一種基于離子液滴的電容式壓力傳感器的設(shè)計

賀子龍 聶寶清＊ 閆金禮 劉子豪 張哲楷 任彤

蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇蘇州 215031

0 前言

在信息技術(shù)高速發(fā)展的時代，傳統(tǒng)型壓力傳感器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)監(jiān)測[1-5]、環(huán)境保護(hù)[6]、機(jī)器人[7-8]、海洋探測和宇宙探測等領(lǐng)域。但隨著人們對測量范圍、測量精度、響應(yīng)速度、特殊應(yīng)用場景的要求不斷提高，傳統(tǒng)型壓力傳感器的發(fā)展正面臨瓶頸。為了適應(yīng)新的時代需求，研究者們通過開發(fā)柔性材料，研制新型技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)工藝，設(shè)計了多種多樣的柔性壓力傳感器，在實現(xiàn)傳感器的集成化、小型化和智能化的道路上邁出了重要一步。柔性壓力傳感器克服了剛性材料平面和人體表面曲線不匹配的問題，具有較高的透明度、極佳的貼合度、良好的柔韌性和較好的延展性，且體積小、重量輕，非常適合用于可穿戴醫(yī)療健康監(jiān)測設(shè)備，是慢性病患者以及老人、嬰兒等特殊人群的福音[9-10]。

柔性壓力傳感器可將力學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號。與基于剛性材料的傳統(tǒng)壓力傳感器不同，柔性壓力傳感器的電極層、敏感材料和基底均使用可延展、柔韌性好、貼合度高的柔性材料，在受力形變時依然可以獲得精確實時的測量結(jié)果。按照工作原理的不同，柔性壓力傳感器可以分為壓電式[11]、壓阻式[12]、電容式[13]以及其他工作形式（如光學(xué)式[14]、摩擦發(fā)電式[15-16]、有機(jī)場效應(yīng)晶體管式[17-18]等）。電容式、壓阻式、壓電式柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。 表1[19]對上述各種壓力傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。

壓電式柔性壓力傳感器的工作原理是壓電效應(yīng)，通常由壓電材料制成的薄膜和2個接觸電極組成。所謂壓電效應(yīng)，是指某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時，在它的2個相對表面上出現(xiàn)大小相等、極性相反的電荷[20]。聚偏二氟乙烯（PVDF）是一種質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐高溫、柔韌性好、制備簡單的聚合物，且在大面積重疊或受力彎曲時性能依舊優(yōu)秀，是制作壓電式柔性壓力傳感器的常用材料。此外，鈮酸鋰單晶、壓電陶瓷PZT等均是常用的壓電材料。

表1 不同工作原理的柔性壓力傳感器的比較

壓阻式柔性壓力傳感器的工作原理是壓阻效應(yīng)，通常由柔性導(dǎo)體層或半導(dǎo)體層組成的活性層與2個接觸電極組成[21]，可將外界刺激施加的壓力轉(zhuǎn)化成電阻的變化，再經(jīng)測量電路將電阻信號轉(zhuǎn)化成電壓或電流信號。柔性壓阻式壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、靈敏度高、延展性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但使用時需要配合惠斯通電橋來消除由阻熱效應(yīng)帶來的溫度漂移。壓阻式柔性傳感器的常用材料有聚乙烯基二甲氧基硅（PVMDMS）、乙烯甲基二甲氧基硅（VMDMS）、碳納米管、石墨烯和復(fù)合碳材料等。

電容式柔性壓力傳感器的工作原理是平行平板電容原理，通常由柔性電介質(zhì)和2個平行可彎曲的電極板組成，可將外界刺激施加的壓力轉(zhuǎn)化成電容的變化，再經(jīng)測量電路將電容信號轉(zhuǎn)化成電壓或電流信號。電容式柔性傳感器的常用基體有聚二甲基硅氧烷（PDMS）[22]、氧化銦錫薄膜（ITO）[23]、多壁碳納米管（MWCNT）[24]、銀納米線（Ag NWs）[25]等，常用介質(zhì)有水凝膠[26]、離子液、海綿層[27]等。

