周桓鋒,李俊良,馮 涵,劉 平,劉彩霞,黃 英

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽 合肥 230601)

具有壓力檢測功能的電子皮膚是可以模擬人體皮膚壓力感測功能的電子系統(tǒng),已被應(yīng)用于人體健康監(jiān)測[1]、人體運動檢測[2]、人機交互[3]等領(lǐng)域。電子皮膚的壓力檢測可以通過多種物理轉(zhuǎn)換機制來實現(xiàn),包括電阻式[4-6]、電容式[7]和壓電式[8]。其中,電阻式因穩(wěn)定性好、動態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)異以及數(shù)據(jù)采集便捷等特點而受到廣泛關(guān)注。文獻[9]設(shè)計了一種基于石墨烯薄膜的電阻式電子皮膚,其傳感單元有較大的測量范圍(0～500 kPa)和良好的穩(wěn)定性,但靈敏度僅為0.04 kPa-1;文獻[10]設(shè)計了一種基于還原氧化石墨烯和高內(nèi)相乳液的多孔聚合物的多層次結(jié)構(gòu)傳感單元,其靈敏度可達0.21 kPa-1。

柔性電阻式電子皮膚的傳感單元一般具有較低的靈敏度,限制了電子皮膚的應(yīng)用范圍。具有裂紋的電阻式應(yīng)變傳感器通常具有較高的靈敏度[11-12],為解決這一問題提供了一種新思路。

本文提出一種基于炭黑/UV膠(CB/UV)層和具有裂紋的石墨烯/聚對苯乙烯磺酸鈉(GNPs/PSS)層的雙層協(xié)同導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的柔性電阻式應(yīng)變敏感單元,該敏感單元具有應(yīng)變靈敏度系數(shù)(gauge fatro,GF)高(最高能達到7 449)、遲滯低(4.42%)、響應(yīng)時間快(80 ms)、穩(wěn)定性好等特點。據(jù)此,設(shè)計了具有4×4個傳感單元的壓力傳感陣列,采集的數(shù)據(jù)采用ZigBee技術(shù)傳輸。該壓力傳感陣列的數(shù)據(jù)分析測試結(jié)果表明，陣列單元具有高靈敏度(最高能達到15.23 kPa-1)，可陣列具有清楚識別壓力大小和分布的能力,可拓寬電子皮膚和可穿戴設(shè)備的應(yīng)用范圍。

1 敏感單元的制備與導(dǎo)電機理

1.1 敏感單元的制備

所用材料如下：GNPs(純度99.5%,厚度<10 nm,直徑3～25 μm),購自合肥維貢材料技術(shù)有限公司;PSS,購自上海麥金生化有限公司;CB(粒徑30 nm),購自SPC 化學(xué)公司(瑞典);UV膠(ergo 8500,黏度1 200 mPa·s)，購自kisling公司;聚二甲基硅氧烷(PDMS) (型號為SYLGARD184)和硅橡膠(SR)(型號為GD401),購自中國四川晨光工程設(shè)計院;導(dǎo)電銀膠(YC-02),購自南京恒碩電子科技有限公司。

敏感單元的制備流程和制備樣品結(jié)果如圖1所示。

(1) 準備CB/UV復(fù)合材料和GNPs/PSS復(fù)合材料。在室溫下將0.06 g CB和1 g UV膠溶解在20 mL無水乙醇中,磁力攪拌1 h,從而制備CB/UV復(fù)合材料。將1 g GNPs和1 g PSS分別加入100 mL去離子水中,超聲處理30 min,在60 ℃下磁力攪拌1 h,制得GNPs/PSS復(fù)合材料。

(2) 將制備的CB/UV復(fù)合材料旋涂到PI膠帶上,然后將其在紫外燈下固化5 min,固化后將制備的GNPs/PSS復(fù)合材料通過PI膜模具涂覆在CB/UV膜上,并在60 ℃下干燥1 h。

(3) 充分干燥后,剝下底部的PI膠帶,通過拉力機以步進0.5%應(yīng)變將其從0應(yīng)變拉伸到5%的應(yīng)變,循環(huán)拉伸50次,形成較均勻的裂紋。

