基于微納結構的柔性壓力傳感器設計與制備*

侯麗娟, 秦會斌, 胡煒薇, 秦 晉

(杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

目前，無線通信技術的快速發(fā)展，傳感器作為連接內(nèi)部系統(tǒng)和外界環(huán)境的重要電子器件，逐步成為研究熱點[1]。其中,壓力傳感器被廣泛應用在生物醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)、智能機器人仿生皮膚及可穿戴設備等方面[2]。隨著柔性電子技術的發(fā)展，傳感器從傳統(tǒng)的硬式壓力傳感器正逐漸發(fā)展成可進行彎曲變形的柔性壓力傳感器[3]。柔性壓力傳感器通過可植入、可穿戴的方式實時監(jiān)測醫(yī)院病人的心跳頻率、脈搏情況及血壓等身體指標參數(shù)值，所以對這些產(chǎn)品的要求不但具有安全性和準確性，還要考慮人體佩戴的舒適度，在大幅度運動下不能過度影響傳感器的性能指標[3,4]。

近年來，具有柔性特點的壓力傳感器已經(jīng)成為研究熱點，并迫切需要可以研發(fā)出成本較低且可以投入大規(guī)模使用的新型柔性壓力傳感器。文獻[5]使用碳納米管材料利用化學氣相沉積技術制備導電薄膜，并且通過導線連接制備成柔性壓力傳感器。這種方法制備出的壓力傳感器靈敏度性能較低，不能進行大規(guī)模應用。文獻[6]研發(fā)出復合材料，充分利用石墨烯和聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的附著效果，將石墨烯與碳納米管材料的復合材料制備薄膜，將該膜旋涂于PDMS膜表面上，制備后的傳感器性能明顯優(yōu)于純?nèi)嵝圆牧现苽涞膫鞲衅?。此外，通過對傳感器的介電層或?qū)щ妼舆M行微結構化處理，不但可以增加壓力傳感器的形變量，還可以比無結構化的傳感器具有更高的靈敏度，更快的響應時間[7]。目前，使用的微結構包括金字塔型[8]、微圓點型[9]、凹凸型[10]等等結構，與非結構化的相比，具有金字塔型微結構的傳感器在壓力敏感方面可以提高30倍，響應時間在毫秒(ms)時間范圍之間。

柔性傳感器的關鍵技術指標有靈敏度、響應時間、空間分辨率等，通過對柔性材料的結構和特性研究分析，熟悉傳感器的靈敏度、響應時間等特性，并且傳感器的介電層采用微結構設計可以增大彈性形變量[11]。本文通過對導電銀漿的結構特點、導電性能等分析，以導電銀漿作為傳感器的導電層，為了具有更好的相容性，采用聚對苯二甲酸乙二酯(PET)作為柔性基底，介電層選用炭黑和聚氨酯的復合材料，并加入微結構設計。從制備成本方面考慮，采用絲網(wǎng)印刷工藝將柔性材料鋪設在柔性基底上，實現(xiàn)低成本、靈敏度高，易于實現(xiàn)的柔性壓力傳感器。

1 傳感器的柔性材料

1.1 導電銀漿的材料特性

導電銀漿材料對于研發(fā)各種電子器件來說是一類很重要的功能性材料，被廣泛應用在薄膜開關、射頻識別等領域范疇，目前市場被應用最多的類型有：壓電陶瓷用導電銀漿[12]，以PET材料為主的薄膜開關[13]，柔性電路板使用的低溫導電銀漿[14]。

本文制備的柔性壓力傳感器采用低溫導電銀漿材料，主要組成成分包括銀粉、高分子有機聚合物、有機溶劑和添加劑等，將這些組成成分按照一定比例混合處理成漿液，采用印刷工藝在PET基底上貼合，最終固化成膜。導電銀漿的特性就是電性能比較穩(wěn)定，粘接強度較高，并且固化溫度相對來說較低，易于實現(xiàn)。

制備導電銀漿的過程中，主要以銀粉作為導電填料，銀粉的占比對整體導電銀漿的導電性能起關鍵性作用。在合理范圍內(nèi)，隨著銀粉的含量增大銀漿的導電性能會越強，但同時銀漿的流動性能會變差，導致整體的印刷效果不理想。所以銀粉的質(zhì)量比重需要控制在一個最佳數(shù)量值，才能使整體性能穩(wěn)定，粘接程度強。銀粉根據(jù)顆粒大小徑不同可以分為不同種類，不同類別的銀粉制備出的導電銀漿性能效果各有差異。另外，銀粉的形狀對導電銀漿的導電性能也會有影響。銀粉的形狀主要有球狀和片狀，從導電性能指標來說，由于片狀的銀粉比表面積較大，經(jīng)過印刷之后可以呈現(xiàn)層狀分布，并且顆粒之間分布緊密，所以電阻值會比較小，導電性能較好，所以,片狀銀粉最適合成為制備導電銀漿的導電填料。