1 基于離子液的電容式壓力傳感器

1.1 基于離子液的電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的液滴式壓力傳感器利用了與平行板電容器相似的結(jié)構(gòu)，使用氧化銦錫（ITO）導(dǎo)電薄膜作為可彎曲的柔性電極，1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（C6H11N2BF4N2）離子液作為兩極板間的電介質(zhì)。

氧化銦錫（ITO）是一種N型半導(dǎo)體材料，通常由90%的In2O3和10%的SnO2混合而成，在粉末狀態(tài)時為黃色或黃綠色，在塊狀時為黃色偏灰色[28]。制備方法主要包括直流磁控濺射法、化學(xué)氣相沉積法、噴霧熱分解法和溶膠直接制備法。氧化銦錫（ITO）導(dǎo)電薄膜如圖2所示。ITO導(dǎo)電薄膜可彎曲，硬度高，易加工，具有良好的導(dǎo)電性和可見光高透光性，被廣泛應(yīng)用于制作液晶顯示器、觸摸屏、有機(jī)發(fā)光二極管、抗靜電鍍膜以及各種光學(xué)鍍膜等[29]。

1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽是在室溫下呈液態(tài)的一種熔融鹽，具有良好的電化學(xué)特性，分子式為C6H11N2BF4N2。在實驗室中，離子液體1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽可以N-甲基咪唑、溴乙烷和四氟硼酸鈉為原料，按照兩步合成法制得[30]。

電容式液滴壓力傳感器的制作流程如圖3所示，該傳感器一共有三層：第一層是電極層；第二層是具有良好的化學(xué)性質(zhì)的C6H11N2BF4N2離子液介質(zhì)層；第三層也是電極層，形狀、大小與第一層相同。首先，使用光刻機(jī)刻蝕出圓形ITO導(dǎo)電薄膜，留出一近似矩形的引腳用于引線，用鑷子揭下ITO導(dǎo)電薄膜的保護(hù)膜后，將導(dǎo)電側(cè)朝上置于實驗臺上，作為傳感器的下電極，如圖3（a）所示；然后，將由3M公司生產(chǎn)的厚度為125 μm的雙面膠刻蝕成環(huán)形，用鑷子揭下保護(hù)膜后黏貼在ITO導(dǎo)電薄膜的導(dǎo)電側(cè)，如圖3（b）中的灰色部分；接下來，在ITO導(dǎo)電薄膜的中心處滴一滴C6H11N2BF4N2離子液滴，如圖3（c）所示；最后，用鑷子揭下另一片ITO導(dǎo)電薄膜的保護(hù)膜后，將導(dǎo)電側(cè)向下壓蓋在雙面膠上，作為傳感器的上電極，注意保證2片ITO導(dǎo)電薄膜的引腳之間的夾角大于等于90°，如圖3（d）所示。完成以上步驟后，在上下電極留出的引腳上分別黏貼導(dǎo)電膠帶，在導(dǎo)電膠帶上焊接細(xì)銅絲作為引線，得到電容式液滴壓力傳感器的成品，如圖4所示。

1.2 基于離子液的電容式壓力傳感器的原理

圖5為該基于液滴的電容式壓力傳感器的傳感原理。由圖5（a）可以看出，2個涂有透明導(dǎo)電材料的銦錫氧化物膜（ITO）構(gòu)成了電容的2個極板，它們和環(huán)形雙面膠組成了一個傳感腔室，傳感腔室內(nèi)容納了一個電解質(zhì)液滴，液滴中有大量移動的離子。離子液與電極接觸后立即形成雙電層，移動電子從導(dǎo)電膜表面遷移，并從電解液中積聚反離子層。在外部機(jī)械負(fù)載的作用下，懸浮的聚合物膜和彈性隔離層發(fā)生形變，導(dǎo)致液滴-電極界面的接觸區(qū)域會發(fā)生周向膨脹（離子液滴保持體積不變），如圖5（b）所示。給定相對恒定的電荷密度，離子液滴的接觸面積發(fā)生變化將導(dǎo)致界面電容的大小發(fā)生變化[31]。

