楊紅波， 陳文東

(1.鄭州科技學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450064; 2.鄭州科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450064)

0 引 言

目前，柔性壓力傳感器已在人體健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[1～4]。壓阻式柔性傳感器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度較低，易于安裝和應(yīng)用，且可以高效實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，因此相對(duì)其他類型獲得了更多的應(yīng)用[5]。其常用的制備方法是采用電極和微結(jié)構(gòu)之間接觸形成的壓阻效應(yīng)[6]。在這些傳感器中含有特殊的彈性體[7]，容易受到外部作用力的影響而形成一定的傳導(dǎo)路徑，致使電流發(fā)生變化，所以，只需要對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)即可得到壓力信息。在此類傳感器制備過程中采用了不同類型的材料，包括柔性襯底[8]、微圓頂陣列[9]、微槽[10]等。一些學(xué)者針對(duì)該類傳感器進(jìn)行了較多的研究，制備出不同的產(chǎn)品，其中,Ahmed E等人[11]制備了高靈敏度的傳感器，在此過程中利用了仿生玫瑰花瓣翻模，然而，其制備的效率較低，成本較高，因此,不適合于進(jìn)行批量化的生產(chǎn)。一些研究者針對(duì)上述問題進(jìn)行了大量的研究，旨在于通過新的技術(shù)來制備微結(jié)構(gòu)柔性，在長(zhǎng)期的研究中取得了較多的成果。Kou H R等人[12]在柔性基底中添加一定量石墨烯，由此得到的傳感器不僅響應(yīng)速率快，同時(shí)具備了較高的穩(wěn)定性，可用于多種環(huán)境條件下。陳楚奕[13]在研究過程中設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)范圍較大的植物可穿戴莖流傳感器。雖然上述傳感器可用于壓力檢測(cè)，但是依然存在明顯的問題，即靈敏度會(huì)受到壓力的影響，特別是在壓力較大時(shí)，受到接觸應(yīng)力不斷積累的影響，最終會(huì)降低檢測(cè)的靈敏度，難以保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文對(duì)柔性壓阻式壓力傳感器進(jìn)行深入的分析，設(shè)計(jì)了一種新型制備方法，在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底中復(fù)制仿生白果葉表面微結(jié)構(gòu)，為針對(duì)該傳感器的應(yīng)用效果進(jìn)行了測(cè)試分析，通過對(duì)手指等部位的姿態(tài)檢測(cè)，驗(yàn)證了其檢測(cè)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，具備了較高的實(shí)用價(jià)值。

1 傳感器制作與表征

1.1 傳感器制備

首先，取適量白果葉，并對(duì)其洗滌、干燥處理；按照10︰1的比例混合PDMS前體、固化劑，并取適量置于葉片中；接著，進(jìn)行加熱處理，時(shí)間和溫度分別為1 h，85 ℃；然后，通過剝離獲得負(fù)PDMS模具，再濺射銅(厚度100 nm)，添加先前得到的混合物，經(jīng)歷固化、剝離后即可得到所需的PDMS膜，此時(shí)涂覆石墨烯油墨，依次設(shè)置轉(zhuǎn)速為600，2 800 r/s，時(shí)間分別為10，25 s；修剪為矩形(2.5 cm×2.5 cm)之后，制作成電極，在此基礎(chǔ)上即可制備得到所需要的壓力傳感器。

1.2 傳感器表面形貌表征

首先對(duì)傳感器的表面形貌進(jìn)行表征，表征的結(jié)果如圖1。圖1(a)表明，白果葉表現(xiàn)為典型的平行脈結(jié)構(gòu)，以線條形的細(xì)胞為主，而且具有規(guī)則的排列方式。圖1(b)展示了高倍率下的形貌特征，可知，細(xì)胞形態(tài)以及尺寸存在顯著的差異性，包括葫蘆狀、膠囊狀等，可見不同的凸起結(jié)構(gòu)存在。根據(jù)圖1(c)可知，PDMS對(duì)于白果葉微結(jié)構(gòu)的復(fù)刻效果較好，平滑度相對(duì)較高。圖1(d)展示了涂覆石墨烯油墨后的效果，涂覆效果總體較好，均勻性較高。

