聚二甲基硅氧烷-銅膜復(fù)合電極的壓力檢測研究*

孫長飛宋涵瓊盛澤良宋永欣*

(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211170；2.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；3.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261000)

傳感器在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化和智能化進(jìn)程中發(fā)揮了重要作用[1]。近年來，隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展以及人們生活水平的提高，柔性壓力傳感器受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，成為研究熱點(diǎn)之一[2-5]。柔性傳感器在人體健康監(jiān)測、智能機(jī)器人、可穿戴電子設(shè)備和人機(jī)交互等方面[6-8]展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。

目前柔性傳感器主要有電阻式、電容式、壓電式以及摩擦起電式[9]。電阻式柔性傳感器通過在柔性基底中摻入石墨烯、碳納米管等材料可以制作較高精度以及靈敏度的柔性壓阻材料[10]，或者直接將壓敏電阻集成到柔性基底中制成壓敏元件[11]。但該方法需要外加電源，并且需要精密的電流檢測儀表，從而限制了其在電源受限或無法配置電源等場景的應(yīng)用。

電容式柔性傳感器利用壓力改變平行板電容器電容的原理實(shí)現(xiàn)壓力檢測，較為常見的柔性電容傳感器以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為介電彈性體[12]，電容的變化可以通過改變?nèi)嵝曰妆砻娴男螒B(tài)、結(jié)構(gòu)及材料等來實(shí)現(xiàn)[13-15]，在電極層和介電層表面設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)可有效提高傳感器的靈敏度[16]。此外，金屬層與PDMS層之間增加聚酰亞胺可以增強(qiáng)器件抗機(jī)械拉伸度及其電學(xué)性能的穩(wěn)定[17]。雖然電容式傳感器具有性能穩(wěn)定等特點(diǎn)[18]，但是制作工藝復(fù)雜并且需要復(fù)雜的檢測儀器。

壓電式柔性傳感器是利用壓電材料在應(yīng)力作用下產(chǎn)生極化電場，從而產(chǎn)生電壓和電流信號(hào)[19-21]。柔性壓電式通常采用壓電聚合物[22]作為壓電材料，具有耐久性好、力學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但這些壓電材料通常需要進(jìn)行極化處理，而且輸出信號(hào)的直流響應(yīng)較差[23]。

基于上述分析，從發(fā)展結(jié)構(gòu)更為簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)不同應(yīng)用場景下的壓力檢測角度出發(fā)，本文提出了一種利用柔性材料(PDMS)與金屬薄膜在壓力作用下相互摩擦進(jìn)行壓電信號(hào)轉(zhuǎn)換的方法，分析了其工作機(jī)理，實(shí)驗(yàn)研究了其壓力檢測的性能和變化規(guī)律。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

圖1示出了檢測系統(tǒng)的組成及工作原理。如圖1(a)所示，本系統(tǒng)主要由復(fù)合電極壓力傳感器、靜電計(jì)以及計(jì)算機(jī)組成。復(fù)合電極壓力傳感器自上而下分別為亞克力板(PMMA)、銅膜、PDMS和亞克力板。導(dǎo)線一端與銅膜連接，另一端與皮安表正極連接，皮安表負(fù)極接地，皮安表的輸出端與計(jì)算機(jī)相連，并通過LabView[24]程序采集和顯示檢測信號(hào)。

圖1(b)示出了該系統(tǒng)的工作原理。理論上看，任何物質(zhì)都會(huì)自發(fā)帶電，對(duì)于復(fù)合電極壓力傳感器中的PDMS和銅膜來說，由于PDMS具有較強(qiáng)的電負(fù)性，因此PDMS表面會(huì)帶有一定量的負(fù)電荷，而與之接觸的銅膜表面會(huì)相應(yīng)的帶有一定量的正電荷(q1)并具有一定的電勢(U1)，從而形成了雙電層電容(EDLC)。當(dāng)有壓力施加在復(fù)合電極上方的PMMA時(shí)，由于PDMS為柔性材料，在壓力的作用下，PDMS會(huì)和銅膜發(fā)生橫向相對(duì)移動(dòng)。根據(jù)摩擦起電原理，PDMS表面會(huì)帶有更多的負(fù)電荷，相應(yīng)的，銅片表面會(huì)帶有更多的正電荷，即會(huì)有一定量的電子從銅電極轉(zhuǎn)移到接地端，此時(shí)，銅電極的電荷和電勢分別變?yōu)閝2和U2。

圖1 檢測系統(tǒng)組成及工作原理

由于雙電層電容可表示為:

