基于PDMS 海綿介質(zhì)的柔性光纖壓力傳感器制備及性能研究*

張會新 林雅坤 洪明森 洪應(yīng)平 隋丹丹

（1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室 太原 030051）（2.中國兵器工業(yè)集團第二一四研究所 蘇州 215000）

1 引言

任何兩個物體接觸均產(chǎn)生壓力，壓力作為生活中重要物理量之一，對壓力監(jiān)測的研究變得尤為重要。電容式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器等均為目前常見壓力傳感器，但是這些相比柔性壓力傳感器在一些特殊場合不能得到很好的應(yīng)用。在醫(yī)療領(lǐng)域、機器人領(lǐng)域和測量不規(guī)則物體的場合中，柔性壓力傳感器因其輕薄便攜，柔韌性高被廣泛應(yīng)用［1～3］。近年來，柔性壓力傳感器的研究持續(xù)開展，但是制作大面積、低成本、工藝簡單、可分布式測量的柔性壓力傳感器仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。光纖傳感技術(shù)作為一種新的傳感監(jiān)測技術(shù)，具有傳輸距離長、抗干擾能力強、耐腐蝕等優(yōu)點［4］。目前應(yīng)用最廣泛的光纖壓力傳感器是法布里-珀羅壓力傳感器［5］和光纖布拉格光柵壓力傳感器［6］，兩種傳感器均要利用經(jīng)過微加工處理后的光纖制作，由于光纖自身纖細易斷的特點導致微加工的過程需要極其精細，產(chǎn)生費用昂貴，批量生產(chǎn)性價比低。所以，本文研究制備一種結(jié)構(gòu)簡單、柔韌性好、靈敏度高、成本低、便于量產(chǎn)的柔性光纖壓力傳感器具有極大的應(yīng)用價值［7］。

本文基于背向瑞利散射原理，設(shè)計了一種柔性光纖壓力傳感器。采用單模光纖作為傳感元，聚合物PDMS 作為封裝增敏材料［8］制備了海綿增敏結(jié)構(gòu)。使用ABAQUS 軟件對設(shè)計的增敏結(jié)構(gòu)進行有限元模擬研究，以檢驗理論的正確性。搭建測試平臺對傳感器進行相應(yīng)的靜態(tài)性能試驗。得出結(jié)論：不同特性敏感基體封裝的傳感器對力敏感度不同，且壓力與應(yīng)變均呈現(xiàn)極高的線性關(guān)系，根據(jù)此結(jié)論可以制備應(yīng)用于不同場合測量的高靈敏度、高線性度及重復(fù)性好的柔性歷傳感器件［9］。

2 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與原理分析

2.1 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及制作

本文設(shè)計PDMS 海綿結(jié)構(gòu)作為柔性光纖壓力傳感器的增敏結(jié)構(gòu)，海綿增敏結(jié)構(gòu)相比實心增敏結(jié)構(gòu)受力后形變更大。三維結(jié)構(gòu)和實物如圖1、圖2所示，柔性基體由PDMS 和密安聚氨酯泡沫制成，中間嵌入單模光纖。

圖1 三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 實物圖

海綿增敏結(jié)構(gòu)的傳感器制作流程如圖3 所示。第一步：將PDMS 預(yù)聚物和固化劑按一定比例倒入干凈的一次性塑料杯，將杯子放于磁力攪拌器上使混合物充分攪拌呈乳白色。第二步：將清潔后的單模光纖嵌入在干凈的密胺聚氨酯泡沫中，再將其完全浸入在PDMS 混合溶液中，之后放入真空干燥箱中進行脫泡（真空度<133Pa），將脫泡后的海綿放入干凈的一次性塑料模具中。第三步，固化成型：將模具放在高低溫箱內(nèi)加熱固化。在制作過程中通過使用不同厚度的模具制作不同厚度的PDMS 基體，加熱固化時設(shè)置高低溫箱不同溫度制作不同固化溫度的PDMS 基體。最后完成脫模即可。傳感器制備所需材料如表1所示。

