高靈敏度柔性電阻式壓力傳感陣列研究

周桓鋒,李俊良,馮 涵,劉 平,劉彩霞,黃 英

(合肥工業(yè)大學 電子科學與應用物理學院,安徽 合肥 230601)

具有壓力檢測功能的電子皮膚是可以模擬人體皮膚壓力感測功能的電子系統(tǒng),已被應用于人體健康監(jiān)測[1]、人體運動檢測[2]、人機交互[3]等領域。電子皮膚的壓力檢測可以通過多種物理轉換機制來實現(xiàn),包括電阻式[4-6]、電容式[7]和壓電式[8]。其中,電阻式因穩(wěn)定性好、動態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)異以及數據采集便捷等特點而受到廣泛關注。文獻[9]設計了一種基于石墨烯薄膜的電阻式電子皮膚,其傳感單元有較大的測量范圍(0～500 kPa)和良好的穩(wěn)定性,但靈敏度僅為0.04 kPa-1;文獻[10]設計了一種基于還原氧化石墨烯和高內相乳液的多孔聚合物的多層次結構傳感單元,其靈敏度可達0.21 kPa-1。

柔性電阻式電子皮膚的傳感單元一般具有較低的靈敏度,限制了電子皮膚的應用范圍。具有裂紋的電阻式應變傳感器通常具有較高的靈敏度[11-12],為解決這一問題提供了一種新思路。

本文提出一種基于炭黑/UV膠(CB/UV)層和具有裂紋的石墨烯/聚對苯乙烯磺酸鈉(GNPs/PSS)層的雙層協(xié)同導電結構的柔性電阻式應變敏感單元,該敏感單元具有應變靈敏度系數(gauge fatro,GF)高(最高能達到7 449)、遲滯低(4.42%)、響應時間快(80 ms)、穩(wěn)定性好等特點。據此,設計了具有4×4個傳感單元的壓力傳感陣列,采集的數據采用ZigBee技術傳輸。該壓力傳感陣列的數據分析測試結果表明，陣列單元具有高靈敏度(最高能達到15.23 kPa-1)，可陣列具有清楚識別壓力大小和分布的能力,可拓寬電子皮膚和可穿戴設備的應用范圍。

1 敏感單元的制備與導電機理

1.1 敏感單元的制備

所用材料如下：GNPs(純度99.5%,厚度<10 nm,直徑3～25 μm),購自合肥維貢材料技術有限公司;PSS,購自上海麥金生化有限公司;CB(粒徑30 nm),購自SPC 化學公司(瑞典);UV膠(ergo 8500,黏度1 200 mPa·s)，購自kisling公司;聚二甲基硅氧烷(PDMS) (型號為SYLGARD184)和硅橡膠(SR)(型號為GD401),購自中國四川晨光工程設計院;導電銀膠(YC-02),購自南京恒碩電子科技有限公司。

敏感單元的制備流程和制備樣品結果如圖1所示。

(1) 準備CB/UV復合材料和GNPs/PSS復合材料。在室溫下將0.06 g CB和1 g UV膠溶解在20 mL無水乙醇中,磁力攪拌1 h,從而制備CB/UV復合材料。將1 g GNPs和1 g PSS分別加入100 mL去離子水中,超聲處理30 min,在60 ℃下磁力攪拌1 h,制得GNPs/PSS復合材料。

(2) 將制備的CB/UV復合材料旋涂到PI膠帶上,然后將其在紫外燈下固化5 min,固化后將制備的GNPs/PSS復合材料通過PI膜模具涂覆在CB/UV膜上,并在60 ℃下干燥1 h。

(3) 充分干燥后,剝下底部的PI膠帶,通過拉力機以步進0.5%應變將其從0應變拉伸到5%的應變,循環(huán)拉伸50次,形成較均勻的裂紋。

(4) 在GNPs/PSS層的兩端利用導電銀漿固定并連接導線;最后,在GNPs/PSS層上覆蓋1層PDMS保護層,制得敏感單元(圖1b)。

從圖1c可以看出,在循環(huán)拉伸后,GNPs/PSS層上形成了相對整齊且均勻的裂紋。從圖1d可以看出,該敏感單元的厚度約為242 μm。

圖1 敏感單元的制備流程和制備樣品結果

1.2 敏感單元的傳感機理

拉伸前后敏感單元導電機理、裂紋寬度變化及電流密度仿真示意圖如圖2所示。圖2c中的電流密度單位為105A/m2。從圖2a可以看出:當裂紋較小時,電流從左端的電極流入,通過GNPs/PSS層后到達右端的電極;當裂紋變得較大時,裂紋將GNPs/PSS層分割成塊的情況。當電流到達裂紋時,受到阻礙的電流將流向裂紋下端的相應CB/UV層,越過裂紋后又流回GNPs/PSS層,重復這個過程直至到達右端的電極。

