陳 瞳,王瑞榮,李曉紅

(1.太原工業(yè)學院電子工程系,太原 030008;2.太原工業(yè)學院網(wǎng)絡(luò)信息中心,太原 030008)

對未來以人為本的電子技術(shù)的需求,柔性壓力傳感器在可穿戴設(shè)備、患者康復和生物醫(yī)學假肢領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注,柔性壓力傳感器可嵌入衣物內(nèi)部、包裹在皮膚表面、實時監(jiān)測人體運動和健康狀態(tài)。為了滿足這些領(lǐng)域的應(yīng)用,柔性壓力傳感器需要具備高的靈敏度、大的工作范圍、和低成本等特征。

提高傳感器靈敏度的方法有很多種,如采用微納材料[1-2]、彈性體聚合物及其復合材料[3-4]和微納結(jié)構(gòu)[5-6](金字塔[7]、海綿[8]、半球陣列[9])等。三明治結(jié)構(gòu)的電容式壓力傳感器[10-12]由于其成本低、制作簡單等優(yōu)點引起了廣泛的研究,聚二甲基硅氧烷[13-14](PDMS)彈性體有著優(yōu)良的彈性性能和生物醫(yī)學符合人體組織等優(yōu)點,是一種很有前景的材料。當有外部壓力加載時,電容式傳感器的彈性介質(zhì)層容易變形(例如介質(zhì)層厚度)引起電容的變化來測量施加力的值。因此,這種基于彈性體介電層的傳感性能是由其機械性能決定的。目前,基于PDMS介電層的工藝大多都是基于光刻倒膜的方式制備的[15-16]。雖然文獻中的這些傳感器都有高的靈敏度,但是他們的制備工藝都比較復雜,成本較高,不利于大規(guī)模的生產(chǎn)。

因此,雖然先前報道的壓力傳感器滿足靈敏度的要求,但是低成本、低制造和大的壓力檢測范圍也同樣的重要。本文利用碳酸氫銨(一種食品添加劑)填充在PDMS中實現(xiàn)了大面積高密度具有微觀結(jié)構(gòu)的PDMS海綿的制備。制備的傳感器擁有大的壓力檢測范圍、快速的響應(yīng)時間、高的靈敏度和良好的耐用性。

1 PDMS海綿介質(zhì)層的制備

圖1 PDMS海綿的制備過程

圖2 柔性壓力傳感器的制備流程圖

2 柔性壓力傳感器的制備

柔性壓力傳感器的制備流程如圖2所示,柔性壓力傳感器的基底材料為帶有Cu電極的聚酰亞胺(PI),將兩個帶銅電極的PI、PDMS海綿和PDMS框架以三明治的形式進行封裝,柔性壓力傳感器制備完成。最后將銅導線連接在電極的兩端來進行信號的檢測。相對于成本較高、工藝復雜的光刻MEMS工藝來說,該制備工藝成本較低、工藝簡單。

3 柔性壓力傳感器的測試

柔性壓力傳感器的測試裝置如圖3所示,包括數(shù)顯壓力機和阻抗分析儀(E4990A)。將制備好的電容式壓力傳感器放置在數(shù)顯壓力機的載物臺上,將壓力傳感器兩端的銅導線連接到阻抗分析儀上,通過數(shù)顯壓力機進行壓力的加載,阻抗分析儀實時檢測受壓下輸出電容的變化。

圖3 柔性壓力傳感器的測試裝置

傳感器的靈敏度公式為S=[(C-C0)/C0]/ΔP,其中ΔP代表施加的壓力,C0為初始電容,C為受壓后的電容。不同碳酸氫銨濃度的介質(zhì)層靈敏度曲線如圖4(a)所示,利用PDMS海綿作柔性壓力傳感器的介質(zhì)層相對于純的PDMS作介質(zhì)層明顯的提高了壓力傳感器的靈敏度。傳感器可檢測的壓力范圍為 0～50 kPa,當碳酸氫銨的濃度為20%時,傳感器的靈敏度最高,在0～10 kPa的低壓力范圍內(nèi),靈敏度為0.23 kPa-1,在10 kPa～50 kPa的高壓力范圍內(nèi),靈敏度為0.01 kPa-1。20%碳酸氫銨濃度的PDMS海綿的靈敏度是未添加碳酸氫銨的PDMS介質(zhì)層靈敏度的5倍。但是,當碳酸氫銨濃度增加到30%時,傳感器的靈敏度降低,這是因為,過多的碳酸氫銨分解,氣體全部從PDMS中釋放出去,并未在PDMS中留下氣泡或空氣間隙。

不同厚度的PDMS海綿的靈敏度曲線如圖4(b)所示,當厚度為1.5 mm時,傳感器的靈敏度最高。隨著厚度的增加壓力靈敏度減小,這是由于當介質(zhì)層較薄時,在同等的力的作用下會引起更明顯的形變來增大電容的變化。不同大小的PDMS海綿為介質(zhì)層的傳感器的靈敏度曲線如圖4(c)所示,為了兼容傳感器的小型化,本文選取的是大小為8 mm×8 mm,厚度為1.5 mm的PDMS作為柔性壓力傳感器的介電層。

圖4 PDMS海綿的壓力傳感器靈敏度

除了靈敏度外,傳感器的穩(wěn)定性、可恢復性和重復性也是表征其性能的重要參數(shù)。使用數(shù)顯壓力機給傳感器循環(huán)的施加壓力(0.5 kPa、2 kPa、5 kPa),傳感器的輸出響應(yīng)曲線如圖5(a)所示,傳感器在同一壓力施加后的電容值變化保持穩(wěn)定。圖5(b)和5(c)為柔性壓力傳感器的重復性和響應(yīng)時間測試結(jié)果,通過給傳感器加載和未加載壓力,進行大于 1 000 個循環(huán)的測試,測試結(jié)果表明,傳感器的電容值雖然有一定的偏差,但在誤差允許的范圍,重復性能良好,傳感器的響應(yīng)時間小于150 ms。

圖5(d)為環(huán)境溫度對傳感器電容值的影響,由結(jié)果可知,在20 ℃～45 ℃的溫度范圍內(nèi),傳感器在不同壓力下的電容值波動范圍在5%以內(nèi),說明環(huán)境溫度對傳感器的影響較小。

前面所述的測試主要用于傳感器性能的標定,為了測試傳感器的實際使用性能,我們將傳感器貼在鼠標的左鍵上,傳感器的響應(yīng)曲線如圖5所示,重復的按壓和松開鼠標,傳感器周期性的輸出鼠標的壓力信號,說明該傳感器可以實時地、靈敏地檢測鼠標按壓時所受的力,有著快速的響應(yīng)輸出,在機器人電子皮膚領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖5 3種測試結(jié)果和溫度對壓力傳感器的影響

圖6 柔性壓力傳感器的實用性測試及結(jié)果

4 總結(jié)

本文利用碳酸氫銨(一種食品添加劑)填充在PDMS中實現(xiàn)了大面積高密度具有微觀結(jié)構(gòu)的PDMS海綿介質(zhì)層的制備。通過簡易的方法完成了柔性壓力傳感器的制備。該傳感器有著大的壓力檢測范圍(0～50 kPa)、快速的響應(yīng)時間(<150 ms)、穩(wěn)定的重復性(>1 000循環(huán))和高的靈敏度,在0～10 kPa的低壓力范圍內(nèi),靈敏度為0.23 kPa-1,在10 kPa～50 kPa的高壓力范圍內(nèi),靈敏度為0.01 kPa-1。傳感器可實時、靈敏地檢測力的變化,在機器人電子皮膚領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。