劉雙斌, 秦會斌

(杭州電子科技大學 新型電子器件與應用研究所,浙江 杭州 310018)

0 引 言

傳感器作為各種設(shè)備感知外界環(huán)境的重要工具,充當著設(shè)備的“眼”、“耳”、“鼻”和“皮膚”。壓力傳感器作為傳感器家族的一支,充當著不可替代的角色。隨著各種設(shè)備的智能化,對外感知能力的要求越來越高,不僅僅需要感知壓力的大小,還需要感知壓力的施加位置和分布范圍,同時壓力傳感器的附著面也不再僅僅限制于平整規(guī)律的物體表面。因此,需要一種不僅可以檢測點壓力、區(qū)域壓力分布,還可適應不同附著表面的柔性壓力傳感器[1～3]。

近年來,柔性陣列式壓力傳感器得到人們的關(guān)注,并對其進行了相關(guān)研究。盧凱[2]制備了三明治結(jié)構(gòu)的壓電陣列傳感器,敏感層為聚偏氟乙烯和三氟乙烯共聚物壓電薄膜,在壓電層表面通過光刻工藝制備了表面鋁電極陣列,該傳感器為4×4傳感器陣列,電極尺寸為1.4 mm×1.4 mm,力電性能良好。張帥等人[3]設(shè)計了一種壓電式陣列傳感器用來對羽毛球從不同高度落下時擊打的位置和打擊力度的大小進行檢測,該傳感器壓電層采用無紡布涂布分散于N—甲基吡咯烷酮的PVDF溶液,具有良好的線性度。郭士杰等人[4]采用帶狀導電布作為上下電極,交叉垂直分布制作了電容式陣列式傳感器,傳感器大小為500 mm×500 mm,32像素×32像素,單個傳感單元尺寸為15 mm2,在0～70 kPa范圍內(nèi)線性度較好。Pand C等人[5]采用醫(yī)用膠帶為上級板材料,制備了微結(jié)構(gòu)化陣列在傳感器下級板,極大提高了傳感器分辨率和靈敏度。在柔性壓力傳感器的陣列化研究方面已經(jīng)取得的一定的研究成果,尤其是傳感單元的微結(jié)構(gòu)化,但是普遍存在著制備工藝復雜、尺寸過大、集成度較低、陣列封裝困難以及可拼接性差等問題。

本文提出了一種十字交叉型陣列式柔性壓力傳感器,壓敏層制備時使用納米(nm)級的乙炔炭黑和鍍銀玻璃微球混合填充[6]絕緣硅橡膠,電極陣列采用單面鍍鋁的聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜(PET/AL)進行圖形化處理獲得。此外,為便于測試應用,設(shè)計了一種基于LabVIEW的測試系統(tǒng)。

1 傳感器設(shè)計

柔性陣列式壓力傳感器采用電極—壓敏層—電極的“三明治”結(jié)構(gòu)。選用導電性能優(yōu)異的鋁薄膜作為電極材料,選用耐摩擦、耐多數(shù)有機溶劑，廣泛應用于包裝領(lǐng)域的PET作為傳感器的封裝保護層。選用低壓縮永久變形、彈性強的雙組份室溫硫化硅橡膠作為絕緣柔性基體,在基體中填充導電填料制得柔性壓敏層。

1.1 電極陣列設(shè)計

電極陣列采用如圖1所示的共行/列結(jié)構(gòu),上下電極呈十字交叉形式封裝。這種形式的電極,選擇相應的行和列即可獲取相對應的陣列點信號,省去了大量電極引線。為便于后續(xù)的電氣連接,使后續(xù)的電氣連接牢固且易插拔,電極引線設(shè)計成了適應于線間距0.5 mm，線寬0.35 mm的FPC插座規(guī)格的接口。

圖1 電極陣列結(jié)構(gòu)

