納米炭黑/硅橡膠柔性壓力傳感器的交流特性

馮建超, 夏 巖, 梅海霞, 張 彤

(吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130012)

納米炭黑/硅橡膠柔性壓力傳感器的交流特性

馮建超, 夏 巖, 梅海霞, 張 彤

(吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130012)

在印有叉指電極的陶瓷襯底上, 制作納米炭黑/硅橡膠復(fù)合導(dǎo)電材料的壓力傳感器, 并研究該傳感器在交流驅(qū)動(dòng)下的壓敏特性.結(jié)果表明： 在1 kHz測(cè)試條件下, 該傳感器呈正壓阻效應(yīng); 隨著測(cè)試頻率的增加, 納米炭黑/硅橡膠界面處的空間電荷極化強(qiáng)度減小, 器件的正壓阻效應(yīng)減弱; 當(dāng)器件負(fù)載/卸載時(shí), 傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間均小于3 s； 當(dāng)連續(xù)加載壓力時(shí), 傳感器可分辨的壓力為0.5 N.

交流; 正壓阻效應(yīng); 頻率; 阻抗; 空間電荷極化

壓力傳感器可將敏感體受到的力(壓力、張力、拉力和應(yīng)力等)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一類物理傳感器, 其中采用金屬應(yīng)變計(jì)的測(cè)力傳感器和采用n型半導(dǎo)體芯片的擴(kuò)散型壓力傳感器在航空航天、石油化工、動(dòng)力機(jī)械和地質(zhì)地震測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛.由于該類壓力傳感器與被測(cè)物體均為剛性接觸, 因此很難滿足一些特殊應(yīng)用的需求， 如仿生智能手上的壓力傳感器要求壓敏材料具有可彎曲的柔韌性及感受力的分布和大小.聚偏氟乙烯、硅橡膠、聚酰亞胺等作為模擬各類“人工皮膚”的壓力傳感器[1-3]和具有較好的柔韌性、導(dǎo)電性及壓阻特性的炭黑/硅橡膠復(fù)合材料已引起人們廣泛關(guān)注[4-5].文獻(xiàn)[6]研究了炭黑粒徑和表觀密度對(duì)復(fù)合材料壓阻特性的影響; 文獻(xiàn)[7]研究了炭黑濃度對(duì)復(fù)合材料壓阻特性、壓縮應(yīng)力松弛和電阻蠕變等特性的影響; 文獻(xiàn)[8]研究了炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性; 文獻(xiàn)[9]研究了炭黑在硅橡膠中的分散性與硅橡膠粒徑和炭黑摻雜量間的關(guān)系.但對(duì)于在交流激勵(lì)下導(dǎo)電橡膠的壓阻特性研究較少.本文在印有碳叉指電極的陶瓷襯底上, 制作基于納米炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的壓力傳感器, 并研究壓阻器件在交流下的壓敏特性, 通過頻率對(duì)器件壓阻特性的影響、最佳頻率下器件的阻抗、電阻和電容隨壓力的變化及響應(yīng)恢復(fù)特性, 分析交流下壓敏元件的工作機(jī)理.

1 實(shí) 驗(yàn)

單組份室溫硫化硅橡膠(PDMS, 型號(hào)GD401)購于中昊晨光化工研究院, 納米SiO2購于北京王用科技有限公司, 納米導(dǎo)電炭黑(CB, 型號(hào)BP2000)購于南京先豐納米材料科技有限公司, 正己烷購于北京化工廠.

器件制作流程如下： 將一定質(zhì)量的CB和SiO2(w(CB)∶w(SiO2)=1∶2)加入正己烷中, 超聲30 min使CB和SiO2均勻分散, 再加入硅橡膠(w(CB)∶w(PDMS)=1∶40)得到混合溶液.室溫?cái)嚢? h后, 先將形成的黏稠溶液置于25 ℃真空烘箱中干燥30 min, 使正己烷快速揮發(fā), 再將導(dǎo)電橡膠涂覆于印刷碳叉指電極的Al2O3陶瓷襯底上.由于硅橡膠通過空氣中的水分反應(yīng)而固化, 真空狀態(tài)可阻止橡膠固化, 并加快正己烷揮發(fā), 因此固化后的樣品致密、均勻, 無氣泡.制備的炭黑/硅橡膠壓力傳感器如圖1(A)所示.通過數(shù)顯推拉力計(jì)(HP-50型)測(cè)試負(fù)載壓力, 采用智能LCR測(cè)量?jī)x(ZL5型)提供交流電壓并檢測(cè)電信號(hào)的變化, 測(cè)試裝置如圖1(B)所示.

