高性能可穿戴式柔性壓力傳感器的制作與檢測?

竇穎艷，姚 俊

(1.南昌理工學院電子與信息學院，江西 南昌 330044；2.南昌理工學院特種機器人技術(shù)研究所，計算機信息工程學院，江西 南昌 330044)

傳感器技術(shù)的發(fā)展推動了各種儀器的研究和應(yīng)用，在設(shè)備儀器中集成不同的傳感器，可用于采集所需的信息。傳感器可將采集的信息轉(zhuǎn)化為電信號，然后高效傳輸給其他器件[1]。近年來對于柔性壓力傳感器的研究較多，包括聲學式、壓電式等傳感器[2－3]。其中電容式壓力傳感器的優(yōu)勢最為顯著，其結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，靈敏度高，檢測結(jié)果準確，故無論在研究還是在應(yīng)用領(lǐng)域中均吸引了大量的關(guān)注[4－5]。

柔性壓力傳感器可用于對壓力進行有效檢測，當壓力作用于傳感器上時，傳感器會發(fā)生形變，形變程度與壓力大小有關(guān)[6－8]。該類傳感器適用性較強，應(yīng)用范圍較廣，可滿足多種檢測場景的要求。目前針對柔性壓力傳感的研究持續(xù)增多，人們主要通過兩種方式提升柔性壓力傳感器的響應(yīng)，一種為改變襯底材料，如Kou 等[9]將適量石墨烯材料添加到柔性基底內(nèi)，制備出了穩(wěn)定性較高且響應(yīng)速度快的傳感器。Cui 等[10]設(shè)計了一種基于PDMS 襯底的“V 型”陣列結(jié)構(gòu)，同時提高了傳感器的穩(wěn)定性與靈敏度。另一種方式為對介質(zhì)層結(jié)構(gòu)進行微結(jié)構(gòu)化，如Ahmed 等[11]通過仿生玫瑰花瓣翻模制作了介質(zhì)層，制作的傳感器靈敏度可達0.08 kPa－1。柔性壓力傳感器目前已應(yīng)用到人機交互及醫(yī)療健康等領(lǐng)域中，顯示出廣闊的應(yīng)用前景[12－14]。

生物的復眼具備大視場和高靈敏度，基于復眼結(jié)構(gòu)的智能設(shè)備，已應(yīng)用在多個領(lǐng)域中[15]。如果將復眼結(jié)構(gòu)用于介質(zhì)層的制備，可提升傳感器的性能。

本文設(shè)計了一種電容式壓力傳感器，在傳感器中采用了復眼結(jié)構(gòu)，襯底為PDMS，通過MEMS 工藝加工而成。通過對制作的傳感器檢測分析可得，其在性能上可以達到良好的效果。

1 柔性電容式壓力傳感器工作原理

電容式壓力傳感器的原理示意圖如圖1 所示，在外部壓力變化時導致電容改變。平行板電容(C)表達式如下所示:

圖1 柔性傳感器工作原理示意圖

式中:ε代表兩極板間材料的介電常數(shù)；ε0為空氣介電常數(shù)(8.85×10－12F/m)；εr為相對介電常數(shù)；d為極板間距；A為極板間的有效面積。本文采用變極距類型改變電容的變化，可以實現(xiàn)對壓力變化的有效檢測。根據(jù)得到的研究結(jié)果可知，微結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有助于改善傳感器的靈敏度。

本文設(shè)計的介質(zhì)層采用了半球體復眼結(jié)構(gòu)，傳感器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。整個器件總體劃分為五個層次，其中最上層和最下層為PDMS 薄膜，中間層是帶有雙面復眼結(jié)構(gòu)的PDMS 薄膜，為介質(zhì)層；第二層和第四層為電極層，經(jīng)plasma 處理后的PDMS 上通過納米團簇濺射一層均勻的Ag，將五層鍵合在一起形成復眼結(jié)構(gòu)傳感器。

圖2 傳感器基本結(jié)構(gòu)示意圖

2 柔性電容式壓力傳感器的制備

2.1 掩膜版的設(shè)計

為了最大化利用填充因子，掩膜版采用圓陣列設(shè)計，其中每三個相鄰圓形的圓心組成正三角形，通過CAD 繪制復眼結(jié)構(gòu)掩膜版，尺寸為1 cm×1 cm，圓間距、直徑分別是8 μm、66 μm。

