基于微納壓印的柔性PDMS薄膜傳感器設(shè)計(jì)

高孔超，黃 堯，吳大鳴，范曉靜，蘇逢春，許 紅

(北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

0 引言

目前，許多現(xiàn)代智能化的檢測設(shè)備已經(jīng)大量地采用了各種各樣的傳感器，面對越來越多的特殊信號(hào)和特殊環(huán)境，新型傳感器技術(shù)已向以下趨勢發(fā)展:開發(fā)新材料、新工藝和新型傳感器;實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化和智能化;實(shí)現(xiàn)傳感技術(shù)硬件系統(tǒng)與元器件的微小型化;與其他學(xué)科的交叉整合的傳感器。同時(shí)，希望傳感器還能夠具有透明、柔韌、延展、可自由彎曲甚至折疊、便于攜帶、可穿戴等特點(diǎn)。隨著柔性基質(zhì)材料的發(fā)展，滿足上述各類趨勢特點(diǎn)的柔性傳感器在此基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生。為了滿足柔性電子器件的要求，輕薄、透明、柔性和拉伸性好、絕緣耐腐蝕等性質(zhì)成為了柔性基底的關(guān)鍵指標(biāo)。在眾多柔性基底的選擇中，聚二甲基硅氧烷(PDMS)成為了人們的首選。它的優(yōu)勢包括方便易得、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、透明和熱穩(wěn)定性好等。尤其在紫外光下粘附區(qū)和非粘附區(qū)分明的特性使其表面可以很容易的粘附電子材料。

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一種性能優(yōu)異的聚合物材料，具有一定的柔軟性，可壓縮性，楊氏模量小，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，疏水性、防水性以及加工性能好等眾多優(yōu)點(diǎn)。目前PDMS薄膜已成為最具潛力的柔性基底，國內(nèi)外研究人員在PDMS薄膜方面開展了許多深入的研究工作。So H M等人通過在PDMS電極層中嵌入垂直排列的碳納米管來制備柔性壓力傳感器，該傳感器能模擬觸覺傳感，可以用在機(jī)器人的“皮膚”研究中［1］。2014年，Tee C K團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種用于壓力傳感器的微結(jié)構(gòu)電介質(zhì)，可提供出色的傳感性能［2］。其中各種不同的微結(jié)構(gòu)包括V槽、納米針［3］和線型、柱狀［4］等用以提高靈敏度。Wang等提出了基于導(dǎo)電粒子的自供電壓力傳感器矩陣，這種大面積、柔性的傳感器矩陣可以在現(xiàn)場繪制二維壓力分布，可以是靜態(tài)的，也可以是動(dòng)態(tài)的［5］。

國內(nèi)學(xué)者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備工藝和性能測試等方面對柔性PDMS傳感器也進(jìn)行了廣泛的研究。蘇州納米所的張珽團(tuán)隊(duì)利用由植物葉片做成的模具，將模具的結(jié)構(gòu)復(fù)制到柔性材料PDMS上形成了近似圓柱狀的微納米結(jié)構(gòu)，但是這不是一個(gè)可控制的來制作微結(jié)構(gòu)化的PDMS膜的工藝［6］。

傳統(tǒng)的彈性體，像PDMS，可以成為柔性傳感器的有效基底。然而，其較低的介電常數(shù)及較窄的壓縮范圍影響了材料的應(yīng)用范圍，所以開發(fā)高導(dǎo)電性能的薄膜彈性體材料應(yīng)運(yùn)而生。通常采用以下途徑來開發(fā)高性能聚合物來提高傳感器的靈敏度:利用滲流理論，添加導(dǎo)電填料、添加高密度填充顆粒和制備微結(jié)構(gòu)等3種方法。然而，普通的光刻工藝雖然能產(chǎn)生陣列型微結(jié)構(gòu)，但卻是一項(xiàng)復(fù)雜的構(gòu)圖工藝，所以急需一種簡單成本低的方法來制備微結(jié)構(gòu)。

1 PDMS微結(jié)構(gòu)柔性傳感器原理與設(shè)計(jì)

在傳感元件的表面構(gòu)筑微結(jié)構(gòu)可以有效地提高傳感器的靈敏度。當(dāng)外部壓力施加到傳感器時(shí)，將誘導(dǎo)微結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)之間的接觸面積增加，進(jìn)而導(dǎo)致器件電阻降低，可以測量的電流強(qiáng)度增加。通過結(jié)合碳纖維材料和微結(jié)構(gòu)的特性，可以提高傳感器靈敏度。