傳感腔的整體形變（包括柔性膜的彎曲和彈性隔離層的壓縮）將導(dǎo)致離子液滴-電極界面接觸面積的變化，從而導(dǎo)致電容測量值的變化。外接負(fù)載增大，離子液滴-電極界面的接觸面積則會增大，從而導(dǎo)致界面電容的增大。本文研究將此傳感器應(yīng)用在脈搏測量中，當(dāng)傳感器感受到脈搏沖擊時，下壓的距離增加，傳感器中的液滴與電極的接觸面積會增大，導(dǎo)致傳感器的電容增大。

2 電容-電壓轉(zhuǎn)換電路

為了更加直接地觀察傳感器電容的變化，需要將柔性壓力傳感器的電容值轉(zhuǎn)化成電壓信號。

差分式電容-電壓轉(zhuǎn)換電路常用于檢測電容傳感器的微小電容[32]，可有效抑制共模信號，放大差模信號。該電路原理圖如圖6所示，由2個OP37運(yùn)算放大器、傳感器電容CX、標(biāo)準(zhǔn)電容Cr、反饋電容Cf1和Cf2、反饋電阻Rf1和Rf2組成。由信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波分別經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)電容Cr和傳感器電容CX進(jìn)行放大，2個放大器的放大系數(shù)分別由標(biāo)準(zhǔn)電容Cr和傳感器電容CX與反饋電容Cf1和Cf2的比值決定。由于2個反饋電容相同，因此正弦波的放大倍數(shù)只取決于標(biāo)準(zhǔn)電容Cr和傳感器電容CX。由于2個電路結(jié)構(gòu)是完全對稱的，所以它們的漂移相同。

由運(yùn)算放大器的放大理論可以分析得到[33]，2個運(yùn)算放大器的輸出分別為：

其中，ω表示輸入正弦信號UO1(t)的頻率；RX表示傳感器中串聯(lián)在電容上的電阻。

當(dāng)ωCf1Rf1>>1和ωCf2Rf2>>1時，式（1）和式（2）變?yōu)椋?/p>

當(dāng)ωCXRX<<1時，式（4）變?yōu)椋?/p>

差分輸出電壓為：

由式（6）可知，差分輸出電壓Uout(t)和傳感器電容值CX呈線性關(guān)系。

3 實驗測試及結(jié)果分析

電容式液滴壓力傳感器可用于測量人體脈搏信號。搭建LCR測試系統(tǒng)，根據(jù)經(jīng)驗制作一批靜態(tài)初始（不加任何機(jī)械負(fù)載的情況）電容值在5～15 nF之間的柔性壓力傳感器，根據(jù)電容值的大小，從小到大編號為1～6。讓被測試者適當(dāng)調(diào)整呼吸，使脈搏強(qiáng)度調(diào)整至75次/min，依次將6個傳感器用透明玻璃片壓在人體手腕脈搏跳動明顯處，觀察確認(rèn)離子液的面積大小是否隨脈搏跳動發(fā)生變化，在觀察到明顯變化后，使用LCR測試系統(tǒng)測量此時壓力傳感器的最大電容值CMAX并記錄。令ΔC=CMAX-C0，計算在脈搏信號激勵下傳感器電容值的變化率ΔC/C0，并與C0、CMAX記錄在同一表上，如表2所示。