表1 傳感器制備所需要的材料

圖3 傳感器制作流程示意圖

2.2 傳感器的工作原理分析

將制備好的傳感器敏感元放在壓力計上，利用壓力計向傳感器敏感元施加軸向壓力，海綿結(jié)構(gòu)的敏感單元受力發(fā)生形變，嵌入海綿結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光纖也隨敏感元受力產(chǎn)生相應(yīng)的軸向應(yīng)變，此時光纖內(nèi)部粒子大小遠小于入射光波長，在各方向的散射光強度不均勻，即發(fā)生瑞利散射現(xiàn)象［10～11］。在發(fā)生瑞利散射現(xiàn)象時，散射光在前后方向的散射強度一樣，散射光向后傳播稱之為背向瑞利散射。背向瑞利散射的光信號承載著光纖各個部位的損耗信息，該散射光信號相對于其他散射光信號更容易被獲取［12］。光頻域反射技術(shù)（OFDR）就是基于背向瑞利散射原理提出的，本文利用該技術(shù)對施壓后光纖中的光信號進行檢測、編碼，得到光纖受力位置和該位置產(chǎn)生的應(yīng)變值［13］。

3 有限元仿真分析

使用ABAQUS 軟件對柔性光纖壓力傳感器進行有限元仿真分析。柔性海綿增敏結(jié)構(gòu)選用9∶1固化時間2h的PDMS基體，由于嵌入海綿增敏結(jié)構(gòu)中的光纖直徑相比于海綿結(jié)構(gòu)的厚度非常小，可以忽略不計，所以在建立仿真模型時只考慮柔性海綿增敏結(jié)構(gòu)的屬性［14］。

首先利用ABAQUS 有限元仿真軟件對柔性光纖壓力傳感器建立長：3.5cm、寬：1.5cm、高：0.3cm的三維有限元模型。其次給模型賦予彈性模量、密度、泊松比等PDMS 材料屬性。然后對仿真模型進行位移約束，以確保仿真結(jié)果與真實試驗結(jié)果一致。最后在模型的上表面均勻施加壓力，從0kPa以步進27.7kPa 均勻增加到166.2kPa。記錄并分析整個過程模型的應(yīng)變情況。

3.1 傳感器受力變形分析

如圖4 所示是外力27.7kPa 作用下傳感器模型軸向應(yīng)變分布圖。仿真結(jié)果顯示，海綿增敏結(jié)構(gòu)的傳感器受力產(chǎn)生應(yīng)變基本分布均勻。

圖4 應(yīng)變分布圖

3.2 法向力作用下的傳感器輸出應(yīng)變特性

如圖5 所示是施加不同壓力時，光纖不同位置的應(yīng)變情況，表明光纖的應(yīng)變值隨施加壓力增加而增加，在施加相同壓力時，在受力的中心點應(yīng)變值最大。中心點為7.5mm處，取不同壓力該點的應(yīng)變值繪制應(yīng)變與壓力的擬合圖，如圖6，擬合結(jié)果表明柔性光纖壓力傳感器的靈敏度為1.6με/kPa，擬合系數(shù)大于0.99，可見壓力與應(yīng)變之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

圖5 傳感器受力時應(yīng)變情況圖

圖6 光纖中間位置壓力與應(yīng)變擬合圖

4 實驗測試與分析

圖7 是搭建的柔性光纖壓力傳感器的測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含推拉力計、OFDR 測試儀、光纖跳線及計算機。首先將柔性光纖壓力傳感器與光纖跳線熔接，然后用光纖擦拭器清潔跳線頭后與OFDR 測試儀連接，并在光纖尾段打結(jié)以減少端部效應(yīng)的影響。

圖7 柔性光纖壓力傳感器測試系統(tǒng)

4.1 不同厚度的PDMS對傳感器靈敏度的影響

選取固化溫度分別為80℃和100℃條件下不同厚度的PDMS 傳感器進行測試，每個傳感器敏感元尺寸都相同，長：35 mm、寬：15 mm，配比9：1，固化時間：2h。測量過程施加壓力的范圍：0～276.2kPa，按步長27.7kPa增壓。記錄兩種固化溫度條件下不同厚度的PDMS 傳感器的測試結(jié)果，根據(jù)測試結(jié)果繪制出傳感器隨壓力變化產(chǎn)生的應(yīng)變變化圖，如圖8和圖9所示。