式中:q為雙電層的電荷密度，U為雙電層的電勢，ε0為真空介電常數(shù)，εi為介電層相對(duì)介電常數(shù)，λ為雙電層電容間距。對(duì)于雙電層電容，λ很小(30 nm～100 nm)且?guī)缀醪蛔?，?dāng)檢測電極的材料和尺寸一定時(shí)，該雙電層電容保持不變，銅膜表面的電勢正比于表面電荷密度。因此，當(dāng)有壓力施加在檢測電極時(shí)，由于PDMS與銅膜摩擦產(chǎn)生了更多的電荷(表面電荷密度變大)，銅膜的電勢也相應(yīng)增加，即會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的電壓脈沖信號(hào)。理論上，施加的壓力越大，PDMS的形變也越大，相應(yīng)的，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的幅值也越大。因此，通過脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)和幅值，可以判定外界壓力的變化情況，如頻率和大小等。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 材料

實(shí)驗(yàn)使用直徑為2 cm的圓柱形復(fù)合電極，其中亞克力薄片的厚度為3 mm，銅電極(AC-182000R，PYRALUX)厚度為18μm，其與PMMA接觸側(cè)表面有一層厚度為20μm的聚酰亞胺薄膜，與PDMS(Sylgard 184，Dow Corning，USA)接觸側(cè)無聚酰亞胺薄膜。

2.2 復(fù)合電極的加工

實(shí)驗(yàn)過程中使用了三種不同厚度PDMS薄膜(100μm，1 mm和1 cm)。為制備100μm厚度PDMS薄膜，首先將銅膜電極用雙面膠固定載玻片上，然后將液體PDMS與固化劑按照質(zhì)量比10∶1混合并經(jīng)抽真空1.5 h后，使用旋涂機(jī)(Specialty Coating Systems USA/G3p-8)進(jìn)行旋涂。旋涂機(jī)的轉(zhuǎn)速為800 r/min，旋涂時(shí)間50 s。然后將表面旋涂有PDMS的載玻片置于80℃的烘箱(Fisher Scientific，Pittsburgh，PA，USA/Isotemp model 280A)內(nèi)加熱1.5 h～2 h。對(duì)于厚度1 mm和1 cm的PDMS圓片，將除氣后的液態(tài)PDMS(包括固化劑)直接倒入由PMMA制成的圓筒形模具，然后置于80℃的烘箱(Fisher Scientific，Pittsburgh，PA，USA/Isotemp model 280A)內(nèi)加熱1.5 h～2 h。最后，根據(jù)圖1(a)所示復(fù)合電極的結(jié)構(gòu)組成，按順序依次放置PMMA薄片、銅膜及PDMS薄片，并用膠帶進(jìn)行固定。

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本文采用在復(fù)合電極上方放置玻璃燒杯(直徑47 mm，高60 mm)并在燒杯中加注不同體積純水的方法，來定量模擬施加在電極上壓力變化情況。實(shí)驗(yàn)過程中，主要進(jìn)行靜載荷和動(dòng)載荷兩種壓力實(shí)驗(yàn)。靜載荷實(shí)驗(yàn)是將燒杯中加入一定體積的純水后，直接置于復(fù)合電極上，然后測量系統(tǒng)電壓信號(hào)的變化情況。動(dòng)載荷實(shí)驗(yàn)是指盛有一定容積水的燒杯置于復(fù)合電極后，然后使用注射泵以不同的速率往燒杯中加注10 mL的水。最后，使用注射泵將注入燒杯中的10 mL水抽出，然后重新注入，進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。上述的實(shí)驗(yàn)均使用皮安表記錄系統(tǒng)中電壓的變化情況。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 靜載荷典型檢測信號(hào)

圖2示出了PDMS厚度為1 mm、靜載荷65 g條件下測得的典型信號(hào)圖，點(diǎn)S n表示載荷加載到檢測電極上的時(shí)刻，點(diǎn)F n表示檢測電壓開始穩(wěn)定的時(shí)刻，點(diǎn)R n表示開始撤掉載荷的時(shí)刻(下標(biāo)n代表第n次)。由圖2可以看出，系統(tǒng)施加壓力后，銅膜電極的電壓會(huì)立刻上升至一定的數(shù)值，然后電壓繼續(xù)緩慢上升；撤掉壓力后，銅膜電極的電壓急劇下降[25]。比如第一次施加壓力前，系統(tǒng)的電壓值穩(wěn)定在-3.38 V；施加載載荷后(點(diǎn)S1)，電壓立刻上升點(diǎn)F1所在處(電壓為-3.1 V)，并在此后一定時(shí)間內(nèi)緩慢上升。施加壓力電勢后急劇升高的主要原因是由于PDMS在壓力的作用下發(fā)生形變并與電極摩擦，增加了電極表面的電荷，由式(1)可知，銅膜電極的電勢會(huì)相應(yīng)升高。施加載荷后出現(xiàn)電壓緩慢上升階段(點(diǎn)R與點(diǎn)F時(shí)刻之間)則是由于PDMS在壓力作用下繼續(xù)形變?cè)斐傻摹．?dāng)撤掉載荷后，PDMS收縮導(dǎo)致其與銅膜間隙變大，從而使電極表面電荷不斷消失。