由表2可知，靜態(tài)初始電容值在5～15 nF的壓力傳感器靈敏度較高，在脈搏信號激勵下，傳感器電容值的變化率ΔC/C0均在40%以上。

表2 6個壓力傳感器的C0、CMAX和脈搏信號激勵下傳感器電容變化率ΔC/C0

考慮到靜態(tài)初始電容值過小的傳感器要求傳感腔內(nèi)部的液滴體積過小，在實際制作時難以操作，且靜態(tài)初始電容值過小時，傳感器的穩(wěn)定性較差。因此，綜合考慮傳感器的制作難度、穩(wěn)定性、靈敏度等因素后，選擇電容值為7.44 nF的3號柔性壓力傳感器作進(jìn)一步研究。

利用差分式電容-電壓轉(zhuǎn)換電路測試人體靜態(tài)脈搏，以0.05 s為間隔，對示波器上的電壓信號進(jìn)行取樣，共計取樣80個時間點(diǎn)，重復(fù)上述實驗過程10次。將每個時間點(diǎn)對應(yīng)的10次取樣結(jié)果先取平均數(shù)，再用MATLAB進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，電壓脈搏信號Uout呈明顯的雙峰形，最大峰峰值約為1.57 V，頻率約為1.34 Hz，脈搏約為80.39次/min，處于60～100次/min的正常脈搏強(qiáng)度范圍之內(nèi)。

在完成靜態(tài)脈搏信號測試后，繼續(xù)測試動態(tài)脈搏信號。讓被測試者進(jìn)行原地快速跑運(yùn)動，以10次/min為間隔，記錄其脈搏信號頻率從70次/min到120次/min時差分電容-電壓轉(zhuǎn)換電路輸出電壓波形的最大值與最小值（兩者之差即為該電壓輸出波形的峰峰值Uoutmax），重復(fù)上述實驗過程5次。對這5次動態(tài)測試的結(jié)果取平均值，擬合結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，差分電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓峰峰值Uoutmax與脈搏信號強(qiáng)度近似呈線性關(guān)系，擬合曲線的表達(dá)式為：

其中，x表示脈搏強(qiáng)度，單位為次/min；y表示脈搏信號對應(yīng)的輸出電壓幅度，單位為V。

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計以STM32F103ZET6為核心的控制電路，實物圖如圖9所示。差分式電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出信號Uout經(jīng)右下腳端口進(jìn)入，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）、采樣、量化后使用藍(lán)牙串口通信技術(shù)發(fā)送至電腦端。

在電腦端搭建基于Visual Studio的人機(jī)交互界面，將人機(jī)交互界面測試結(jié)果與示波器顯示的差分式電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出信號放在一起進(jìn)行比較，如圖10所示。由圖10可知，由于模擬電源和數(shù)字電源之間存在干擾，示波器觀測到的脈搏電壓信號的質(zhì)量略有下降，但仍然呈明顯的雙峰形；人機(jī)交互界面中顯示的脈搏電壓信號頻率和示波器中測得的結(jié)果基本一致，但部分信號雙峰不明顯，原因是FFT采樣時，取樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置的值偏低。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款以C6H11BF4N2離子液滴為介質(zhì)、厚度為125 μm的ITO導(dǎo)電薄膜為電極的柔性電容式壓力傳感器，利用差分式電容-電壓轉(zhuǎn)換電路成功測得具有良好雙峰特性的脈搏電壓信號，并在此基礎(chǔ)上測試了該傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性。結(jié)果表明，該傳感器制作簡單，成本低廉，具有良好的穩(wěn)定性、靈敏度、貼合度和柔韌性，適合作為柔性可穿戴設(shè)備的核心器件應(yīng)用于醫(yī)療健康監(jiān)測領(lǐng)域。未來，如何精準(zhǔn)控制柔性電容傳感器的靜態(tài)初始電容值以及如何實現(xiàn)柔性傳感器的集成化、小型化、數(shù)字化、智能化、可自供電化[34]將成為該領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，這是讓柔性可穿戴設(shè)備實現(xiàn)大規(guī)模商用的重要條件。