2.2 介質(zhì)層的制作工藝

選擇硅片進行超聲清洗，依次采用去離子水、丙酮、乙醇、去離子水清洗12 min、18 min、14 min、11 min；清洗結(jié)束后進行干燥處理。具體的制作流程如下:

①勻膠。勻膠兩次后將AZ4620 涂覆在硅片上，然后烘干；烘干后再次涂覆AZ4620，使得兩層正膠達到28 μm 的厚度。

②光刻。在硅片上方放置掩膜版進行紫外線曝光。

③顯影。配置AZ400K 和H2O 體積比為1 ∶3 的顯影液，然后放入硅片顯影140 s 后清洗、干燥。

④熱熔。在烘臺以180 ℃的溫度對硅片熱熔30 min 后可得到半球體。

⑤倒模。將固化劑和PDMS 預聚物以體積比為1 ∶10 進行混合。攪拌至充分均勻后涂覆于硅片表面，烘干后得到副膜。

⑥二次倒模。在副膜表面沉積180 nm 的派瑞林(Parylene)，然后涂覆PDMS，進行烘干后得到單層復眼微結(jié)構(gòu)。

⑦鍵合。通過背靠背模式將PDMS 鍵合，然后烘干得到介質(zhì)層。工藝流程圖如圖3 所示。

圖3 介質(zhì)層工藝流程圖

利用掃描電子顯微鏡(Scanning electron Microscopy，SEM)對介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)特性進行觀測，如圖4所示，由圖可見，介質(zhì)層表面保持了良好的均勻性。在熱熔處理之后，各個復眼結(jié)構(gòu)尺寸顯著降低，單個子眼的高度、直徑分別是18 μm、66 μm。

圖4 介質(zhì)層SEM 表征

2.3 柔性電極層的制作

本文柔性電極層的制作需在PDMS 表層濺射金屬銀。首先必須對PDMS 進行親水改性處理，處理過程為:將PDMS 混合液以200 μm 的厚度均勻旋涂于硅片表面；經(jīng)過30 min 的干燥處理得到PDMS薄膜；然后進行100 s 的plasma 處理；最后通過SDS(Sodium Dodecyl Sulfate)進行改性處理。改性后在PDMS 表面通過納米團簇沉積100 nm 的金屬銀薄膜，制備的傳感器實物如圖5 所示。

圖5 傳感器實物圖

3 傳感器的性能測試

3.1 動態(tài)測試

對復眼傳感器進行動態(tài)實驗，傳感器的響應(yīng)時間和恢復時間如圖6 所示。由圖可見，對于復眼結(jié)構(gòu)傳感器，其響應(yīng)時間和恢復時間分別為130 ms 和120 ms，表明制造的復眼傳感器具有較快響應(yīng)速度。

圖6 響應(yīng)特性

3.2 遲滯特性

柔性傳感器在循環(huán)載荷下的電容響應(yīng)如圖7 所示。相同載荷下，卸載時的電容大于加載時的電容，該現(xiàn)象是由彈性材料的彈性滯后特性引起的。遲滯性參數(shù)E的計算公式為:

圖7 循環(huán)載荷下的電容輸出響應(yīng)

式中:Cloading與Cunload分別為同一載荷下加載和卸載的電容響應(yīng)；Cmax為電容的最大輸出響應(yīng)。遲 滯性越小，柔性傳感器的性能就越好。結(jié)合圖7 和式(2)可知，該傳感器在0～25 kPa 載荷范圍內(nèi)，遲滯性參數(shù)均小于7%，遲滯特性良好。

3.3 傳感器的循環(huán)測試

本次設(shè)計傳感器的測試結(jié)果如圖8 所示。其中圖8(a)為測試平臺，整個平臺中劃分為多個部分，需要先在平臺中設(shè)置傳感器，然后對相關(guān)的測試參數(shù)進行合理設(shè)置，包括電擊器頻率以及測試次數(shù)等，最終得到的測試結(jié)果，如圖8(b)所示。根據(jù)圖中信息可知，在循環(huán)次數(shù)為12 000 次時，傳感器的性能基本保持不變，保持了較高的穩(wěn)定性。