圖1 壓力傳感器(A)和測(cè)試裝置(B)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of flexible pressure sensor (A) and testing device (B)

圖2 器件在不同頻率下阻抗隨壓力的變化曲線Fig.2 Relation between impedance and pressure with frequency change

2 結(jié)果與討論

2.1工作頻率

器件在不同頻率下的壓阻特性如圖2所示.由圖2可見: 在0.1～100 kHz內(nèi), 器件的壓阻效應(yīng)隨頻率的升高逐漸減弱; 當(dāng)頻率為100 kHz, 壓力為10 N時(shí), 器件的壓阻效應(yīng)較差； 當(dāng)頻率為0.1,1 kHz時(shí), 器件的正壓阻效應(yīng)較好.

頻率對(duì)器件壓阻特性的影響主要?dú)w因于介質(zhì)內(nèi)部的極化.在炭黑/硅橡膠復(fù)合材料中, 主要存在電子位移極化和空間電荷極化兩種類型, 其中電子位移極化存在于任何介質(zhì)中, 極化時(shí)間約為10-15s, 因此在測(cè)試頻率0～100 kHz內(nèi), 極化強(qiáng)度不變, 材料的相對(duì)介電常數(shù)保持不變; 空間電荷極化主要存在于非均勻介質(zhì)中, 極化時(shí)間為10-4～104s, 空間電荷極化主要發(fā)生在直流或交流低頻條件下[10].在高頻時(shí), 空間電荷極化較弱, 介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)較小.

在炭黑/硅橡膠復(fù)合材料內(nèi)部, 兩相的界面聚集一定量的空間電荷.當(dāng)測(cè)試頻率較小(小于10 kHz)時(shí), 由于空間電荷極化時(shí)間小于電場(chǎng)變化時(shí)間, 空間電荷發(fā)生極化形成一定強(qiáng)度的極化電場(chǎng), 阻礙介質(zhì)內(nèi)部載流子通過, 因此材料的阻抗較大.隨著頻率的增加, 由于空間電荷無法極化, 因此材料的極化強(qiáng)度和阻抗逐漸減小, 即器件的壓阻效應(yīng)隨頻率的增加逐漸減弱.

2.2阻抗特性

器件阻抗隨壓力的變化關(guān)系如圖3所示.由圖3可見: 隨著壓力的增加, 器件阻抗逐漸增大, 呈較好的正壓阻效應(yīng)； 在0～10 N壓力下, 器件的阻抗為11～215 kΩ; 當(dāng)縱坐標(biāo)取對(duì)數(shù)時(shí), 器件呈較好的線性.

交流下元件的阻抗包括電阻(R)和容抗(XC), 其表達(dá)式為

器件電阻和電容隨壓力的變化關(guān)系如圖4所示.由圖4可見, 在0～10 N壓力下, 器件呈正壓阻效應(yīng), 其電阻為11～210 kΩ; 器件電容隨壓力的增加逐漸減小, 呈負(fù)容敏效應(yīng).在0～10 N壓力下, 器件的電容為3 500～8 nF.

圖3 器件阻抗隨壓力的變化關(guān)系Fig.3 Curve of AC parameters vs pressure

圖4 器件電阻和電容隨壓力的變化關(guān)系Fig.4 Curves of resistance or capacitance vs pressure

圖5 導(dǎo)電橡膠敏感膜受壓前后炭黑粒子間距變化的示意圖Fig.5 Carbon black particle distances before and after pressure