應(yīng)當(dāng)注意的是，壓力撤掉后，圖2中最低點(diǎn)電壓與未測量時(shí)并不相同，其主要原因是:和未施加壓力相比，施加壓力使PDMS與銅膜摩擦后，PDMS表面的狀態(tài)有一定的改變，導(dǎo)致表面電荷與未施加壓力前有一定的差異，從而導(dǎo)致最低點(diǎn)電壓與未測量時(shí)也有一定的差異。

圖2 連續(xù)三次施壓產(chǎn)生的典型檢測信號(hào)(65 g載荷，1 mm厚PDMS)

由于施壓后系統(tǒng)有一個(gè)非常明顯的電勢急劇上升特征階段(F n與S n時(shí)刻之間)，因此研究電壓變化量隨隨靜載荷的變化規(guī)律顯得尤為必要。圖3綜合示出了該階段的電壓變化量隨隨靜載荷的變化情況。由圖3可以明顯看出，隨施加在電極上載荷的增加，檢測信號(hào)變化量隨之變大。如當(dāng)載荷為35 g時(shí)，檢測信號(hào)的電壓變化量為0.047 V；而當(dāng)載荷增加到75 g時(shí)，檢測信號(hào)的電壓變化量增加到0.476 V。檢測信號(hào)變化量隨載荷增加而變大的主要原因是:隨著施加載荷的增加，PDMS的形變量也變大，PDMS與銅膜的摩擦距離隨之變大，摩擦過程產(chǎn)生的電荷也會(huì)越多，從而導(dǎo)致銅膜的電勢變大。由圖3還可以發(fā)現(xiàn)，檢測信號(hào)變化量隨施加的載荷是非線性變化的，這主要是由于不同載荷下摩擦產(chǎn)生的電荷不是線性變化所致。

圖3 檢測信號(hào)變化量隨靜載荷的變化關(guān)系(PDMS厚度為1 mm)

3.2 動(dòng)載荷的檢測

圖4為當(dāng)PDMS厚度為100μm，以30 mL/min的注水速率抽水10 mL時(shí)，系統(tǒng)檢測到的典型信號(hào)。注水前，燒杯中的水量為30 mL，注水后燒杯的水量為40 mL。A點(diǎn)表示開始注水的時(shí)刻，B點(diǎn)為停止注水的時(shí)刻，B點(diǎn)與A點(diǎn)間的時(shí)間代表注水持續(xù)的時(shí)間。由圖4可以看出，注水之前，系統(tǒng)的電壓處于一個(gè)穩(wěn)定值(2.682 V)，開始注水后(A點(diǎn))，電極的電壓開始上升直至停止注水(B點(diǎn)，3.107 V)，即電壓變化量為0.425 V。當(dāng)停止注水后，系統(tǒng)的電壓開始緩慢下降至C點(diǎn)(2.682 V)。C點(diǎn)至D點(diǎn)則是將燒杯內(nèi)的水位由40 mL降至30 mL過程中，信號(hào)的變化情況。

圖4 30 mL/min注水速率動(dòng)載荷實(shí)驗(yàn)信號(hào)圖(PDMS厚度100μm)

注水過程中，由于施加在復(fù)合電極上的載荷不斷增加，導(dǎo)致PDMS與銅電極持續(xù)進(jìn)行摩擦，PDMS表面電荷累積，從而導(dǎo)致銅電極的電勢持續(xù)變大。當(dāng)停止注水后，PDMS表面的電荷會(huì)隨時(shí)間不斷減少，從而導(dǎo)致銅電極的電勢逐漸降低至一個(gè)穩(wěn)定值。抽水過程中(C點(diǎn)至D點(diǎn))電極電勢的連續(xù)降低則主要是由于PDMS不斷收縮導(dǎo)致電極表面電荷不斷減少所致。將A-B段電壓信號(hào)放大可以明顯看出，連續(xù)注水過程中，電壓信號(hào)近似呈線性增加(線性相關(guān)系數(shù)(R2)為0.991)。