基于以上原理，設(shè)計(jì)了一種基于微結(jié)構(gòu)陣列(如圖1所示)的柔性傳感器。將碳纖維導(dǎo)電填料填充到PDMS中制備導(dǎo)電元件，并使用如圖2所示壓印機(jī)進(jìn)行倒模制備微結(jié)構(gòu)。本文制備的PDMS柔性傳感器需要將基本結(jié)構(gòu)做成帶微結(jié)構(gòu)的“L”形，如圖3所示，該結(jié)構(gòu)的工作區(qū)為較短的一邊，作為傳感部分，另一邊外接導(dǎo)線作為電極使用。圖4展示了PDMS柔性傳感器的結(jié)構(gòu)，工作區(qū)采用微結(jié)構(gòu)面對面的封裝形式，以便使傳感器的靈敏度最大化，外層使用純PDMS層封裝起到保護(hù)作用。憑借微結(jié)構(gòu)和敏感的碳纖維層，傳感器在低壓范圍(小于200 Pa)下具有超高靈敏度(－3.51 kPa－1)，以及較高的重復(fù)性。更值得注意的是，通過選擇不同參數(shù)的微觀結(jié)構(gòu)及填料分?jǐn)?shù)，可以根據(jù)不同的傳感目的調(diào)整靈敏度。

圖1 微結(jié)構(gòu)陣列

制備微結(jié)構(gòu)及傳感器的主要步驟包括:

(1)常溫下采用熔融共混的方法將聚合物基體和導(dǎo)電填料制成均相體系。先將PDMS和碳纖維用真空干燥箱在100℃下干燥1 h除濕，再按照一定配比的填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合后加入HAAKE密煉機(jī)，溫度25℃，轉(zhuǎn)速40 r/min，密煉10 min得到一個(gè)均勻混合的PDMS/短切碳纖維物料體系。

圖2 壓印機(jī)

(2)使用壓印機(jī)(如圖2所示，其中下模具帶有V槽結(jié)構(gòu))采用機(jī)械壓縮的方法對熔融狀態(tài)的聚合物均相體系進(jìn)行壓縮，將上下模具加熱至120℃，把物料放在下模板上，電機(jī)控制上模板向下進(jìn)行壓縮。自由壓縮過程是將5 mm物料壓縮到2 mm，使導(dǎo)電填料在聚合物基體中自組裝成網(wǎng)，隨后采用限域壓縮將物料從2 mm分別壓縮至試樣設(shè)定厚度，在厚度限定的空間內(nèi)對導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精密組裝，強(qiáng)制組裝完成后物料隨模具冷卻至120℃取下樣品，從而得到最終的片狀試樣。將試樣裁剪成2片標(biāo)準(zhǔn)的“L”形樣條，采用面對面的封裝形式。其中較短的部分作為傳感元件，較長的部分作為柔性導(dǎo)線。

(3)制備純PDMS層進(jìn)行封裝。將液態(tài)PDMS放入真空箱中抽真空去除氣泡，按1:1的比例加入固化劑并攪拌使其充分混合。將上下模具加熱至120℃，把物料放到下模板(不帶微結(jié)構(gòu)的模具)上，電機(jī)控制上模板向下進(jìn)行壓縮，經(jīng)適當(dāng)裁剪即可制得純PDMS層。PDMS層自身具有很好的粘附性和良好柔性，可作為傳感器的上下封裝表面。

2 PDMS柔性傳感器的性能測試

在壓力傳感器設(shè)計(jì)中，微結(jié)構(gòu)化導(dǎo)電薄膜面對面放置，以使V槽尖端之間緊密連接。工作原理如圖5所示。向器件施加1 V的恒定電壓，使得電流通過V槽尖端流到平坦基板。當(dāng)外部壓力施加到傳感器時(shí)，將誘導(dǎo)V槽結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致V槽之間的接觸面積增加。這將導(dǎo)致器件電阻降低，可以測量的電流強(qiáng)度增加。當(dāng)壓力釋放時(shí)，由于PDMS的彈性性質(zhì)，V槽結(jié)構(gòu)將恢復(fù)至其初始狀態(tài)。在測試過程中，將顯微鏡蓋玻片放置在傳感器的頂部，以便將施加的壓力均勻地分布到PDMS膜上。在該分析中選擇了填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、厚度為1 mm的帶微結(jié)構(gòu)的傳感器。

