柔性陣列式壓力傳感器的制備研究*

劉雙斌, 秦會斌

(杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所,浙江 杭州 310018)

0 引 言

傳感器作為各種設(shè)備感知外界環(huán)境的重要工具,充當(dāng)著設(shè)備的“眼”、“耳”、“鼻”和“皮膚”。壓力傳感器作為傳感器家族的一支,充當(dāng)著不可替代的角色。隨著各種設(shè)備的智能化,對外感知能力的要求越來越高,不僅僅需要感知壓力的大小,還需要感知壓力的施加位置和分布范圍,同時(shí)壓力傳感器的附著面也不再僅僅限制于平整規(guī)律的物體表面。因此,需要一種不僅可以檢測點(diǎn)壓力、區(qū)域壓力分布,還可適應(yīng)不同附著表面的柔性壓力傳感器[1～3]。

近年來,柔性陣列式壓力傳感器得到人們的關(guān)注,并對其進(jìn)行了相關(guān)研究。盧凱[2]制備了三明治結(jié)構(gòu)的壓電陣列傳感器,敏感層為聚偏氟乙烯和三氟乙烯共聚物壓電薄膜,在壓電層表面通過光刻工藝制備了表面鋁電極陣列,該傳感器為4×4傳感器陣列,電極尺寸為1.4 mm×1.4 mm,力電性能良好。張帥等人[3]設(shè)計(jì)了一種壓電式陣列傳感器用來對羽毛球從不同高度落下時(shí)擊打的位置和打擊力度的大小進(jìn)行檢測,該傳感器壓電層采用無紡布涂布分散于N—甲基吡咯烷酮的PVDF溶液,具有良好的線性度。郭士杰等人[4]采用帶狀導(dǎo)電布作為上下電極,交叉垂直分布制作了電容式陣列式傳感器,傳感器大小為500 mm×500 mm,32像素×32像素,單個(gè)傳感單元尺寸為15 mm2,在0～70 kPa范圍內(nèi)線性度較好。Pand C等人[5]采用醫(yī)用膠帶為上級板材料,制備了微結(jié)構(gòu)化陣列在傳感器下級板,極大提高了傳感器分辨率和靈敏度。在柔性壓力傳感器的陣列化研究方面已經(jīng)取得的一定的研究成果,尤其是傳感單元的微結(jié)構(gòu)化,但是普遍存在著制備工藝復(fù)雜、尺寸過大、集成度較低、陣列封裝困難以及可拼接性差等問題。

本文提出了一種十字交叉型陣列式柔性壓力傳感器,壓敏層制備時(shí)使用納米(nm)級的乙炔炭黑和鍍銀玻璃微球混合填充[6]絕緣硅橡膠,電極陣列采用單面鍍鋁的聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜(PET/AL)進(jìn)行圖形化處理獲得。此外,為便于測試應(yīng)用,設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的測試系統(tǒng)。

1 傳感器設(shè)計(jì)

柔性陣列式壓力傳感器采用電極—壓敏層—電極的“三明治”結(jié)構(gòu)。選用導(dǎo)電性能優(yōu)異的鋁薄膜作為電極材料,選用耐摩擦、耐多數(shù)有機(jī)溶劑，廣泛應(yīng)用于包裝領(lǐng)域的PET作為傳感器的封裝保護(hù)層。選用低壓縮永久變形、彈性強(qiáng)的雙組份室溫硫化硅橡膠作為絕緣柔性基體,在基體中填充導(dǎo)電填料制得柔性壓敏層。

1.1 電極陣列設(shè)計(jì)

電極陣列采用如圖1所示的共行/列結(jié)構(gòu),上下電極呈十字交叉形式封裝。這種形式的電極,選擇相應(yīng)的行和列即可獲取相對應(yīng)的陣列點(diǎn)信號,省去了大量電極引線。為便于后續(xù)的電氣連接,使后續(xù)的電氣連接牢固且易插拔,電極引線設(shè)計(jì)成了適應(yīng)于線間距0.5 mm，線寬0.35 mm的FPC插座規(guī)格的接口。

圖1 電極陣列結(jié)構(gòu)