由于連續(xù)注水過程中存在信號(hào)幅值線性增加(電壓變化率)的特征階段(圖4中的A至B時(shí)刻之間)，圖5綜合示出了電壓變化率隨PDMS厚度以及注水速率的變化關(guān)系。由圖5可以看出，在PDMS厚度不變情況下，電壓變化率隨注水速率的增加而近似成線性增加(三條曲線的線性相關(guān)系數(shù)R2均大于0.97)。如當(dāng)PDMS厚度為1 cm，注射泵速度10 mL/min時(shí)，電壓變化率為0.056 7，而當(dāng)泵速增加至15 mL/min時(shí)，電壓變化率增加至0.0832。而當(dāng)注水速率相同時(shí)，電壓變化率隨PDMS厚度的增加而降低。此外，1 cm與1 mm的PDMS薄膜在注水速率為10 mL/min時(shí)電壓變化率較為接近，其可能的原因是:10 mL/min的注水速率較小，而1 cm與1 mm的厚度又相對(duì)較大，因此，電壓變化率差別較小。其實(shí)，從圖5可以明顯看出:在10 mL/min的注水速率下，100μm厚度薄膜的電壓變化速率明顯大于1 cm與1 mm的厚度的薄膜。

從圖5還可以看出，按照曲線變化的趨勢，1 mm的PDMS薄膜的電壓變化率最終將超過100μm的PDMS薄膜的電壓變化速率，其可能的原因?yàn)?PDMS薄膜在不同注水速率下的形變量，即銅模的摩擦量與其厚度有關(guān)，這也可以從圖5中不同厚度薄膜的曲線斜率看出。由于100μm的厚度過小，其最大形變量也較小。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同的壓力范圍，選擇合適厚度的薄膜。

圖5 電壓變化率與注水速率的相關(guān)性

上述變化規(guī)律可從能量守恒的角度來理解。根據(jù)能量守恒原理:

式中:W為外界施加給檢測電極的機(jī)械能，ΔE為復(fù)合電極增加的電能，主要包括PDMS形變?cè)黾訌椥詣菽?ΔE1)以及摩擦起電增加的電勢能(ΔE2)，即:

PDMS在壓力作用下主要發(fā)生兩種形變:橫向延展與縱向壓縮。橫向延展會(huì)增加電極的電荷量，即增加系統(tǒng)的電勢能；而縱向壓縮主要增加PDMS的彈性勢能。理論上，PDMS越厚，縱向壓縮量越大，儲(chǔ)存的彈性勢能越多，相應(yīng)的電勢能的增量越小。PDMS越薄，其橫向延展量與壓縮量的比值越大，因此系統(tǒng)電勢能增加的越多。

由于銅膜電極與PDMS可等效為一個(gè)電容器，其儲(chǔ)存的電勢能可表示為:

式中:C為PDMS-銅膜界面雙電層的電容，ΔU為雙電層電容的電勢差，即系統(tǒng)檢測到的電壓信號(hào)幅值。理論上，影響平行板電容大小的因素是極板的面積和極板間離(雙電層的厚度)，通常來說，雙電層的厚度為納米級(jí)別，可認(rèn)為保持不變，即C為常數(shù)。當(dāng)在PDMS上方施加壓力后，由于PDMS發(fā)生塑性變形，從而導(dǎo)致雙電層極板的面積發(fā)生改變(變大)，從而引起電容變化。因此，系統(tǒng)電勢能的變化越大，電壓變化量越大，即PDMS薄膜越薄，相同載荷產(chǎn)生的檢測信號(hào)幅值越大。

此外，由于摩擦產(chǎn)生的電荷不會(huì)持久的在界面存在，即隨時(shí)間的推移而逐漸緩慢消失。此外，每次施加壓力使PDMS與銅膜摩擦后，PDMS表面的狀態(tài)有一定的改變，導(dǎo)致表面的靜電荷與前一狀態(tài)有一定的差異，從而導(dǎo)致每次施加壓力前的極板電勢有所不同。因此，無法用檢測信號(hào)幅值(電勢，相對(duì)于參考電勢(零))來表征壓力變化。理論上來看，PDMS形變量相同時(shí)，摩擦產(chǎn)生的電荷量也應(yīng)相同，即檢測信號(hào)的變化量也應(yīng)相同。因此，本文建立了檢測信號(hào)的變化量和壓力變化的關(guān)系。

4 結(jié)論

本文報(bào)道了一種利用PDMS-銅膜復(fù)合電極進(jìn)行壓力檢測的方法和系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:檢測系統(tǒng)輸出電壓的變化率正比于外加壓力的變化率，輸出電壓的幅值反比于PDMS薄膜的厚度。因此，根據(jù)檢測信號(hào)的幅值以及變化率可以判定外加壓力的大小以及變化率。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低以及檢測方法簡單方便等特點(diǎn)，有望用于水下機(jī)器人、水下潛航器狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域。