基于微結構導電薄膜的柔性壓力傳感器*

楊云鵬, 張 婕

(江南大學 機械工程學院,江蘇 無錫 214122)

0 引 言

近年來,柔性壓力傳感器由于能貼附于各種不規(guī)則物體表面,在醫(yī)療健康、智能機器人和人機交互界面等領域前景廣闊[1]。柔性壓力傳感器根據(jù)各種傳感原理,可分為電阻式[2～8]、電容式[9～15]、壓電式[16,17]和摩擦電式[18],其中，接觸電阻式柔性壓力傳感器由于結構簡單且信號處理容易而得到了廣泛的關注。制備這類傳感器的通常做法是在注塑成型的微結構聚合物表面生長或者沉積一層導電材料。當單層具有表面微結構的電極與平面電極接觸或者雙層具有表面微結構的電極相互接觸時,會產(chǎn)生一個接觸電阻,該接觸電阻與外界加載壓力強度相關,隨著壓力的不斷加載,上下電極之間的微結構發(fā)生形變,使實際接觸面積隨著壓力而增加,接觸電阻不斷減小,從而輸出響應信號?；诖嗽?近年來一些研究中制備了各種性能優(yōu)異的柔性壓力傳感器,比如Tang X等人[2]在表面具有微米突觸結構的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜表面層層組裝還原氧化石墨烯(rGO)制備微結構化柔性電極,后與單面叉指電極組裝,制備了柔性壓力傳感器,器件具有高靈敏度,可檢測到的昆蟲(105 mg)的爬動,但rGO導電層制備工藝復雜,且需要在肼蒸汽中還原,具有一定的危險性。汪俊[9]在具有微金字塔結構的PDMS薄膜表面先蒸鍍一層6 nm的鈦(Ti),再蒸鍍一層50 nm金(Au)來制備結構化柔性電極,后組裝為柔性壓力傳感器,器件同樣具有高靈敏度,但此工藝依舊比較復雜,且金屬電極薄膜在測試過程中出現(xiàn)裂紋和脫落的現(xiàn)象。因此,實現(xiàn)工藝簡單、成本低廉的方式制備微結構化柔性電極的方法還需進一步研究。

本文采用濕法制膜的方式將導電材料嵌合在PDMS薄膜表面,制備了具有微結構的PDMS柔性導電薄膜,并通過面對面組裝的方式完成了柔性壓力傳感器的制備；同時對比了不同導電材料和不同成膜方式對導電薄膜以及傳感器性能的影響。結果表明：表面嵌入導電材料的柔性導電薄膜性能更加穩(wěn)定,在多次試驗后,未出現(xiàn)裂紋或脫落的現(xiàn)象；制備的傳感器在0～1 kPa范圍內，具有高靈敏度(0.34 kPa-1)和快速響應(<200 ms)。有望應用于柔性機器人觸覺和人機交互界面等領域。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

實驗材料：水性砂紙(#60,美耐特)；PDMS(SYLGARD184,美國道康寧)；多壁碳納米管(multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs)分散液(TNAPM—M8,中科時代納米)；PEDOT︰PSS墨水(ORGACON EL—P 3040,Agfa-Gevaert Ltd)。

表征儀器：超景深3D顯微鏡(KEYENCE,VK—X1000)；測力計(樂清市艾德堡儀器有限公司,HP—200)；程控移動升降臺(北京北光世紀儀器有限公司,MVS313)；LCR測試儀(HIOKI,IM3536)。

1.2 微結構PDMS導電薄膜制備

圖1左側為微結構化PDMS導電薄膜的制備流程示意圖。其中,砂紙具有高斯隨機分布的表面形貌[4],將型號#60的水性砂紙貼附在玻璃片上,作為本文制備微結構的模板；然后,將PDMS的A,B組分按10︰1的比例混和,機械攪拌30 min,真空脫泡處理30 min；使用勻膠機(轉速500 rpm,加速度200 rpm/s,時間30 s)將PDMS旋涂在砂紙表面,放入真空烘箱中脫泡處理10 min,70 ℃固化2 h,此過程重復2次以增加PDMS膜厚；最后，將PDMS薄膜從砂紙表面剝離,獲得一次倒模的表面結構化的PDMS柔性薄膜。

