楊云鵬, 張 婕

(江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122)

0 引 言

近年來,柔性壓力傳感器由于能貼附于各種不規(guī)則物體表面,在醫(yī)療健康、智能機(jī)器人和人機(jī)交互界面等領(lǐng)域前景廣闊[1]。柔性壓力傳感器根據(jù)各種傳感原理,可分為電阻式[2～8]、電容式[9～15]、壓電式[16,17]和摩擦電式[18],其中，接觸電阻式柔性壓力傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單且信號(hào)處理容易而得到了廣泛的關(guān)注。制備這類傳感器的通常做法是在注塑成型的微結(jié)構(gòu)聚合物表面生長或者沉積一層導(dǎo)電材料。當(dāng)單層具有表面微結(jié)構(gòu)的電極與平面電極接觸或者雙層具有表面微結(jié)構(gòu)的電極相互接觸時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)接觸電阻,該接觸電阻與外界加載壓力強(qiáng)度相關(guān),隨著壓力的不斷加載,上下電極之間的微結(jié)構(gòu)發(fā)生形變,使實(shí)際接觸面積隨著壓力而增加,接觸電阻不斷減小,從而輸出響應(yīng)信號(hào)。基于此原理,近年來一些研究中制備了各種性能優(yōu)異的柔性壓力傳感器,比如Tang X等人[2]在表面具有微米突觸結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜表面層層組裝還原氧化石墨烯(rGO)制備微結(jié)構(gòu)化柔性電極,后與單面叉指電極組裝,制備了柔性壓力傳感器,器件具有高靈敏度,可檢測到的昆蟲(105 mg)的爬動(dòng),但rGO導(dǎo)電層制備工藝復(fù)雜,且需要在肼蒸汽中還原,具有一定的危險(xiǎn)性。汪俊[9]在具有微金字塔結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜表面先蒸鍍一層6 nm的鈦(Ti),再蒸鍍一層50 nm金(Au)來制備結(jié)構(gòu)化柔性電極,后組裝為柔性壓力傳感器,器件同樣具有高靈敏度,但此工藝依舊比較復(fù)雜,且金屬電極薄膜在測試過程中出現(xiàn)裂紋和脫落的現(xiàn)象。因此,實(shí)現(xiàn)工藝簡單、成本低廉的方式制備微結(jié)構(gòu)化柔性電極的方法還需進(jìn)一步研究。

本文采用濕法制膜的方式將導(dǎo)電材料嵌合在PDMS薄膜表面,制備了具有微結(jié)構(gòu)的PDMS柔性導(dǎo)電薄膜,并通過面對(duì)面組裝的方式完成了柔性壓力傳感器的制備；同時(shí)對(duì)比了不同導(dǎo)電材料和不同成膜方式對(duì)導(dǎo)電薄膜以及傳感器性能的影響。結(jié)果表明：表面嵌入導(dǎo)電材料的柔性導(dǎo)電薄膜性能更加穩(wěn)定,在多次試驗(yàn)后,未出現(xiàn)裂紋或脫落的現(xiàn)象；制備的傳感器在0～1 kPa范圍內(nèi)，具有高靈敏度(0.34 kPa-1)和快速響應(yīng)(<200 ms)。有望應(yīng)用于柔性機(jī)器人觸覺和人機(jī)交互界面等領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：水性砂紙(#60,美耐特)；PDMS(SYLGARD184,美國道康寧)；多壁碳納米管(multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs)分散液(TNAPM—M8,中科時(shí)代納米)；PEDOT︰PSS墨水(ORGACON EL—P 3040,Agfa-Gevaert Ltd)。

表征儀器：超景深3D顯微鏡(KEYENCE,VK—X1000)；測力計(jì)(樂清市艾德堡儀器有限公司,HP—200)；程控移動(dòng)升降臺(tái)(北京北光世紀(jì)儀器有限公司,MVS313)；LCR測試儀(HIOKI,IM3536)。