電極陣列的制備工藝方面選擇采用了絲網(wǎng)印刷[7]、酸刻蝕工藝,基本制備流程如圖2所示。PET/AL薄膜僅為20 μm,本身柔韌性較好,絲網(wǎng)印刷時(shí)需尋找平整且兼具粘結(jié)力的薄膜支撐體。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)采用783溶劑擦拭后,鍍有RAL7032卵石灰面漆的金屬板表面具備粘結(jié)性,可作為PET/AL薄膜支撐體。電極陣列的具體制備過程如下:

圖2 電極陣列制備流程

1)備片時(shí)將薄膜貼附在擦試過783溶劑的金屬板上；

2)采用制備好的具有圖1所示陣列結(jié)構(gòu)孔的絲印網(wǎng)版,印刷油性油墨到薄膜的鋁箔面；

3)配置合適濃度的稀鹽酸,刻蝕掉裸露在外的鋁箔；

4)首先用清水沖洗干凈鋁箔上的鹽酸,再用酒精清洗液,清洗油性油墨,最后用清水洗凈并干燥處理；

5)將刻蝕好的PET基鋁電極從金屬板支撐體剝離即得陣列式電極。

1.2 壓敏層導(dǎo)電橡膠制備與測試

實(shí)驗(yàn)材料和儀器:CXD—SG30S15型鍍銀玻璃微球,107室溫硫化硅橡膠,納米乙炔炭黑,氣相硅,硅烷偶聯(lián)劑KH560,TMG216二月硅酸二辛基錫,正己烷；電子天平,超聲波分散儀,機(jī)械攪拌器,KTQ—II可調(diào)式涂膜器、LCR數(shù)字電橋、拉壓力試驗(yàn)臺。

采用機(jī)械共混法制備壓敏層的工藝流程如下:首先稱取占硅橡膠質(zhì)量12 %的鍍銀玻璃微球至正己烷溶劑中,機(jī)械攪拌3 min,稱取5 %的乙炔炭黑混合攪拌10 min,超聲波分散20 min后待用,記為A。然后稱取適量硅橡膠,添加正己烷低速攪拌2 min至均勻,添加硅烷偶聯(lián)劑機(jī)械攪拌5 min后待用,記為B。待A溶液冷卻后補(bǔ)足正己烷并攪拌2 min,添加1.5 %的納米氣相硅,繼續(xù)攪拌5 min至混合均勻。添加B溶液至A中低速攪拌10 min至均勻,添加TMG216硫化劑、交聯(lián)劑,再次充分?jǐn)嚢?5 min得到待涂膜膠液。最后涂膜器設(shè)置為0.5 mm進(jìn)行涂膜,室溫放置一段時(shí)間使其自然固化完成,得到壓敏層試樣。

用數(shù)字電橋和拉壓力試驗(yàn)臺對制備的壓敏層進(jìn)行壓阻和弛豫時(shí)間測試[8～10],結(jié)果如圖3所示。圖3(a)可以看出,隨著壓力增大,傳感器靈敏度[11]逐漸下降,在5 N范圍內(nèi)壓阻性能較好,壓力達(dá)到7N時(shí)仍表現(xiàn)出一定的負(fù)壓阻特性。圖3(b)為施加恒定的壓力下,連續(xù)重復(fù)7次實(shí)驗(yàn)對電阻值隨時(shí)間的變化曲線的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,可以看出連續(xù)7次實(shí)驗(yàn)阻值均穩(wěn)定在2 kΩ左右,可重復(fù)性較好,連續(xù)6次施加恒定的力,電阻穩(wěn)定時(shí)間在2 s左右。

圖3 壓阻性能和弛豫時(shí)間測試

1.3 傳感器封裝

陣列式壓力傳感器的封裝效果的好壞直接影響著傳感器的壓阻性能。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了圖4所示的封裝方式。圖中的壓敏傳感單元組裝到柔性雙面膠中形成中間壓敏層,然后與上下電極通過雙面膠粘貼封裝。

圖4 陣列式傳感器封裝

為了便于對雙面膠進(jìn)行圖形化設(shè)計(jì),采用了雙面帶離型紙的雙面膠。具體封裝過程如下:首先在制備的壓敏層薄膜上用直徑3 mm的打孔器打孔,獲得所需的壓敏圓形墊片；其次用打孔器在雙面膠上按電極陣列打孔,獲得圖形化的雙面膠；然后撕掉雙面膠的離型紙對準(zhǔn)PET/AL電極陣列粘貼牢固,并用鑷子將壓敏圓片組裝到圖形化的雙面膠圓孔中；最后撕掉離型膜,將上電極與下電極呈90°對準(zhǔn)粘貼,傳感器陣列封裝完成。