圖1 PDMS導電薄膜制備流程和傳感器組裝示意

為了對比不同導電材料與聚合物基體的界面結合性能以及對傳感器性能的影響,分別將MWCNTs分散液和PEDOT︰PSS墨水旋涂在經(jīng)過紫外臭氧處理的1—PDMS表面(1 000 rpm,加速度300 rpm/s,時間30 s),放入烘箱70 ℃固化30 min,分別獲得具有不同導電涂層的表面微結構化的柔性導電薄膜(1—PDMS)。

為了對比表面旋涂或表面嵌入導電材料的導電薄膜的界面結合性能以及對傳感器性能的影響,以表面旋涂MWCNTs的1—PDMS薄膜為模板,再次倒模。這樣首次旋涂在1—PDMS表面的MWCNTs便嵌合在第二次旋涂的PDMS薄膜表面,揭膜后獲得表面嵌入MWCNTs的柔性導電薄膜(2—PDMS)。

1.3 接觸電阻式柔性壓力傳感器組裝

圖1中部為接觸電阻式柔性壓力傳感器組裝示意。為了對比不同導電材料和不同成膜方式的柔性電極對傳感器性能的影響,分別將表面旋涂MWCNTs的1—PDMS(Sample1)、表面旋涂PEDOT︰PSS的1—PDMS(Sample2)和表面嵌入MWCNTs的2—PDMS(Sample3)裁剪成2.5 cm×2.5 cm的微結構化柔性電極,之后面對面組裝成柔性壓力傳感器(Sensor1,Sensor2,Sensor3)。為確保傳感器不受外界環(huán)境的干擾,采用導電銀漿將銅導線粘接在柔性電極上,作為電極引出線,最后在5 cm×5 cm的PDMS薄膜表面涂布液態(tài)PDMS,利用PDMS自身的粘附力對整只傳感器進行封裝。如圖2 所示,傳感器的總厚度約1.5 mm,且具有高度柔韌性。

圖2 接觸電阻式柔性壓力傳感器實物

2 結果與討論

2.1 PDMS導電薄膜性能表征

PDMS導電薄膜的表面形貌和界面結合穩(wěn)定性會對傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性等性能產(chǎn)生影響,因此，分別對其進行了表征。

首先,采用超景深3D顯微鏡分別對1—PDMS薄膜和2—PDMS薄膜表面形貌進行表征,從圖1右側3D形貌圖可看出,PDMS薄膜表面突起的平均高度達200 μm左右,成功地復制了砂紙表面形貌,且PEDOT︰PSS和MWCNTs均共形貼附在PDMS表面,并沒有掩蓋薄膜的表面形貌。

然后,對薄膜施加彎曲應變以檢測導電材料和PDMS基體之間的界面結合性能。反復彎曲50次前后的薄膜如圖3(a)、圖3(b),其中,從左至右依次為Sample1,Sample3和Sample2。Sample1表面的導電材料在反復彎曲后幾乎完全脫落,而Sample2和Sample3表面的導電材料幾乎沒有發(fā)生變化。為了進一步表征其性能,采用超景深3D顯微鏡對導電材料與PDMS基體的結合界面進行觀察,如圖3(c)和圖3(d),可看出Sample3表面的PEDOT︰PSS部分脫離基體表面而翹起,而Sample2表面的MWCNTs依然共形貼附在PDMS表面,且部分嵌入其中,形成了良好的結合界面。正是這種表面嵌合的方式保證了兩種材料的界面結合性能,這極大地提升了傳感器的使用壽命。

圖3 (a)50次彎曲前薄膜形貌;(b)50次彎曲后薄膜形貌；(c)PEDOT︰PSS與PDMS基體結合界面；(d)MWCNTs與PDMS基體結合界面

2.2 柔性壓力傳感器性能表征

柔性壓力傳感器的性能指標主要有靈敏度,壓力響應范圍、響應時間和穩(wěn)定性等。為測試這些性能,自行搭建了測試平臺。測試平臺包括測力計、程控移動平臺、LCR測試儀和計算機。測力計和程控移動平臺在對傳感器施加壓力的過程中,由LCR記錄傳感器電阻的變化情況。