1.2 微結(jié)構(gòu)PDMS導(dǎo)電薄膜制備

圖1左側(cè)為微結(jié)構(gòu)化PDMS導(dǎo)電薄膜的制備流程示意圖。其中,砂紙具有高斯隨機(jī)分布的表面形貌[4],將型號(hào)#60的水性砂紙貼附在玻璃片上,作為本文制備微結(jié)構(gòu)的模板；然后,將PDMS的A,B組分按10︰1的比例混和,機(jī)械攪拌30 min,真空脫泡處理30 min；使用勻膠機(jī)(轉(zhuǎn)速500 rpm,加速度200 rpm/s,時(shí)間30 s)將PDMS旋涂在砂紙表面,放入真空烘箱中脫泡處理10 min,70 ℃固化2 h,此過程重復(fù)2次以增加PDMS膜厚；最后，將PDMS薄膜從砂紙表面剝離,獲得一次倒模的表面結(jié)構(gòu)化的PDMS柔性薄膜。

圖1 PDMS導(dǎo)電薄膜制備流程和傳感器組裝示意

為了對(duì)比不同導(dǎo)電材料與聚合物基體的界面結(jié)合性能以及對(duì)傳感器性能的影響,分別將MWCNTs分散液和PEDOT︰PSS墨水旋涂在經(jīng)過紫外臭氧處理的1—PDMS表面(1 000 rpm,加速度300 rpm/s,時(shí)間30 s),放入烘箱70 ℃固化30 min,分別獲得具有不同導(dǎo)電涂層的表面微結(jié)構(gòu)化的柔性導(dǎo)電薄膜(1—PDMS)。

為了對(duì)比表面旋涂或表面嵌入導(dǎo)電材料的導(dǎo)電薄膜的界面結(jié)合性能以及對(duì)傳感器性能的影響,以表面旋涂MWCNTs的1—PDMS薄膜為模板,再次倒模。這樣首次旋涂在1—PDMS表面的MWCNTs便嵌合在第二次旋涂的PDMS薄膜表面,揭膜后獲得表面嵌入MWCNTs的柔性導(dǎo)電薄膜(2—PDMS)。

1.3 接觸電阻式柔性壓力傳感器組裝

圖1中部為接觸電阻式柔性壓力傳感器組裝示意。為了對(duì)比不同導(dǎo)電材料和不同成膜方式的柔性電極對(duì)傳感器性能的影響,分別將表面旋涂MWCNTs的1—PDMS(Sample1)、表面旋涂PEDOT︰PSS的1—PDMS(Sample2)和表面嵌入MWCNTs的2—PDMS(Sample3)裁剪成2.5 cm×2.5 cm的微結(jié)構(gòu)化柔性電極,之后面對(duì)面組裝成柔性壓力傳感器(Sensor1,Sensor2,Sensor3)。為確保傳感器不受外界環(huán)境的干擾,采用導(dǎo)電銀漿將銅導(dǎo)線粘接在柔性電極上,作為電極引出線,最后在5 cm×5 cm的PDMS薄膜表面涂布液態(tài)PDMS,利用PDMS自身的粘附力對(duì)整只傳感器進(jìn)行封裝。如圖2 所示,傳感器的總厚度約1.5 mm,且具有高度柔韌性。

圖2 接觸電阻式柔性壓力傳感器實(shí)物

2 結(jié)果與討論

2.1 PDMS導(dǎo)電薄膜性能表征

PDMS導(dǎo)電薄膜的表面形貌和界面結(jié)合穩(wěn)定性會(huì)對(duì)傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性等性能產(chǎn)生影響,因此，分別對(duì)其進(jìn)行了表征。

首先,采用超景深3D顯微鏡分別對(duì)1—PDMS薄膜和2—PDMS薄膜表面形貌進(jìn)行表征,從圖1右側(cè)3D形貌圖可看出,PDMS薄膜表面突起的平均高度達(dá)200 μm左右,成功地復(fù)制了砂紙表面形貌,且PEDOT︰PSS和MWCNTs均共形貼附在PDMS表面,并沒有掩蓋薄膜的表面形貌。

