張 鵬，陳昱丞，張 建，李玉霞

(山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島 266590)

0 引言

隨著新材料和微納米技術(shù)的發(fā)展，大量的柔性傳感器被應(yīng)用于機(jī)器人皮膚[1]、智能假肢[2]、可穿戴設(shè)備[3]等領(lǐng)域。目前傳感器根據(jù)能量和信息轉(zhuǎn)換方式可以分為以下幾類(lèi)：電容式[4-5]、電阻式[6-7]、壓電式[8]。相比其他形式的傳感器，電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，引起越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行關(guān)注和研究。

當(dāng)前，改善電容式性能的方法主要有以下兩種。一種是在中間介電層表面增加微結(jié)構(gòu)，降低介電層的楊氏模量，增加形變能力，從而提高傳感器的靈敏度性能。另一種就是在中間介電層中添加納米材料改變傳感器的介電常數(shù)。Z.P.Ji等利用MEMS技術(shù)在介電層表面引入了4種不同的微結(jié)構(gòu)，仿真及實(shí)驗(yàn)得到了最優(yōu)的靈敏度微結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人快速避障[9]。法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心設(shè)計(jì)了一種利用復(fù)合泡沫材料和導(dǎo)電炭黑獲得了超高靈敏度的電容式傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈搏的檢測(cè)[10]。

本文根據(jù)電容式傳感器的基本原理，提出了一種基于雙層微結(jié)構(gòu)電極的柔性電容式壓力傳感器的設(shè)計(jì)方法。區(qū)別以往只在中間介電層進(jìn)行改善性能的方式，在電極的表面引入金字塔陣列微結(jié)構(gòu)。當(dāng)傳感器受到外部壓力時(shí)，電極表面金字塔結(jié)構(gòu)受力壓縮，改變傳感器電極之間的相對(duì)面積，從而改變傳感器的電容變化量。測(cè)試結(jié)果表明：與電極表面不帶微結(jié)構(gòu)的傳感器對(duì)比，該方法設(shè)計(jì)的傳感器可以明顯的提高器件的靈敏度。

1 傳感器的設(shè)計(jì)與制備

1.1 設(shè)計(jì)原理

電容式傳感器總體結(jié)構(gòu)為三明治結(jié)構(gòu)，由上下兩個(gè)電極板和中間的介電層組成。電容式傳感器的電容值可表示為

(1)

式中：A為上下電極板間的相對(duì)面積；εr為相對(duì)介電常數(shù)；ε0為真空中的介電常數(shù)；d為電極板之間的距離。

由式(1)可知傳感器電容值C受εr，d,A因素的影響。在本文中利用電極板表面增加微結(jié)構(gòu)這一方法，增大傳感器電極之間的相對(duì)面積A，通過(guò)外界壓力對(duì)電極板之間的相對(duì)面積的影響，提高傳感器的靈敏度。

1.2 傳感器電極的制備

微結(jié)構(gòu)電極的制備流程圖1所示。利用MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))工藝，在硅片基底上刻蝕出金字塔形狀的凹槽備用。聚二甲基硅氧烷(PDMS)的主劑和固化劑以10∶1的質(zhì)量比進(jìn)行配比，放入真空箱中抽真空20 min，去除PDMS中的氣泡形成預(yù)置體。將刻蝕好的硅片放置勻膠機(jī)上，倒入配好的PDMS預(yù)置體，旋轉(zhuǎn)速度為350 rad/min，時(shí)間為100 s。將涂有PDMS的硅片基底放在80 ℃的真空烘箱中固化3 h后剝離獲得帶有金字塔微結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜。然后把制備好的PDMS薄膜放在小型金屬濺射儀中濺射150 s，靶材為金(Au)。最后獲得帶有金字塔微結(jié)構(gòu)的PDMS電極薄膜。圖2是帶有微結(jié)構(gòu)的PDMS電極薄膜濺射金屬前后的表面形貌SEM圖。同樣按照制備流程圖1的方法，在干凈的玻璃片上固化沒(méi)有微結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜。一部分濺射金屬，另一部分作為電容式傳感器的中間介電層。在這里說(shuō)明一下為了改善PDMS表面的疏水性、易吸附物質(zhì)性。將薄膜放入等氧離子清洗機(jī)進(jìn)行處理，增加其與金屬的吸附性。

圖2 微結(jié)構(gòu)電極濺射前后的表面SEM圖

1.3 柔性壓力傳感器的制備

將制備好的電極層和中間介電層裁剪成同樣尺寸(3 cm×1 cm)，分別按照?qǐng)D3的形式完成三明治式的電容式柔性壓力傳感器的封裝制備。圖3(a)是有雙層微結(jié)構(gòu)電極，圖3(b)是有單層微結(jié)構(gòu)電極，圖3(c)是無(wú)微結(jié)構(gòu)電極。最后用導(dǎo)電膠帶在傳感器的兩端用導(dǎo)電銅線引出。圖4為雙層微結(jié)構(gòu)電極傳感器的總裝示意圖。

(a) (b) (c)