柔性壓力傳感器的靈敏度是其最主要的參數(shù),可通過以下公式計算，S=((R0-R)/R0)/ΔP。其中，R,R0和P分別為傳感器的初始電阻、實時電阻和外部壓強。圖4為傳感器1,2,3(Sensor1,Sensor2,Sensor3)的壓力響應曲線,其中曲線的斜率即為傳感器在相應區(qū)間的靈敏度。從圖4中可看出,傳感器的電阻變化量隨著外部壓強的增加呈增加的趨勢,這是由于隨著外部壓強的增加,微結構化柔性電極形變增加,上下電極接觸面積增加,接觸電阻減小。但是,當壓力增加到一定程度時,此趨勢會趨于平緩,這是因為柔性電極表面的微結構在變形過程中達到形變極限,導致傳感器電阻變化隨壓強呈現(xiàn)非線性增加。

圖4 3種傳感器的相對電阻變化率隨壓強變化的響應曲線

經(jīng)計算,3種傳感器的靈敏度值如表1所示,可發(fā)現(xiàn)Sensor3在低壓區(qū)的靈敏度最高,為0.34 kPa-1,但在中高壓區(qū)的靈敏度明顯低于另外2種傳感器。這是因為MWCNTs 嵌入PDMS表面與MWCNTs或PEDOT︰PSS涂附在PDMS表面均提升了PDMS薄膜表面的等效楊氏模量,但前者相當于MWCNTs/PDMS復合材料,與純粹的導電材料相比,具有相對較低的楊氏模量,因此在低壓區(qū)更容易產(chǎn)生形變,但也會更快達到形變極限,這體現(xiàn)在Sensor3在低壓區(qū)具有最高的靈敏度,而在中高壓區(qū)靈敏度會低于另外2種傳感器。

表1 3種傳感器在不同壓力區(qū)間的靈敏度值

柔性壓力傳感器的響應時間定義為傳感器在施加壓力后達到響應值和釋放壓力后恢復初始值所需要的時間。在實際應用中,傳感器的響應時間非常重要,它決定了傳感器可測量信號的頻率范圍。以Sensor3為例,圖5顯示了施加1 kPa的壓強時,傳感器的響應曲線。結果顯示,Sensor3的響應時間和恢復時間小于200 ms,說明制備的傳感器具有快速的響應時間。

圖5 單次觸發(fā)時Sensor3的響應曲線

柔性壓力傳感器的穩(wěn)定性同樣非常重要,它決定了傳感器的可重復性和壽命。圖6顯示了Sensor3在外部壓強為1 kPa的條件下的循環(huán)加載性能,從圖中的插圖中可看出,傳感器在整個循環(huán)過程中具有基本一致的波形,說明其具有良好的穩(wěn)定性和可重復性,同時進一步表明了，嵌合在PDMS表面的MWCNTs與基體間形成了非常穩(wěn)定的界面連接并具有穩(wěn)定的導電性。

圖6 施加1 kPa的外部壓力時,Sensor3的500次循環(huán)加載曲線,插圖為其中10次循環(huán)的放大圖

3 應 用

由上文性能表征可知,傳感器在低壓區(qū)具有高靈敏度、快速的響應時間和良好的穩(wěn)定性,加之器件本身所具有的柔韌性,使得其可共形貼附在一些具有復雜結構的零部件表面,檢測細微壓力的變化。比如貼附在機器人外形表面,作為電子皮膚,感知周圍環(huán)境中的微小壓力。為證明傳感器可準確快速的檢測到外部微小壓力的變化,將傳感器貼附在桌面,并用手指以一定的速率反復輕微按壓傳感器表面(圖7(b),(c))。從圖7(a)中可看出,傳感器可準確的檢測到手指施加的壓力信號,且信號具有高穩(wěn)定性和可重復性。因此,本文制備的傳感器在機器人觸覺或人機交互界面等領域將會有廣闊的發(fā)展前景。

圖7 (a)手指觸摸傳感器表面的響應曲線;(b)～(d)手指觸摸示意

4 結 論

本文采用濕法制膜的方式制備了具有微觀結構的PDMS柔性導電薄膜,對比了不同導電材料和不同成膜方式對導電薄膜以及傳感器性能的影響。結果表明,有機導電材料與無機導電材料相比,前者與聚合物基體之間具有更好的界面結合性能；基體表面嵌入導電材料與表面旋涂導電材料相比,前者具有更好的界面結合性能和更低的等效楊氏模量。采用表面嵌入方式制備的微結構化導電薄膜組裝成的接觸電阻式柔性壓力傳感器在低壓區(qū)具有高靈敏度(0.34 kPa-1)和快速響應(<200 ms);可準確檢測到手指觸摸時的微小壓力,因此有望應用于柔性機器人觸覺和人機交互界面等領域。