電容是表征材料容納電荷本領(lǐng)的物理量, 與介電常數(shù)(ε)、基板之間距離(d)和極板面積(S)有關(guān), 其表達(dá)式為

（2）

本文使用的電極是印刷在Al2O3陶瓷襯底上的叉指狀電極, 相當(dāng)于平板電容器的電容極板, CB/PDMS復(fù)合材料作為電介質(zhì).當(dāng)器件外界壓力增加時(shí), 電容器的電容減小.由于正、負(fù)電極間的距離和面積未發(fā)生改變, 因此器件的電容僅與介電常數(shù)有關(guān), 而介電常數(shù)與材料內(nèi)部電荷的極化有關(guān).在CB/PDMS復(fù)合材料中, 炭黑硅橡膠界面的電荷在外加電場(chǎng)時(shí)發(fā)生極化[12], 外界壓力可改變CB/PDMS復(fù)合材料中影響介電常數(shù)的導(dǎo)電物質(zhì)CB粒子的排列分布, 因此器件電容隨外界壓力的變化而變化.當(dāng)復(fù)合材料受力時(shí), 若所受外力使導(dǎo)電粒子間的間距增加, 即相同電極間的電介質(zhì)減少, 則復(fù)合材料介電常數(shù)減小; 若所受外力使導(dǎo)電粒子間的間距減小, 即相同電極間的電介質(zhì)增加, 則復(fù)合材料介電常數(shù)增加.當(dāng)CB/PDMS受力時(shí), 水平方向上炭黑粒子間的間距變大, 使得電極間的電介質(zhì)減少, 材料的介電常數(shù)減小; 在垂直方向上炭黑粒子間的間距變小, 使得電極間的電介質(zhì)增加, 材料的介電常數(shù)增加.即當(dāng)外界壓力增加時(shí), 器件的電容減小, 呈負(fù)容敏效應(yīng).因此, 器件受壓時(shí)水平方向上的影響大于垂直方向的影響, 與電阻變化分析一致.

2.3響應(yīng)恢復(fù)特性

響應(yīng)恢復(fù)特性是壓力傳感器(對(duì)輸入力信號(hào)的處理速度)的一個(gè)重要參數(shù).響應(yīng)(恢復(fù))時(shí)間定義為器件阻抗達(dá)到阻抗穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間.器件在4 N壓力下的響應(yīng)和恢復(fù)特性曲線如圖6所示.由圖6可見, 器件的響應(yīng)時(shí)間為3 s, 恢復(fù)時(shí)間為2 s.靈敏度定義為一定壓力下的阻抗與初始阻抗的比值, 圖7為器件在不同壓力下的靈敏度.由圖7可見： 器件對(duì)壓力具有較好的靈敏特性, 在6～8 N壓力下, 其靈敏度為5～10; 當(dāng)連續(xù)加載壓力時(shí), 器件對(duì)不同的壓力具有較好的分辨能力, 可分辨0.5 N的壓力間隔.

器件快速的響應(yīng)特性主要?dú)w因于硅橡膠基體材料的高彈性.本文使用的硅橡膠為脫肟型RTV-1硅橡膠, 是以聚二甲基硅氧烷為主鏈的彈性體, 由Si—O鍵重復(fù)鏈接構(gòu)成, 分子鏈具有較好的柔順性[13].在負(fù)載/卸載過程中, 橡膠分子鏈與炭黑顆粒迅速發(fā)生移動(dòng), 并恢復(fù)到初始狀態(tài).

圖6 器件在4 N壓力下的響應(yīng)和恢復(fù)特性曲線Fig.6 Curve of response vs recovery under a pressure of 4 N

圖7 器件在不同壓力下的靈敏度Fig.7 Sensitivity under different pressures

綜上, 本文研究了基于納米炭黑/硅橡膠復(fù)合導(dǎo)電材料的壓力傳感器在交流下的壓敏特性.結(jié)果表明: 器件在0.1～100 kHz下呈正壓阻效應(yīng)； 隨著頻率的增加, 空間電荷極化強(qiáng)度減小, 器件的壓阻效應(yīng)減弱； 在負(fù)載/卸載過程中, 器件具有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性.

[1]韓冰, 王越, 孟繁浩, 等.基于PVDF壓電材料的壓力傳感器設(shè)計(jì) [J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)： 理學(xué)版, 2012, 50(2): 333-336.(HAN Bing, WANG Yue, MENG Fanhao, et al.Design of Pressure Sensor Based on PVDF Piezoelectric Materials [J].Journal of Jilin University: Science Edition, 2012, 50(2): 333-336.)

[2]劉瑋, 丁麗霞, 范海中.壓電功能梯度材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)材料性能的影響 [J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)： 理學(xué)版, 2006, 44(1): 15-20.(LIU Wei, DING Lixia, FAN Haizhong.Influence of Microstructural Parameters of Piezoelectric Functionally Gradient Materials on Its Physical Performance [J].Journal of Jilin University: Science Edition, 2006, 44(1): 15-20.)

[3]李茁實(shí), 張國, 李繼新, 等.聚氯乙烯/炭黑復(fù)合型泡沫導(dǎo)電高分子材料的電性能 [J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào): 理學(xué)版, 2007, 45(4): 669-672.(LI Zhuoshi, ZHANG Guo, LI Jixin, et al.Electrical Properties of PVC/CB Conductive Foam [J].Journal of Jilin University: Science Edition, 2007, 45(4): 669-672.)