(4) 在GNPs/PSS層的兩端利用導(dǎo)電銀漿固定并連接導(dǎo)線;最后,在GNPs/PSS層上覆蓋1層PDMS保護層,制得敏感單元(圖1b)。

從圖1c可以看出,在循環(huán)拉伸后,GNPs/PSS層上形成了相對整齊且均勻的裂紋。從圖1d可以看出,該敏感單元的厚度約為242 μm。

圖1 敏感單元的制備流程和制備樣品結(jié)果

1.2 敏感單元的傳感機理

拉伸前后敏感單元導(dǎo)電機理、裂紋寬度變化及電流密度仿真示意圖如圖2所示。圖2c中的電流密度單位為105A/m2。從圖2a可以看出:當裂紋較小時,電流從左端的電極流入,通過GNPs/PSS層后到達右端的電極;當裂紋變得較大時,裂紋將GNPs/PSS層分割成塊的情況。當電流到達裂紋時,受到阻礙的電流將流向裂紋下端的相應(yīng)CB/UV層,越過裂紋后又流回GNPs/PSS層,重復(fù)這個過程直至到達右端的電極。

圖2 拉伸前后敏感單元導(dǎo)電機理、裂紋寬度變化及電流密度仿真示意圖

此時,CB/UV層起連接塊的作用,這確保了敏感單元在較大應(yīng)變下仍然可以有效工作。

較大應(yīng)變下敏感單元的應(yīng)變靈敏度系數(shù)Gf計算公式為:

(1)

其中:R為敏感單元電阻;R0為敏感單元初始電阻;ρ為CB/UV層的電阻率;n為裂紋個數(shù);ΔL1為裂紋擴大的寬度;R1為GNPs/PSS層的電阻;S為CB/UV層的橫截面積;ε為應(yīng)變(圖2b)。圖2c電流的流向和分布與圖2a、圖2b保持一致,可以看出當裂紋未完全斷開時,電流主要分布在GNPs/PSS層,此時高電阻的CB/UV層對敏感單元的影響可以忽略。當裂紋完全斷開后,電流分布在GNPs/PSS層和CB/UV層,此時CB/UV層對敏感單元的影響不可忽略,敏感單元的電阻急劇增大,對GF的變化起主要作用。

1.3 敏感單元的靜態(tài)和動態(tài)特性

在拉力試驗機(T2002)中進行拉伸試驗,樣品電阻值通過直流電阻儀(TH2515)測量,敏感單元的靜動態(tài)特性測試結(jié)果如圖3所示。

由圖3a可知,隨著CB質(zhì)量分數(shù)的增加,其GF會顯著下降,這歸因于CB質(zhì)量分數(shù)增加導(dǎo)致的CB/UV層電阻迅速下降;本文選用6%質(zhì)量分數(shù)的CB制備敏感單元,在6%質(zhì)量分數(shù)的CB下GF在4.8%的應(yīng)變內(nèi)最高可達7 499。

由圖3b可知,在不同應(yīng)變下敏感單元兼具有良好的伏安特性。

由圖3c可知,其遲滯較小,為4.42%。

圖3d所示為敏感單元在不同應(yīng)變下5個加載卸載的相對電阻變化,顯示出在不同應(yīng)變下敏感單元兼具有良好的重復(fù)性和連續(xù)性。

圖3e所示為用USB-6211數(shù)據(jù)采集卡捕獲的敏感單元的響應(yīng)時間,約為80 ms。

圖3f所示為敏感單元在4%應(yīng)變下循環(huán)10 000次下的相對電阻變化,可以看出其具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

圖3 敏感單元的靜動態(tài)特性測試結(jié)果

2 傳感陣列與系統(tǒng)

2.1 壓力傳感陣列的制備

壓力傳感陣列的結(jié)構(gòu)、尺寸、傳感機理及陣列樣品如圖4所示。

圖4 壓力傳感陣列的結(jié)構(gòu)、尺寸、傳感機理及陣列樣品

由圖4a可知,從上到下依次為SR觸頭、敏感單元、電極、柔性PCB(FPCB)。其中SR觸頭、敏感單元、電極組成傳感單元。FPCB由MEMS工藝制備,SR觸頭由脫模工藝制備。首先,利用導(dǎo)電銀膠將敏感單元GNPs/PSS層一側(cè)的兩端貼裝到FPCB上,在80 ℃下干燥1 h,實現(xiàn)FPCB和敏感單元的可靠連接,形成電極且提供支持敏感單元形變的空間;然后,將SR均勻地涂覆到敏感單元CB/UV層一側(cè),用于粘接SR觸頭,在70 ℃下固化1 h,SR觸頭主要起集中壓力和拉伸敏感單元的作用;最后利用SR對整個陣列進行封裝以保證其可靠性。

由圖4b、圖4c可知,傳感陣列由大小為1 cm×1 cm×0.96 mm的4×4個傳感單元組成,電極尺寸為1 mm×1 cm×208 μm,每個傳感單元之間的距離為5 mm,FPCB的厚度為89 μm,導(dǎo)電銀膠的厚度為208 μm,敏感單元的厚度為242 μm,硅橡膠觸頭的厚度為513 μm,PDMS保護層的厚度為132 μm,整個感測陣列的尺寸約為10 cm×10 cm×1.2 mm。

