兩極板間距，以此改變電容值，從而輸出相應(yīng)的電信號。

圖1 電容傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

4 微結(jié)構(gòu)對傳感器的影響因素

為了提高傳感器的靈敏度，在介電層六角密度結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，如圖2所示。小球的半徑為10μm PDMS的小球，小球之間的間距為70μm。當(dāng)有壓力施加在傳感器的表面時，兩個極板距離d會減小，從而引起電容的變化。本文中靈敏度的提高基于兩點：第一，材料采用了PDMS，這種材料楊氏模量低，容易變形，且具有生物兼容性，化學(xué)惰性。第二，離散型六角結(jié)構(gòu)不僅利用了空氣氣氛，保持了電容傳感器線性度的同時也使得結(jié)構(gòu)容易變形。

圖2 介電層結(jié)構(gòu)示意圖

電極采用金屬Au為電極材料，提高了傳感器的柔韌性和延展性?；鍨榫埘啺罚≒olyimide，簡稱PI），PI具有低楊氏模量和高透明度，增強(qiáng)了器件抗機(jī)械拉伸度，保障了器件結(jié)構(gòu)及其電學(xué)性能的穩(wěn)定。

5 總 結(jié)

本文設(shè)計了一種電容式柔性壓力傳感器，該傳感器在低壓狀態(tài)下具有高靈敏度。通過優(yōu)化六角密堆結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)分散六角結(jié)構(gòu)的PDMS介電層的彈性薄膜有低的彈性模量和高可變形性。PI材料透明度和柔性都很好、吸潮率低，適宜選擇作為電極片基底。本文中的傳感器制備成本低，沒有復(fù)雜的工藝。此項傳感器可應(yīng)用于可穿戴式醫(yī)療設(shè)別中來檢測皮膚壓力的微小變化。壓力電容傳感器在信號代碼的形成、重量檢測等方面，也具有一定的實際應(yīng)用意義。