圖4 雙層微結(jié)構(gòu)電極傳感器的總裝圖

2 傳感器測(cè)試與分析

2.1 傳感器的測(cè)試

測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示。壓力加載設(shè)備采用ZQ-990A推拉力計(jì)，測(cè)試設(shè)備采用型號(hào)為T(mén)H2826的LCR表。將測(cè)試的傳感器樣品放到推拉力計(jì)的測(cè)試臺(tái)上，傳感器電極引出的銅線連接到LCR測(cè)試表上。本次測(cè)試的測(cè)試頻率為1 kHz，偏置電壓為0，推拉力計(jì)的壓力測(cè)試范圍為0～5 kPa。

圖5 柔性電容式傳感器的測(cè)試裝置

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 不同層數(shù)的微結(jié)構(gòu)電極對(duì)靈敏度的影響

為了更好地看出微結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器性能的影響，分別對(duì)雙層、單層和無(wú)結(jié)構(gòu)的電極傳感器進(jìn)行測(cè)試。圖6為3種傳感器的電容變化和壓力的關(guān)系。電容式傳感器的靈敏度S定義為

(2)

式中：C0為電容初始值；ΔC=C-C0；p為相對(duì)壓力變化，kPa。

圖6 不同層數(shù)微結(jié)構(gòu)電極傳感器壓力下的電容變化曲線

由圖6可以看出，具有雙層微結(jié)構(gòu)電極的傳感器靈敏度最高為S1=0.34 kPa-1，單層微結(jié)構(gòu)電極的傳感器靈敏度次之為S2=0.064 kPa-1，無(wú)微結(jié)構(gòu)電極的傳感器靈敏度最小為S3=0.02 kPa-1,雙層微結(jié)構(gòu)傳感器的靈敏度是無(wú)微結(jié)構(gòu)電極傳感器的17倍。結(jié)果表明電極表面增加金字塔微結(jié)構(gòu)的傳感器能夠顯著地改善傳感器的靈敏度，雙層結(jié)構(gòu)能夠有效地增大傳感器的表面積，增大電容變化量達(dá)到改善傳感器性能的目的，這與本文的設(shè)計(jì)原理是一致的。

2.2.2 基于雙層微結(jié)構(gòu)電極傳感器的性能測(cè)試

壓力傳感器不僅具有高靈敏度，還具有能夠檢測(cè)不同壓強(qiáng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、快速的響應(yīng)時(shí)間以及可靠的重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)。首先將不同質(zhì)量的砝碼加載到傳感器表面，對(duì)傳感器在不同壓強(qiáng)下(20 Pa、100 Pa、500 Pa、1 kPa)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。圖7(a)表明，該傳感器最低檢測(cè)壓強(qiáng)為20 Pa，可以實(shí)現(xiàn)快速地對(duì)不同壓強(qiáng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)檢測(cè)。如圖7(b)表明，當(dāng)傳感器受到20 Pa時(shí)，該傳感器的響應(yīng)時(shí)間為200 ms，響應(yīng)速度相對(duì)較快。最后，通過(guò)反復(fù)加載/卸載50次壓強(qiáng)為1 kPa的力驗(yàn)證該傳感器穩(wěn)定的重復(fù)性，如圖7(c)所示。

(a)

(b)

(c)

2.2.3 基于雙層微結(jié)構(gòu)電極傳感器的實(shí)際應(yīng)用

為了驗(yàn)證傳感器的實(shí)際有效性，將設(shè)計(jì)好的傳感器利用手指觸覺(jué)感知?jiǎng)討B(tài)和靜態(tài)的能力傳遞摩爾斯密碼的點(diǎn)、劃以及點(diǎn)和劃之間的停頓時(shí)間的信息。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試中傳遞“SDUST”5個(gè)字母。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，表明該方法設(shè)計(jì)的傳感器能夠滿足摩爾斯密碼的傳遞，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

圖8 雙層微結(jié)構(gòu)電極傳感器的實(shí)際測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用電容式傳感器的設(shè)計(jì)原理，在電極表面引進(jìn)微結(jié)構(gòu)的方法來(lái)改善傳感器的性能。通過(guò)測(cè)試分析不同層數(shù)的微結(jié)構(gòu)電極的傳感器性能參數(shù)，可以得出在電極表面增加微結(jié)構(gòu)的途徑能夠有效地提高傳感器的靈敏度。雙層微結(jié)構(gòu)電極傳感器的靈敏度最高是無(wú)微結(jié)構(gòu)電極傳感器靈敏度的17倍。對(duì)雙層微結(jié)構(gòu)電極的傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)、響應(yīng)時(shí)間、重復(fù)性等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)的傳感器能夠?qū)Σ煌瑒?dòng)態(tài)壓強(qiáng)的應(yīng)力進(jìn)行快速響應(yīng)，具有良好的響應(yīng)時(shí)間(200 ms)以及具有穩(wěn)定的重復(fù)性。最后用傳感器來(lái)傳遞摩爾斯密碼來(lái)驗(yàn)證其實(shí)用性。該傳感器在可應(yīng)用于柔性可穿戴、機(jī)器人皮膚、智能假肢等領(lǐng)域。