1.2 復合壓敏材料

制備復合壓敏材料需要選取適當?shù)幕w材料，可以在內(nèi)部結構固定導電粒子，又可以加強復合材料的柔性、耐熱性及耐老化性等特點。

聚氨酯材料屬于嵌段聚合物，由長鏈段和斷鏈段原料聚合形成，也可分為硬段和軟段，軟段由長鏈二元醇組成，而硬段由多異氰酸酯和擴鏈劑組成，其構成會影響材料的軟硬和強度程度。導電粒子也是制備復合壓敏材料的重要部分，基體材料都是絕緣性的，填充一定量的導電粒子才能使復合材料具備導電性，填充量的多少對復合材料的導電性能有直接影響[15]。常用的碳系粒子包括炭黑、石墨、碳纖維等。這幾種材料相比而言，炭黑的優(yōu)勢更加突出，在價格成本和性質(zhì)上都具有優(yōu)勢。炭黑屬于半導體性質(zhì)材料，主要由碳組成，并包括少量的硫、氫和氧元素，電阻率較低，不但可以使聚氨酯材料具有導電性，可以加快材料之間的分散。單位體積中導電炭黑的含量越多，雖然導電性能會變好，但由于比表面積也隨之變大，表面能增大，炭黑會更容易發(fā)生團聚現(xiàn)象，所以炭黑的含量也是需要考慮的問題。通過實驗，對比炭黑在不同質(zhì)量比的情況下，與聚氨酯混合材料下檢測材料的電阻變化特點，得到的壓力與電阻的變化曲線如圖1所示。

圖1 聚氨酯炭黑壓力—電阻變化曲線

從圖1中可以看出:炭黑質(zhì)量比的增大對壓力敏感范圍并無顯著影響，電阻總體的線性度都相對比較高。由于炭黑的導電性能較高，擁有獨特的支鏈狀態(tài)，所以對基體材料的影響較小，可以選用加入量比為5 %的炭黑，使其在聚氨酯的復合壓敏材料中形成導電網(wǎng)絡。

2 微結構設計

通過研究表明，對柔性傳感器的柔性電極層或介電層進行結構化處理，可以有效提升柔性壓力傳感器的靈敏度等性能指標[16]。目前設計的傳感器微結構形狀有很多種，主要有金字塔型、微圓點型、仿生微納結構等等。在本文中設計一種新型微三棱錐體結構，通過軟件COMSOL Multiphysics對新型微三棱錐體結構和柱型結構的微結果進行仿真，選擇適合的計算求解器，通過設置參數(shù)，仿真結果如圖2所示。

圖2 微結構仿真

通過棱錐體結構與電極層接觸，在受到同等壓力作用下，帶有棱錐體結構的模型受力比較集中，能使整體復合材料的形變量變大，獲得較大的電阻變化率，使傳感器的靈敏度提高。微結構仿真實驗證實設計棱錐體微結構可以達到提高傳感器靈敏度的效果。

3 實驗過程與結果分析

3.1 實驗過程

首先需要制備導電材料—導電銀漿溶液，制備流程如圖3所示。有機溶劑采用二乙二醇乙醚酸酯和尼龍酸二甲酯，以質(zhì)量1︰1的比例混合攪拌，將有機溶劑聚酰胺材料混合溶解，使混合物顆粒充分分散。量取45 g片狀細銀粉加入到混合溶液中，經(jīng)過超聲分散機超聲處理0.5 h，使銀粉充分分布在溶液中。將獲得的漿體進行脫泡處理，排除在攪拌過程中產(chǎn)生的氣泡，防止材料不均勻。最后加入少量的稀釋劑潤濕漿液，提高粘接作用。

圖3 導電銀漿的制備過程

微結構的制備主要利用3D打印技術，將微棱錐體結構制備成相應的模具，選取PDMS材料制備微結構薄膜，因為PDMS預聚液為液體，可以任意澆鑄各種不同形狀。在制備微結構薄膜的過程中，首先用無水乙醇、去離子水將模具清洗干凈，在勻膠機上旋涂，在60 ℃的溫度下固化30 min，將薄膜從模具上剝離下來，便獲得微結構薄膜。最終的微結構薄膜圖如圖4所示。