[4]黃英, 劉平, 趙興, 等.壓力/溫度復(fù)合柔性觸覺傳感器用導(dǎo)電橡膠的外場(chǎng)特性 [J].高分子材料科學(xué)與工程, 2010, 26(12): 95-98.(HUANG Ying, LIU Ping, ZHAO Xing, et al.External Field Characteristics of the Conductive Rubber Used as the Multi-pressure-temperature Flexible Tactile Sensor [J].Polymer Materials Science & Engineering, 2010, 26(12): 95-98.)

[5]Mohammed H Al-Saleh, Uttandaraman Sundararaj.A Review of Vapor Grown Carbon Nanofiber/Polymer Conductive Composites [J].Carbon, 2009, 47(1): 2-22.

[6]黃英, 黃鈺, 高峰, 等.填充炭黑對(duì)柔性觸覺傳感器用導(dǎo)電硅橡膠性能的影響 [J].功能材料, 2010, 41(2): 225-231.(HUANG Ying, HUANG Yu, GAO Feng, et al.The Influence of Filled Carbon Black on the Properties of Conductive Silicon Rubber Used in Flexible Tactile Sensor [J].Journal of Functional Materials, 2010, 41(2): 225-231.)

[7]張凱, 吳菊英, 黃渝鴻, 等.碳黑用量對(duì)硅橡膠壓阻材料性能的影響 [J].電子元件與材料, 2012, 31(2): 22-25.(ZHANG Kai, WU Juying, HUANG Yuhong, et al.Effects of Carbon Black Content on the Properties of Silicone Rubber Piezoresistive Materials [J].Electronic Components and Materials, 2012, 31(2): 22-25.)

[8]Norkhairunnisa M, Azizan A, Mariatti M, et al.Thermal Stability and Electrical Behavior of Polydimethylsiloxane Nanocomposites with Carbon Nanotubes and Carbon Black Fillers [J].Journal of Composite Materials, 2012, 46(8): 903-910.

[9]Le H H, Ilisch S, Radusch H J, et al.Macro- and Microdispersion of Carbon Black in Liquid Silicone Rubbers [J].Plastics, Rubber and Composites, 2008, 37(8): 367-375.

[10]耿桂宏.材料物理與性能學(xué) [M].北京: 北京大學(xué)出版社, 2010.(GENG Guihong.Materials Physics and Performance [M].Beijing: Peking University Press, 2010.)

[11]Pijush Kanti Chattopadhyaya, Narayan C Das, Santanu Chattopadhyay.Influence of Interfacial Roughness and the Hybrid Filler Microstructures on the Properties of Ternary Elastomeric Composites [J].Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2011, 42(8): 1049-1059.

[12]譚江華, 羅文波.橡膠材料分子鏈網(wǎng)絡(luò)本構(gòu)模型的研究進(jìn)展 [J].材料導(dǎo)報(bào), 2008, 22(7): 31-34.(TAN Jianghua, LUO Wenbo.Advances in Studies on Molecular Chain-Network Based Constitutive Models of Rubber Materials [J].Materials Review, 2008, 22(7): 31-34.)

[13]Aziz T, Waters M, Jagger R.Development of a New Poly(dimethylsiloxane) Maxillofacial Prosthetic Material [J].Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 2003, 65(2): 252-261.

AlternatingCurrentCharacteristicsofFlexiblePressureSensorBasedonNano-carbonBlack/SiliconRubber

FENG Jianchao, XIA Yan, MEI Haixia, ZHANG Tong
(CollegeofElectronicScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130012,China)

A pressure sensor of nano-carbon black/silicon rubber conductive composite was fabricated on the ceramic substrate with interdigital electrodes.Piezoresistive characteristics of the sensor were investigated under alternating current drive.The results demonstrate the sensor exhibited positive piezoresistive effect at a frequency of 1 kHz.The polarization intensity of space charges on the interface between nano-carbon black and silicone rubber decreased and the positive piezoresistive effect weakened as the working frequency increased.The response time and recovery time of sensor were within 3 s in the processes of loading and unloading.The resolution of the sensor was 0.5 N in the continuous loading process.

alternating current; positive piezoresistive effect; frequency; impedance; space charge polarization

2013-11-26.

馮建超(1988—), 男, 漢族, 碩士研究生, 從事柔性壓力傳感器的研究, E-mail： 536349187@qq.com.cn.通信作者： 張 彤(1966—), 女, 漢族, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師, 從事氣體、濕度和壓力傳感器的研究, E-mail： zhangtong@jlu.edu.cn.

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(批準(zhǔn)號(hào): 20110061110041).

O59

A

1671-5489(2014)06-1311-05

10.13413/j.cnki.jdxblxb.2014.06.39

王 健)