圖1 傳感器表面形貌表征

2 傳感器響應(yīng)特性探究與應(yīng)用

2.1 傳感器響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)過程中先設(shè)定合適的初始狀態(tài)，將1 cm2硅片置于傳感器上方位置，接著開始進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，在壓強(qiáng)分別為0.4，3，8，14，25 kPa的情況下，I-V曲線始終表現(xiàn)出線性變化特征。另外，曲線斜率和壓強(qiáng)表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性，由此可以認(rèn)為電阻和壓強(qiáng)之間表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

圖2 傳感器在不同壓強(qiáng)下的I-V特性曲線

針對(duì)不同壓強(qiáng)下的傳感器電學(xué)響應(yīng)特性測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知，在傳感器中加載紅豆(12.8 Pa，0.226 5 g)的電流變化總體穩(wěn)定，同時(shí)，波形也沒有出現(xiàn)顯著變化，所以可以認(rèn)為該傳感器對(duì)于小目標(biāo)的識(shí)別效果較好。而傳感器電阻變化率(ΔR/R)，結(jié)合圖中的信息可知，在壓強(qiáng)變化時(shí)，電阻變化率表現(xiàn)出不同的變化特征，其中，處于12.8 Pa～25 kPa范圍內(nèi)時(shí)二者表現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)性。針對(duì)靈敏度S進(jìn)行表征，即根據(jù)電阻變化率和壓強(qiáng)之間的比值進(jìn)行計(jì)算，具體可以表示為S=(ΔR/R)/p。其中，p為壓強(qiáng)，ΔR/R為電阻變化率。根據(jù)上式可知，對(duì)于有、無白果葉微結(jié)構(gòu)的傳感器而言，在靈敏度上存在顯著的差異性，二者分別為1.77，0.98 kPa-1，對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)范圍均為12.8 Pa～25 kPa，可見前者具備了更高的靈敏度，由此可以得到,石墨烯/PDMS傳感器(有白果葉微結(jié)構(gòu))在性能上具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

圖3 傳感器在不同壓強(qiáng)下的電學(xué)響應(yīng)特性

由圖4可知，在壓強(qiáng)改變的情況下，傳感器電流變化量表現(xiàn)出顯著的臺(tái)階特性，而且這種特性與壓強(qiáng)大小直接相關(guān)，二者表現(xiàn)出一定的正相關(guān)性，即電流變化量隨著壓強(qiáng)的增大而變大。進(jìn)行循環(huán)加載穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，總計(jì)次數(shù)為1 800，設(shè)置壓強(qiáng)為4 kPa，結(jié)果如圖5所示，在開始以及后期的波形總體是吻合的，由此驗(yàn)證了其具備了較高的穩(wěn)定性。

圖4 傳感器在不同壓強(qiáng)下的臺(tái)階特性

圖5 傳感器穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

針對(duì)傳感器的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，置于特定的壓強(qiáng)條件下進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試的變化特性曲線如圖6所示。傳感器響應(yīng)時(shí)間基本為26 ms，推測(cè)壓力作用到PDMS產(chǎn)生形變時(shí)間為26 ms。

圖6 傳感器的響應(yīng)時(shí)間

2.2 傳感器應(yīng)用

本文針對(duì)手指彎曲特性監(jiān)測(cè)，在關(guān)節(jié)位置粘附傳感器電極，由此得到的響應(yīng)結(jié)果如圖7(a)所示。在手指沒有彎曲時(shí)，電流變化量基本等于零；而在彎曲的情況下，則表現(xiàn)出較大的電流變化量，進(jìn)一步測(cè)試發(fā)現(xiàn)電流變化量和彎曲程度之間表現(xiàn)為正相關(guān)的關(guān)系，在多次測(cè)試時(shí)得到的波形保持了較高的穩(wěn)定性。圖7(b)展示了傳感器在手腕彎曲的響應(yīng)輸出，可見相對(duì)于圖7(a)的結(jié)果總體是吻合的，但是，由于手腕可以達(dá)到更高的彎曲程度，因此，對(duì)應(yīng)著更大的電流變化量。

圖7 傳感器實(shí)際應(yīng)用測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該傳感器的靈敏度較高，響應(yīng)速率快，穩(wěn)定性強(qiáng)，檢測(cè)范圍大，體現(xiàn)出較高的適用性。另外，針對(duì)該傳感器的壓力監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行了測(cè)試，置于人體手腕和手指2個(gè)位置，發(fā)現(xiàn)在這些部位彎曲時(shí)，電流變化量同樣改變，總體表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系，由此驗(yàn)證了該傳感器對(duì)人體姿態(tài)變化的監(jiān)測(cè)效果，適合于應(yīng)用到各種可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)中，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。