電極陣列的制備工藝方面選擇采用了絲網(wǎng)印刷[7]、酸刻蝕工藝,基本制備流程如圖2所示。PET/AL薄膜僅為20 μm,本身柔韌性較好,絲網(wǎng)印刷時需尋找平整且兼具粘結(jié)力的薄膜支撐體。實驗實踐發(fā)現(xiàn)采用783溶劑擦拭后,鍍有RAL7032卵石灰面漆的金屬板表面具備粘結(jié)性,可作為PET/AL薄膜支撐體。電極陣列的具體制備過程如下:

圖2 電極陣列制備流程

1)備片時將薄膜貼附在擦試過783溶劑的金屬板上；

2)采用制備好的具有圖1所示陣列結(jié)構(gòu)孔的絲印網(wǎng)版,印刷油性油墨到薄膜的鋁箔面；

3)配置合適濃度的稀鹽酸,刻蝕掉裸露在外的鋁箔；

4)首先用清水沖洗干凈鋁箔上的鹽酸,再用酒精清洗液,清洗油性油墨,最后用清水洗凈并干燥處理；

5)將刻蝕好的PET基鋁電極從金屬板支撐體剝離即得陣列式電極。

1.2 壓敏層導電橡膠制備與測試

實驗材料和儀器:CXD—SG30S15型鍍銀玻璃微球,107室溫硫化硅橡膠,納米乙炔炭黑,氣相硅,硅烷偶聯(lián)劑KH560,TMG216二月硅酸二辛基錫,正己烷；電子天平,超聲波分散儀,機械攪拌器,KTQ—II可調(diào)式涂膜器、LCR數(shù)字電橋、拉壓力試驗臺。

采用機械共混法制備壓敏層的工藝流程如下:首先稱取占硅橡膠質(zhì)量12 %的鍍銀玻璃微球至正己烷溶劑中,機械攪拌3 min,稱取5 %的乙炔炭黑混合攪拌10 min,超聲波分散20 min后待用,記為A。然后稱取適量硅橡膠,添加正己烷低速攪拌2 min至均勻,添加硅烷偶聯(lián)劑機械攪拌5 min后待用,記為B。待A溶液冷卻后補足正己烷并攪拌2 min,添加1.5 %的納米氣相硅,繼續(xù)攪拌5 min至混合均勻。添加B溶液至A中低速攪拌10 min至均勻,添加TMG216硫化劑、交聯(lián)劑,再次充分攪拌15 min得到待涂膜膠液。最后涂膜器設(shè)置為0.5 mm進行涂膜,室溫放置一段時間使其自然固化完成,得到壓敏層試樣。

用數(shù)字電橋和拉壓力試驗臺對制備的壓敏層進行壓阻和弛豫時間測試[8～10],結(jié)果如圖3所示。圖3(a)可以看出,隨著壓力增大,傳感器靈敏度[11]逐漸下降,在5 N范圍內(nèi)壓阻性能較好,壓力達到7N時仍表現(xiàn)出一定的負壓阻特性。圖3(b)為施加恒定的壓力下,連續(xù)重復7次實驗對電阻值隨時間的變化曲線的統(tǒng)計結(jié)果,可以看出連續(xù)7次實驗阻值均穩(wěn)定在2 kΩ左右,可重復性較好,連續(xù)6次施加恒定的力,電阻穩(wěn)定時間在2 s左右。

圖3 壓阻性能和弛豫時間測試

1.3 傳感器封裝

陣列式壓力傳感器的封裝效果的好壞直接影響著傳感器的壓阻性能。在實際實驗的基礎(chǔ)上,提出了圖4所示的封裝方式。圖中的壓敏傳感單元組裝到柔性雙面膠中形成中間壓敏層,然后與上下電極通過雙面膠粘貼封裝。

圖4 陣列式傳感器封裝

為了便于對雙面膠進行圖形化設(shè)計,采用了雙面帶離型紙的雙面膠。具體封裝過程如下:首先在制備的壓敏層薄膜上用直徑3 mm的打孔器打孔,獲得所需的壓敏圓形墊片；其次用打孔器在雙面膠上按電極陣列打孔,獲得圖形化的雙面膠；然后撕掉雙面膠的離型紙對準PET/AL電極陣列粘貼牢固,并用鑷子將壓敏圓片組裝到圖形化的雙面膠圓孔中；最后撕掉離型膜,將上電極與下電極呈90°對準粘貼,傳感器陣列封裝完成。