從圖4e可以看出,在壓力加載下,GNPs/PSS層的裂紋將會變寬。在受壓時,SR觸頭收集加載的壓力并發(fā)生彎曲形變,帶動敏感單元在導(dǎo)電銀膠支撐形成的空間內(nèi)發(fā)生形變,進而帶動敏感單元的GNPs/PSS層拉伸,從而導(dǎo)致裂紋變寬,電阻變大。

2.2 電路設(shè)計

電路設(shè)計原理如圖5所示。選擇德州儀器單元(TI)生產(chǎn)的低功耗微控制單元CC2530作為主控制器,其支持ZigBee/IEEE 802.15.4/RF4CE協(xié)議。通過IAR開發(fā)工具編程控制16通道模擬多路選擇器(CD4067)的選通,實現(xiàn)對多路復(fù)用通道的順序掃描,并將采集到的電壓數(shù)據(jù)通過嵌入CC2530中的14 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)有效采樣,并利用CC2530內(nèi)置的射頻模塊將其無線傳輸?shù)紺C2530協(xié)調(diào)器上。一方面,協(xié)調(diào)器可以接收主控制器發(fā)送的無線數(shù)據(jù),將其通過RS232串行端口傳輸?shù)缴衔粰C中;另一方面,協(xié)調(diào)器可以接收上位機發(fā)出的控制指令,并將其通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街骺刂破魃?控制電路的掃描頻率和開關(guān)。多路選擇器前有1個電壓跟隨器(LM2596),用于連接輸入電壓(Vin)和行多路選擇器,以確保在掃描過程中Vin穩(wěn)定。在列上用1個跨阻放大器(OPA656)連接,用于減小地噪聲的干擾并獲取穩(wěn)定輸出電壓(Vout),計算被測電阻,計算公式為:

圖5 電路設(shè)計原理示意圖

(2)

其中:Rx,y為x行、y列的待測電阻;Rf為反饋電阻。

2.3 傳輸系統(tǒng)

上位機系統(tǒng)由LabVIEW可編程軟件設(shè)計,用于處理并顯示從下位機獲得的數(shù)據(jù)。

圖6a所示為下位機微控制器CC2530程序流程圖。在完成對電子皮膚的掃描之后,CC2530根據(jù)預(yù)定的通信協(xié)議格式打包數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。

圖6b所示為上位機程序流程圖。當LabVIEW接收到控制器發(fā)送的新數(shù)據(jù)時,LabVIEW將解析數(shù)據(jù)包并顯示結(jié)果。

圖6 上、下位機程序流程

3 壓力傳感陣列測試

壓力傳感陣列的測量和測試結(jié)果如圖7所示。首先,通過拉力測試機(圖7a)在單個傳感單元(像素位置(3,2))上施加外部壓力。

從圖7b可以看出,壓力在0～15 kPa內(nèi)靈敏度約為0.592 kPa-1,在15～22 kPa內(nèi)靈敏度為4.43 kPa-1,在22～28 kPa內(nèi)靈敏度約為15.23 kPa-1,可以得出該傳感單元在不同壓力區(qū)間內(nèi)具有較高靈敏度。

圖7c以LabVIEW二維強度圖顯示了多個砝碼下傳感陣列的壓力分布,其中單個砝碼質(zhì)量為20 g。

從圖7c可以看出,該壓力傳感陣列可以清楚地識別并記錄不同像素位上的電阻變化。其相鄰的未放置砝碼的像素位上電阻變化很小,說明傳感單元之間的串擾可以忽略不計。

從圖7d可以看出,該壓力傳感陣列具有準確顯示出抓取彎曲表面物體時壓力大小和分布的能力。

圖7 傳感單元及其陣列的壓力測試圖

4 結(jié) 論

為了解決柔性電阻式電子皮膚一般具有較低靈敏度這一問題,本文提出了一種基于CB/UV層和具有裂紋的GNPs/PSS層的具有雙層協(xié)同導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的柔性電阻式應(yīng)變敏感單元，研究了敏感單元的結(jié)構(gòu)、原理和靜動態(tài)特性，據(jù)此設(shè)計了具有4×4個傳感單元的壓力傳感陣列。每個傳感單元的尺寸約為1 cm×1 cm×0.96 mm，壓力傳感陣列的尺寸約為10 cm×10 cm×1.2 mm。壓力傳感陣列測試結(jié)果表明其能清晰地顯示出壓力的分布與大小。采用該新型柔性電阻式應(yīng)變敏感單元及其壓力傳感陣列可拓寬電子皮膚和可穿戴設(shè)備的應(yīng)用范圍。