圖4 微結構薄膜

傳感器的電極陣列制備采用絲網(wǎng)印刷工藝，PET作為柔性基底，絲網(wǎng)印刷的制定材質(zhì)可選用木框或者金屬框材質(zhì)，網(wǎng)版網(wǎng)目數(shù)選用200目，電極陣列的設計為4×4陣列，電極的陣列設計圖如圖5所示。

圖5 電極層陣列設計

在進行絲網(wǎng)印刷的過程中，首先需要檢查圖案的尺寸、細節(jié)方面是否相符。然后將PET基材放在網(wǎng)版下面作為承印物，將網(wǎng)版定位，需要保證網(wǎng)版與PET基材表面留有一定縫隙(一般為3～5 mm)。絲印網(wǎng)板采用150目的網(wǎng)孔大小，取適量導電銀漿材料放在網(wǎng)框的起始位置且在刮板的寬度范圍之內(nèi)，注意刮板和網(wǎng)版的角度盡量保持在45°～50°之間，并且要盡量保證刮板兩端力的大小均勻分布，保持勻速移動。印刷完成后抬起絲印網(wǎng)板，將PET基材上印刷的電極層進行干燥處理。

PET基材表面上導電銀漿材料干燥之后，用同樣的印刷方式印刷復合材料(即聚氨酯炭黑復合材料)，印刷后的電極層實物圖如圖6所示。

圖6 印刷電極的實物

將印刷之后的兩層電極層電極陣列點相互對應，中間層為帶有微結構設計的薄膜層，封裝成柔性壓力傳感器。封裝部分采用未固化的PDMS溶液，在電極層中間縫隙處涂一層薄薄的PDMS溶液，涂膜厚度與PET基材的厚度相當，然后將兩層電極陣列精準對齊，在室溫下固化之后完成封裝。整個傳感器的陣列結構圖如圖7所示。

圖7 傳感器陣列結構的示意

3.2 結果與分析

通過對傳感器的電極陣列點測試，壓力作用與電阻的關系，可以得到傳感器的不同陣列點的變化曲線圖，如圖8所示。

圖8 傳感器不同陣列點的電阻—壓力變化曲線

從圖8可知，傳感器電極陣列點的電阻值和壓力作用關系曲線，并對制備的柔性壓力傳感器的不同陣列點電阻值做對比實驗測試穩(wěn)定性，在測試條件相同的情況下電阻特性展示出不同的變化特點。可以看出:有微結構的傳感器，在壓力變化范圍內(nèi)，隨著壓力的增大，傳感器的電阻值呈下降趨勢變化;相對來說，不含棱錐體微結構的傳感器電阻值變化程度較緩慢。圖8分別為傳感器不同電極陣列點的檢測結果，從數(shù)據(jù)結果來看，傳感器不同陣列點電阻值與壓力變化曲線關系趨于相似，證明此傳感器的電極材料均勻性能良好，各個電極陣列點的傳感性能相同。

圖9為傳感器的電阻變化率與壓力值的變化曲線，從圖中可以看出傳感器上沒有壓力作用時，電阻值和初始電阻相等，電阻變化率為0；電阻的變化率最高達到86.758 %，通過計算得到傳感器最大靈敏度達到-0.442 6 N-1，當傳感器壓力的變化微小時，仍能檢測出電阻變化值。

圖9 電阻變化率—壓力值關系曲線

4 結 論

本文提出了一種柔性壓力傳感器的制備工藝，主要以導電銀漿作為導電材料，介質(zhì)層采用聚氨酯和炭黑的復合材料，將微結構設計加入中間層，將電極層的陣列點精準對位之后進行封裝，得到柔性壓力傳感器。通過對傳感器的性能測試并分析實驗數(shù)據(jù)結果得出：加入微結構之后，傳感器的靈敏度指標得到提升，穩(wěn)定性能較好，并且此傳感器具有柔韌性特點，制備過程中工藝簡單易于實現(xiàn)，成本較低。目前的微結構只是單一設計，對傳感器的性能提升空間具有限制，在以后的研究中，可以將幾種結構混合，對結構的分布、形狀等創(chuàng)新，開發(fā)新的微結構方案等方法提高柔性壓力傳感器的性能。