圖2 拉伸前后敏感單元導電機理、裂紋寬度變化及電流密度仿真示意圖

此時,CB/UV層起連接塊的作用,這確保了敏感單元在較大應變下仍然可以有效工作。

較大應變下敏感單元的應變靈敏度系數Gf計算公式為:

(1)

其中:R為敏感單元電阻;R0為敏感單元初始電阻;ρ為CB/UV層的電阻率;n為裂紋個數;ΔL1為裂紋擴大的寬度;R1為GNPs/PSS層的電阻;S為CB/UV層的橫截面積;ε為應變(圖2b)。圖2c電流的流向和分布與圖2a、圖2b保持一致,可以看出當裂紋未完全斷開時,電流主要分布在GNPs/PSS層,此時高電阻的CB/UV層對敏感單元的影響可以忽略。當裂紋完全斷開后,電流分布在GNPs/PSS層和CB/UV層,此時CB/UV層對敏感單元的影響不可忽略,敏感單元的電阻急劇增大,對GF的變化起主要作用。

1.3 敏感單元的靜態(tài)和動態(tài)特性

在拉力試驗機(T2002)中進行拉伸試驗,樣品電阻值通過直流電阻儀(TH2515)測量,敏感單元的靜動態(tài)特性測試結果如圖3所示。

由圖3a可知,隨著CB質量分數的增加,其GF會顯著下降,這歸因于CB質量分數增加導致的CB/UV層電阻迅速下降;本文選用6%質量分數的CB制備敏感單元,在6%質量分數的CB下GF在4.8%的應變內最高可達7 499。

由圖3b可知,在不同應變下敏感單元兼具有良好的伏安特性。

由圖3c可知,其遲滯較小,為4.42%。

圖3d所示為敏感單元在不同應變下5個加載卸載的相對電阻變化,顯示出在不同應變下敏感單元兼具有良好的重復性和連續(xù)性。

圖3e所示為用USB-6211數據采集卡捕獲的敏感單元的響應時間,約為80 ms。

圖3f所示為敏感單元在4%應變下循環(huán)10 000次下的相對電阻變化,可以看出其具有良好的穩(wěn)定性和重復性。

圖3 敏感單元的靜動態(tài)特性測試結果

2 傳感陣列與系統(tǒng)

2.1 壓力傳感陣列的制備

壓力傳感陣列的結構、尺寸、傳感機理及陣列樣品如圖4所示。

圖4 壓力傳感陣列的結構、尺寸、傳感機理及陣列樣品

由圖4a可知,從上到下依次為SR觸頭、敏感單元、電極、柔性PCB(FPCB)。其中SR觸頭、敏感單元、電極組成傳感單元。FPCB由MEMS工藝制備,SR觸頭由脫模工藝制備。首先,利用導電銀膠將敏感單元GNPs/PSS層一側的兩端貼裝到FPCB上,在80 ℃下干燥1 h,實現(xiàn)FPCB和敏感單元的可靠連接,形成電極且提供支持敏感單元形變的空間;然后,將SR均勻地涂覆到敏感單元CB/UV層一側,用于粘接SR觸頭,在70 ℃下固化1 h,SR觸頭主要起集中壓力和拉伸敏感單元的作用;最后利用SR對整個陣列進行封裝以保證其可靠性。

由圖4b、圖4c可知,傳感陣列由大小為1 cm×1 cm×0.96 mm的4×4個傳感單元組成,電極尺寸為1 mm×1 cm×208 μm,每個傳感單元之間的距離為5 mm,FPCB的厚度為89 μm,導電銀膠的厚度為208 μm,敏感單元的厚度為242 μm,硅橡膠觸頭的厚度為513 μm,PDMS保護層的厚度為132 μm,整個感測陣列的尺寸約為10 cm×10 cm×1.2 mm。