然后,對(duì)薄膜施加彎曲應(yīng)變以檢測導(dǎo)電材料和PDMS基體之間的界面結(jié)合性能。反復(fù)彎曲50次前后的薄膜如圖3(a)、圖3(b),其中,從左至右依次為Sample1,Sample3和Sample2。Sample1表面的導(dǎo)電材料在反復(fù)彎曲后幾乎完全脫落,而Sample2和Sample3表面的導(dǎo)電材料幾乎沒有發(fā)生變化。為了進(jìn)一步表征其性能,采用超景深3D顯微鏡對(duì)導(dǎo)電材料與PDMS基體的結(jié)合界面進(jìn)行觀察,如圖3(c)和圖3(d),可看出Sample3表面的PEDOT︰PSS部分脫離基體表面而翹起,而Sample2表面的MWCNTs依然共形貼附在PDMS表面,且部分嵌入其中,形成了良好的結(jié)合界面。正是這種表面嵌合的方式保證了兩種材料的界面結(jié)合性能,這極大地提升了傳感器的使用壽命。

圖3 (a)50次彎曲前薄膜形貌;(b)50次彎曲后薄膜形貌；(c)PEDOT︰PSS與PDMS基體結(jié)合界面；(d)MWCNTs與PDMS基體結(jié)合界面

2.2 柔性壓力傳感器性能表征

柔性壓力傳感器的性能指標(biāo)主要有靈敏度,壓力響應(yīng)范圍、響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性等。為測試這些性能,自行搭建了測試平臺(tái)。測試平臺(tái)包括測力計(jì)、程控移動(dòng)平臺(tái)、LCR測試儀和計(jì)算機(jī)。測力計(jì)和程控移動(dòng)平臺(tái)在對(duì)傳感器施加壓力的過程中,由LCR記錄傳感器電阻的變化情況。

柔性壓力傳感器的靈敏度是其最主要的參數(shù),可通過以下公式計(jì)算，S=((R0-R)/R0)/ΔP。其中，R,R0和P分別為傳感器的初始電阻、實(shí)時(shí)電阻和外部壓強(qiáng)。圖4為傳感器1,2,3(Sensor1,Sensor2,Sensor3)的壓力響應(yīng)曲線,其中曲線的斜率即為傳感器在相應(yīng)區(qū)間的靈敏度。從圖4中可看出,傳感器的電阻變化量隨著外部壓強(qiáng)的增加呈增加的趨勢(shì),這是由于隨著外部壓強(qiáng)的增加,微結(jié)構(gòu)化柔性電極形變?cè)黾?上下電極接觸面積增加,接觸電阻減小。但是,當(dāng)壓力增加到一定程度時(shí),此趨勢(shì)會(huì)趨于平緩,這是因?yàn)槿嵝噪姌O表面的微結(jié)構(gòu)在變形過程中達(dá)到形變極限,導(dǎo)致傳感器電阻變化隨壓強(qiáng)呈現(xiàn)非線性增加。

圖4 3種傳感器的相對(duì)電阻變化率隨壓強(qiáng)變化的響應(yīng)曲線

經(jīng)計(jì)算,3種傳感器的靈敏度值如表1所示,可發(fā)現(xiàn)Sensor3在低壓區(qū)的靈敏度最高,為0.34 kPa-1,但在中高壓區(qū)的靈敏度明顯低于另外2種傳感器。這是因?yàn)镸WCNTs 嵌入PDMS表面與MWCNTs或PEDOT︰PSS涂附在PDMS表面均提升了PDMS薄膜表面的等效楊氏模量,但前者相當(dāng)于MWCNTs/PDMS復(fù)合材料,與純粹的導(dǎo)電材料相比,具有相對(duì)較低的楊氏模量,因此在低壓區(qū)更容易產(chǎn)生形變,但也會(huì)更快達(dá)到形變極限,這體現(xiàn)在Sensor3在低壓區(qū)具有最高的靈敏度,而在中高壓區(qū)靈敏度會(huì)低于另外2種傳感器。