采用PET基鋁箔制備的電極陣列,電極與PET薄膜貼附牢固,較大程度上避免了傳感器陣列變形過大造成的電極損壞,同時(shí)電極表面覆蓋的PET薄膜性能優(yōu)異,起到保護(hù)電極的作用。采用這種方式進(jìn)行封裝,圖形化定制的雙面膠不僅起到粘接上下電極和中間敏感層的作用,而且阻隔了敏感單元之間相互干擾。

1.4 陣列式傳感器系統(tǒng)測試

本文中制備的柔性壓力傳感器陣列有10×10共100個(gè)陣列單元,若想要快速獲取傳感器上施加力的大小和位置,必須快速掃描讀取到每一個(gè)陣列點(diǎn)的電阻信號。經(jīng)過綜合分析,本文設(shè)計(jì)并采用了圖5所示的陣列信號檢測系統(tǒng)。

圖5 陣列檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖5中的行列信號多路模擬開關(guān)均為采用兩片CD4051BE八選一多路模擬開關(guān),并通過非門74HC04搭建成的十選一多路模擬開關(guān)。主控采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VET6微處理器,其豐富的庫函數(shù)和硬件資源可以在很大程度上縮短開發(fā)周期。多路模擬開關(guān)的多路選擇信號連接至STM32主控IO口,編程控制IO端口的電平高低來控制模擬開關(guān)的通斷,進(jìn)而完成傳感器陣列的逐行逐列掃描,并將各個(gè)陣列點(diǎn)的信號模擬輸入主控,完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后存儲。當(dāng)完成整個(gè)陣列點(diǎn)的掃描后,通過UART串口將存儲的數(shù)據(jù)順序傳送至PC端。

PC端基于LabVIEW設(shè)計(jì)了用于數(shù)據(jù)接收和分析的上位機(jī)系統(tǒng)。在該上位機(jī)中對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)組存儲、字符串至十進(jìn)制轉(zhuǎn)化等處理后,采用便于讀取的強(qiáng)度圖和三維柱狀圖兩種方式進(jìn)行測試結(jié)果顯示。

圖6為陣列式傳感器信號測試實(shí)驗(yàn),將陣列式壓力傳感器與硬件測試電路連接,并在傳感器上放至一個(gè)打孔棒,通過測試系統(tǒng)對其壓力大小和壓力分布進(jìn)行測試。測試實(shí)驗(yàn)中,以200 ms的時(shí)間間隔對所有陣列點(diǎn)進(jìn)行一次重復(fù)掃描。實(shí)驗(yàn)表明,制備出的陣列式壓力傳感器可以較好地與測試系統(tǒng)配合完成施加壓力大小和位置的檢測。

圖6 陣列式傳感器信號測試實(shí)驗(yàn)

2 結(jié)束語

1)相對于在柔性基體上印刷銀漿等導(dǎo)電材料制得的電極材料,單面鍍鋁PET/AL鋁箔作為柔性電極材料,制備工藝更加簡單且電極材料與柔性基體粘接更加牢固,可以承受更大范圍的變形。

2)在壓敏層導(dǎo)電橡膠的制備過程中,采用了納米乙炔炭黑和鍍銀玻璃微球作為導(dǎo)電填料。其中,鍍銀玻璃微球的密度介于金屬系填料和炭黑之間,充分結(jié)合了金屬系和碳系填料各自的優(yōu)勢。填充納米氣相硅,改善壓敏導(dǎo)電橡膠的弛豫時(shí)間,使弛豫時(shí)間降到了2 s左右。

3)采用共行/列的電極陣列設(shè)計(jì),減少了電極引線；設(shè)計(jì)了兼容0.5mm間距FPC插座標(biāo)準(zhǔn)的電極引線接口,傳感器的電氣連接變得更加牢固且簡單。

4)圖形化定制柔性雙面膠,既可以作為粘接上下電極和中間敏感層的粘合劑,也可以作為中間壓敏單元的絕緣隔膜,隔絕相互干擾。

5)基于LabVIEW及相關(guān)軟、硬件搭建了陣列式傳感器信號測試系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)傳感器施壓信號的大小和位置的快速檢測。