圖8 復眼傳感器測試平臺以及循環(huán)測試結(jié)果圖

3.4 靈敏度測試

本文給出了復眼結(jié)構(gòu)與無微結(jié)構(gòu)的兩種傳感器的靈敏度測試結(jié)果，如圖9 所示。首先需要在傳感器上方放置壓力機，并與LCR 測試儀進行連接，然后對復眼結(jié)構(gòu)、無微結(jié)構(gòu)的兩種柔性介電層展開實驗，記錄初始電容以及壓力加載測試結(jié)果，最后計算出電容變化率。將各個壓力得到的電容與初始電容作差，然后計算該差值和初始電容的比值。由圖9 可見，當壓力處于0～4 kPa 時，無微結(jié)構(gòu)、復眼結(jié)構(gòu)的傳感器靈敏度明顯不同，二者分別是0.19 kPa－1、0.28 kPa－1，其中后者對于靈敏度的提升效果比較顯著，大約為前者的1.5 倍。壓力變化導致靈敏度改變，二者表現(xiàn)為負相關(guān)的關(guān)系。當壓力處于4 kPa～10 kPa 時，兩種結(jié)構(gòu)的靈敏度分別是0.022 kPa－1、0.041 kPa－1。

圖9 兩種結(jié)構(gòu)傳感器靈敏度測試結(jié)果

3.5 傳感器的應(yīng)用

對所研制的復眼結(jié)構(gòu)傳感器在可穿戴檢測方面的實際應(yīng)用進行了研究。在實驗過程中用手指壓住傳感器，以此可以對傳感器的響應(yīng)進行檢測，在設(shè)備正確連接之后可以開始采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)基本不變時用指尖施加不同的壓力，通過這種方式即可對電容的微小變化進行檢測，傳感器對指尖施加不同壓力的響應(yīng)如圖10(a)所示，可以看出，隨著壓力的增加，相對電容單調(diào)增加。此外，傳感器的快速響應(yīng)表明，該裝置能夠在移除指尖后恢復到初始狀態(tài)。此外，在應(yīng)用五個循環(huán)的重復低壓或高壓時如圖10(b)所示，所研制的傳感器還具有良好的重復性。

圖10 復眼傳感器在檢測中的應(yīng)用

針對該傳感器的應(yīng)用效果進行檢測分析，需要在手指中設(shè)置傳感器，并與LCR 測試儀進行有效連接。本次設(shè)計的復眼結(jié)構(gòu)傳感器的優(yōu)勢在于能夠直接檢測到彎曲力。在按照上述操作正確連接之后，可以開始采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，手指需要進行適當活動，在逐步彎曲之后然后伸直，從0°彎曲到120°，然后再慢慢到0°，可以得到對應(yīng)的檢測結(jié)果，具體如圖10(c)中所示。

此外，為了評估傳感器在對重物的感知能力，將所研制的復眼結(jié)構(gòu)傳感器連接到指尖進行重量檢測，方法是抓取塑料杯12 s，然后將其放下。圖10(d)為杯子抓取過程的動態(tài)響應(yīng)，空杯子、裝半杯橙汁的杯子的和裝滿橙汁的杯子。復眼結(jié)構(gòu)傳感器的響應(yīng)可以識別杯子中橙汁的狀態(tài)。當抓取空紙杯時，電容值的相對變化最小，約為0.4。通過增加橙汁量，發(fā)現(xiàn)傳感器電容的相對變化顯著增大，當杯子裝滿橙汁時，電容的相對變化達到1.1 左右，相對電容變化的線性響應(yīng)有助于簡化檢測電路的設(shè)計。

4 結(jié)論

本文主要對復眼結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器進行了設(shè)計和制作，傳感器的結(jié)構(gòu)分為三層，電極層－介質(zhì)層－電極層。每層均采用不同的材料和工藝制作而成，其中介質(zhì)層主要是鍵合而成的復眼結(jié)構(gòu)，工藝流程包括光刻、翻模等。電極層通過濺射金屬銀薄膜的方式制作。制作完成后，針對該傳感器的應(yīng)用效果進行了測試分析，研究結(jié)果表明該傳感器能夠檢測出瞬時信號，并且具有較高的穩(wěn)定性與靈敏度，實用性較強。且制作的傳感器可完成對指尖感應(yīng)的高效檢測，穩(wěn)定性良好。因此，本文制作的柔性壓力傳感器可應(yīng)用于穿戴設(shè)備中，有較高的實用價值。