表1 3種傳感器在不同壓力區(qū)間的靈敏度值

柔性壓力傳感器的響應(yīng)時(shí)間定義為傳感器在施加壓力后達(dá)到響應(yīng)值和釋放壓力后恢復(fù)初始值所需要的時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中,傳感器的響應(yīng)時(shí)間非常重要,它決定了傳感器可測量信號(hào)的頻率范圍。以Sensor3為例,圖5顯示了施加1 kPa的壓強(qiáng)時(shí),傳感器的響應(yīng)曲線。結(jié)果顯示,Sensor3的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間小于200 ms,說明制備的傳感器具有快速的響應(yīng)時(shí)間。

圖5 單次觸發(fā)時(shí)Sensor3的響應(yīng)曲線

柔性壓力傳感器的穩(wěn)定性同樣非常重要,它決定了傳感器的可重復(fù)性和壽命。圖6顯示了Sensor3在外部壓強(qiáng)為1 kPa的條件下的循環(huán)加載性能,從圖中的插圖中可看出,傳感器在整個(gè)循環(huán)過程中具有基本一致的波形,說明其具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性,同時(shí)進(jìn)一步表明了，嵌合在PDMS表面的MWCNTs與基體間形成了非常穩(wěn)定的界面連接并具有穩(wěn)定的導(dǎo)電性。

圖6 施加1 kPa的外部壓力時(shí),Sensor3的500次循環(huán)加載曲線,插圖為其中10次循環(huán)的放大圖

3 應(yīng) 用

由上文性能表征可知,傳感器在低壓區(qū)具有高靈敏度、快速的響應(yīng)時(shí)間和良好的穩(wěn)定性,加之器件本身所具有的柔韌性,使得其可共形貼附在一些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件表面,檢測細(xì)微壓力的變化。比如貼附在機(jī)器人外形表面,作為電子皮膚,感知周圍環(huán)境中的微小壓力。為證明傳感器可準(zhǔn)確快速的檢測到外部微小壓力的變化,將傳感器貼附在桌面,并用手指以一定的速率反復(fù)輕微按壓傳感器表面(圖7(b),(c))。從圖7(a)中可看出,傳感器可準(zhǔn)確的檢測到手指施加的壓力信號(hào),且信號(hào)具有高穩(wěn)定性和可重復(fù)性。因此,本文制備的傳感器在機(jī)器人觸覺或人機(jī)交互界面等領(lǐng)域?qū)?huì)有廣闊的發(fā)展前景。

圖7 (a)手指觸摸傳感器表面的響應(yīng)曲線;(b)～(d)手指觸摸示意

4 結(jié) 論

本文采用濕法制膜的方式制備了具有微觀結(jié)構(gòu)的PDMS柔性導(dǎo)電薄膜,對(duì)比了不同導(dǎo)電材料和不同成膜方式對(duì)導(dǎo)電薄膜以及傳感器性能的影響。結(jié)果表明,有機(jī)導(dǎo)電材料與無機(jī)導(dǎo)電材料相比,前者與聚合物基體之間具有更好的界面結(jié)合性能；基體表面嵌入導(dǎo)電材料與表面旋涂導(dǎo)電材料相比,前者具有更好的界面結(jié)合性能和更低的等效楊氏模量。采用表面嵌入方式制備的微結(jié)構(gòu)化導(dǎo)電薄膜組裝成的接觸電阻式柔性壓力傳感器在低壓區(qū)具有高靈敏度(0.34 kPa-1)和快速響應(yīng)(<200 ms);可準(zhǔn)確檢測到手指觸摸時(shí)的微小壓力,因此有望應(yīng)用于柔性機(jī)器人觸覺和人機(jī)交互界面等領(lǐng)域。