采用PET基鋁箔制備的電極陣列,電極與PET薄膜貼附牢固,較大程度上避免了傳感器陣列變形過大造成的電極損壞,同時電極表面覆蓋的PET薄膜性能優(yōu)異,起到保護電極的作用。采用這種方式進行封裝,圖形化定制的雙面膠不僅起到粘接上下電極和中間敏感層的作用,而且阻隔了敏感單元之間相互干擾。

1.4 陣列式傳感器系統(tǒng)測試

本文中制備的柔性壓力傳感器陣列有10×10共100個陣列單元,若想要快速獲取傳感器上施加力的大小和位置,必須快速掃描讀取到每一個陣列點的電阻信號。經(jīng)過綜合分析,本文設(shè)計并采用了圖5所示的陣列信號檢測系統(tǒng)。

圖5 陣列檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

圖5中的行列信號多路模擬開關(guān)均為采用兩片CD4051BE八選一多路模擬開關(guān),并通過非門74HC04搭建成的十選一多路模擬開關(guān)。主控采用意法半導體公司的STM32F103VET6微處理器,其豐富的庫函數(shù)和硬件資源可以在很大程度上縮短開發(fā)周期。多路模擬開關(guān)的多路選擇信號連接至STM32主控IO口,編程控制IO端口的電平高低來控制模擬開關(guān)的通斷,進而完成傳感器陣列的逐行逐列掃描,并將各個陣列點的信號模擬輸入主控,完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后存儲。當完成整個陣列點的掃描后,通過UART串口將存儲的數(shù)據(jù)順序傳送至PC端。

PC端基于LabVIEW設(shè)計了用于數(shù)據(jù)接收和分析的上位機系統(tǒng)。在該上位機中對數(shù)據(jù)進行數(shù)組存儲、字符串至十進制轉(zhuǎn)化等處理后,采用便于讀取的強度圖和三維柱狀圖兩種方式進行測試結(jié)果顯示。

圖6為陣列式傳感器信號測試實驗,將陣列式壓力傳感器與硬件測試電路連接,并在傳感器上放至一個打孔棒,通過測試系統(tǒng)對其壓力大小和壓力分布進行測試。測試實驗中,以200 ms的時間間隔對所有陣列點進行一次重復掃描。實驗表明,制備出的陣列式壓力傳感器可以較好地與測試系統(tǒng)配合完成施加壓力大小和位置的檢測。

圖6 陣列式傳感器信號測試實驗

2 結(jié)束語

1)相對于在柔性基體上印刷銀漿等導電材料制得的電極材料,單面鍍鋁PET/AL鋁箔作為柔性電極材料,制備工藝更加簡單且電極材料與柔性基體粘接更加牢固,可以承受更大范圍的變形。

2)在壓敏層導電橡膠的制備過程中,采用了納米乙炔炭黑和鍍銀玻璃微球作為導電填料。其中,鍍銀玻璃微球的密度介于金屬系填料和炭黑之間,充分結(jié)合了金屬系和碳系填料各自的優(yōu)勢。填充納米氣相硅,改善壓敏導電橡膠的弛豫時間,使弛豫時間降到了2 s左右。

3)采用共行/列的電極陣列設(shè)計,減少了電極引線；設(shè)計了兼容0.5mm間距FPC插座標準的電極引線接口,傳感器的電氣連接變得更加牢固且簡單。

4)圖形化定制柔性雙面膠,既可以作為粘接上下電極和中間敏感層的粘合劑,也可以作為中間壓敏單元的絕緣隔膜,隔絕相互干擾。

5)基于LabVIEW及相關(guān)軟、硬件搭建了陣列式傳感器信號測試系統(tǒng),可實現(xiàn)傳感器施壓信號的大小和位置的快速檢測。