圖8 80℃下不同厚度受力應(yīng)變圖

圖9 100℃下不同厚度受力應(yīng)變圖

圖8 和圖9 顯示在實驗加載過程中不同厚度PDMS 基體封裝的傳感器應(yīng)變和壓力之間呈現(xiàn)較高的線性關(guān)系，說明在加載實驗中PDMS 柔性基體未發(fā)生塑性形變，始終處于彈性狀態(tài)。對實驗記錄的數(shù)據(jù)點擬合，擬合直線的斜率即為傳感器靈敏度，從而得到兩種固化溫度條件下各厚度的光纖壓力傳感器的靈敏度，如表2和表3所示。

表2 固化溫度80℃下不同厚度的靈敏度

表3 固化溫度100℃下不同厚度的靈敏度

由表2 和表3 可以看出，在不同固化溫度的條件下，封裝傳感器的PDMS 基體呈現(xiàn)厚度越小，傳感器對壓力就越靈敏。實際應(yīng)用中可根據(jù)可根據(jù)不同測量力度選擇合適厚度的傳感器，厚度薄的傳感器靈敏度高，更適合微小形變的測量，厚度相對大的傳感器適合大力度的測量。

4.2 不同固化溫度的PDMS 對傳感器靈敏度的影響

選取敏感元厚度分別為3mm 和5mm 條件下不同固化溫度的PDMS 傳感器進行測試，每個傳感器敏感元尺寸都相同，長為35mm、寬為15 mm，配比為9∶1，固化時間為2h。測量過程施加壓力的范圍：0～276.2kPa，按步長27.7kPa 增壓。記錄基體厚度分別為3mm 和5mm 條件下不同固化溫度的PDMS 傳感器的測試結(jié)果，根據(jù)測試結(jié)果繪制出傳感器隨壓力變化產(chǎn)生的應(yīng)變變化圖，如圖10、圖11所示。

圖10 3mm厚度下不同固化時間受力應(yīng)變圖

圖11 5mm厚度下不同固化時間受力應(yīng)變圖

圖10、圖11 顯示在實驗加載過程中傳感器應(yīng)變和壓力之間的關(guān)系不受PDMS 基體固化溫度影響，呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，說明傳感器敏感基體在加載過程中未發(fā)生塑性形變，始終處于彈性狀態(tài)。對實驗記錄的數(shù)據(jù)點擬合，擬合直線的斜率即為傳感器靈敏度，從而得到兩種厚度條件下不同固化溫度的光纖壓力傳感器的靈敏度，如表4和表5所示。

表4 3mm厚度基體在不同固化溫度下的靈敏度

表5 5mm厚度基體在不同固化溫度下的靈敏度

由表4 和表5 可以看出，3mm 和5mm 厚度敏感基體封裝的傳感器均在固化溫度80℃時靈敏度最高，固化溫度150℃時，由于溫度過高，基體硬度相對偏大，施壓后傳感器應(yīng)變量小，所以傳感器靈敏度較低，相反固化溫度65℃時，基體內(nèi)部固化不完全，傳感器靈敏度相比80℃條件下也明顯下降。實驗結(jié)果表明：PDMS 基體在固化溫度為80℃條件下封裝的傳感器柔韌性和靈敏度高。

5 結(jié)語

本文設(shè)計并制作了一種柔性光纖壓力傳感器，從傳感器制作工藝流程和參數(shù)設(shè)置對靈敏度的影響兩個方面進行了研究。制作出不同性質(zhì)的傳感器增敏單元，經(jīng)過實驗測試和分析，結(jié)果表明：傳感器靈敏度隨PDMS 敏感元基體厚度減少而增大，在基體完全固化的條件下，傳感器靈敏度隨固化溫度降低而增加。根據(jù)實驗結(jié)果分析可得：基體厚度小固化溫度低的傳感器可以用于微小壓力檢測，基體厚度大固化溫度高的傳感器可應(yīng)用于測量較大壓力的場合。本文設(shè)計的柔性光纖壓力傳感器在敏感基體厚度3mm，固化溫度80℃，壓力范圍：0～276.2kPa時，具有較高靈敏度?？蓱?yīng)用于不規(guī)則物體表面壓力測量。