為了說明微觀結(jié)構(gòu)對壓力傳感器靈敏度(由S=δ(ΔR/R0)/δP定義，其中ΔR是施加壓力P時(shí)的電阻變化，R0是沒有施加壓力的初始電阻)的影響，采用相同方法制備不含微結(jié)構(gòu)的薄膜傳感器作為對照，如圖6所示。包含微結(jié)構(gòu)薄膜作為敏感層的傳感器的壓力響應(yīng)明顯不同于不含微結(jié)構(gòu)的薄膜傳感器。微結(jié)構(gòu)傳感器的壓力響應(yīng)曲線可分為2段:超高靈敏度－3.53 kPa－1對應(yīng)低壓值(0～200 Pa)以及高于200 Pa的飽和靈敏度。觀察2個(gè)壓力范圍之間靈敏度的明顯差異與V槽的各向異性結(jié)構(gòu)有關(guān)。在第一個(gè)范圍內(nèi)(0～200 Pa)，彈性V槽PDMS隨著壓力的加載而急劇變形，導(dǎo)致薄膜與基板之間的接觸面積迅速增加。在第二范圍(大于200 Pa)中，V槽的變形趨于飽和，使得任何額外的壓力只能引起接觸面積和阻力的微小變化。

在不含微結(jié)構(gòu)的傳感器壓力響應(yīng)曲線中可以看出，電阻隨壓力的變化比較平緩，靈敏度為－0.1 kPa－1。這意味著微結(jié)構(gòu)傳感器的靈敏度比非結(jié)構(gòu)化傳感器的靈敏度高35倍以上。差異可歸因于非結(jié)構(gòu)化傳感器的機(jī)制，其中壓力響應(yīng)主要源自PDMS片的壓縮而不是微結(jié)構(gòu)的變形。隨著壓力的施加，PDMS片的最終壓縮只會(huì)導(dǎo)致接觸面積的小幅增加，反過來，電阻的小幅下降，導(dǎo)致傳感器靈敏度降低。

圖6 帶微結(jié)構(gòu)和不帶微結(jié)構(gòu)的傳感器的靈敏度比較

這與微結(jié)構(gòu)化器件不同，其中相同的壓力會(huì)導(dǎo)致接觸面積急劇增加，從而導(dǎo)致電阻的大幅下降。因此可以看出，將微結(jié)構(gòu)結(jié)合到壓力傳感器中的PDMS薄膜可以導(dǎo)致裝置靈敏度的顯著提高。

為了使壓力傳感器設(shè)計(jì)在實(shí)踐中有效，它不僅必須具有高靈敏度，還必須具有其他有利特性，例如可靠性。為了研究感應(yīng)微小壓力的傳感器的可靠性，選擇填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、厚度為1 mm的小特征尺寸的微結(jié)構(gòu)的傳感器，在傳感器上重復(fù)施加一系列壓力，分別為5 N、10 N和15 N(如圖7所示)。當(dāng)施加相同的壓力時(shí)，沒有滯后的電流變化幾乎保持其原始水平，重復(fù)性誤差小于10%，表明傳感器的優(yōu)異可靠性檢測。

圖7 帶微結(jié)構(gòu)的傳感器對不同壓力的響應(yīng)

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于PDMS基底柔性傳感器，該傳感器可以用于測量曲面上的微小應(yīng)力。設(shè)計(jì)了柔性PDMS薄膜傳感器的實(shí)驗(yàn)制備工藝，并通過實(shí)驗(yàn)測試了傳感器的靈敏度(低壓強(qiáng)范圍內(nèi)－3.51 kPa－1)和重復(fù)性(誤差小于10%)等性能指標(biāo)。通過壓印技術(shù)制備了傳感元件和上下封裝表面，總結(jié)了柔性PDMS薄膜傳感器的制備步驟和方法，對PDMS柔性傳感器制備工藝進(jìn)行了初步的探索，可為柔性傳感器的制備提供參考。然而，柔性PDMS薄膜傳感器的實(shí)際應(yīng)用比如可穿戴設(shè)備、醫(yī)療器械等領(lǐng)域尚處于探索階段，因此還需要繼續(xù)改進(jìn)其設(shè)計(jì)方案與制備工藝。