從圖4e可以看出,在壓力加載下,GNPs/PSS層的裂紋將會變寬。在受壓時,SR觸頭收集加載的壓力并發(fā)生彎曲形變,帶動敏感單元在導電銀膠支撐形成的空間內發(fā)生形變,進而帶動敏感單元的GNPs/PSS層拉伸,從而導致裂紋變寬,電阻變大。

2.2 電路設計

電路設計原理如圖5所示。選擇德州儀器單元(TI)生產的低功耗微控制單元CC2530作為主控制器,其支持ZigBee/IEEE 802.15.4/RF4CE協(xié)議。通過IAR開發(fā)工具編程控制16通道模擬多路選擇器(CD4067)的選通,實現(xiàn)對多路復用通道的順序掃描,并將采集到的電壓數據通過嵌入CC2530中的14 bit模數轉換器(ADC)有效采樣,并利用CC2530內置的射頻模塊將其無線傳輸到CC2530協(xié)調器上。一方面,協(xié)調器可以接收主控制器發(fā)送的無線數據,將其通過RS232串行端口傳輸到上位機中;另一方面,協(xié)調器可以接收上位機發(fā)出的控制指令,并將其通過ZigBee網絡傳輸到主控制器上,控制電路的掃描頻率和開關。多路選擇器前有1個電壓跟隨器(LM2596),用于連接輸入電壓(Vin)和行多路選擇器,以確保在掃描過程中Vin穩(wěn)定。在列上用1個跨阻放大器(OPA656)連接,用于減小地噪聲的干擾并獲取穩(wěn)定輸出電壓(Vout),計算被測電阻,計算公式為:

圖5 電路設計原理示意圖

(2)

其中:Rx,y為x行、y列的待測電阻;Rf為反饋電阻。

2.3 傳輸系統(tǒng)

上位機系統(tǒng)由LabVIEW可編程軟件設計,用于處理并顯示從下位機獲得的數據。

圖6a所示為下位機微控制器CC2530程序流程圖。在完成對電子皮膚的掃描之后,CC2530根據預定的通信協(xié)議格式打包數據,并將數據傳輸到上位機。

圖6b所示為上位機程序流程圖。當LabVIEW接收到控制器發(fā)送的新數據時,LabVIEW將解析數據包并顯示結果。

圖6 上、下位機程序流程

3 壓力傳感陣列測試

壓力傳感陣列的測量和測試結果如圖7所示。首先,通過拉力測試機(圖7a)在單個傳感單元(像素位置(3,2))上施加外部壓力。

從圖7b可以看出,壓力在0～15 kPa內靈敏度約為0.592 kPa-1,在15～22 kPa內靈敏度為4.43 kPa-1,在22～28 kPa內靈敏度約為15.23 kPa-1,可以得出該傳感單元在不同壓力區(qū)間內具有較高靈敏度。

圖7c以LabVIEW二維強度圖顯示了多個砝碼下傳感陣列的壓力分布,其中單個砝碼質量為20 g。

從圖7c可以看出,該壓力傳感陣列可以清楚地識別并記錄不同像素位上的電阻變化。其相鄰的未放置砝碼的像素位上電阻變化很小,說明傳感單元之間的串擾可以忽略不計。

從圖7d可以看出,該壓力傳感陣列具有準確顯示出抓取彎曲表面物體時壓力大小和分布的能力。

圖7 傳感單元及其陣列的壓力測試圖

4 結 論

為了解決柔性電阻式電子皮膚一般具有較低靈敏度這一問題,本文提出了一種基于CB/UV層和具有裂紋的GNPs/PSS層的具有雙層協(xié)同導電網絡結構的柔性電阻式應變敏感單元，研究了敏感單元的結構、原理和靜動態(tài)特性，據此設計了具有4×4個傳感單元的壓力傳感陣列。每個傳感單元的尺寸約為1 cm×1 cm×0.96 mm，壓力傳感陣列的尺寸約為10 cm×10 cm×1.2 mm。壓力傳感陣列測試結果表明其能清晰地顯示出壓力的分布與大小。采用該新型柔性電阻式應變敏感單元及其壓力傳感陣列可拓寬電子皮膚和可穿戴設備的應用范圍。