基于黑磷烯/氧化石墨烯雙介質(zhì)層的柔性電容式壓力傳感器*

聶 萌,郭安琪,陳佳琦,徐 峰

(東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096)

近年來,隨著柔性電子學(xué)的發(fā)展,可穿戴柔性壓力傳感器在醫(yī)療診斷、機(jī)器人、電子皮膚、和人體假膚等應(yīng)用領(lǐng)域展示出其顯著優(yōu)勢(shì)[1-6],如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體物理信號(hào),包括體溫、血壓、脈搏和肢體運(yùn)動(dòng)等信息,可為疾病的診斷、治療和康復(fù)提供各種有價(jià)值的參數(shù)信息。

根據(jù)工作原理不同,柔性壓力傳感器主要可以分成電阻式[1-3,7]、電容式[4-5,8-9]、壓電式[6,10]等。其中,電容式壓力傳感器具有靈敏度高、功耗低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好等優(yōu)點(diǎn)[11],得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。中國電子科技大學(xué)全勇等[8]在傳感器的結(jié)構(gòu)上做了新的探索,以銀納米線(AgNWs)為電極材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)為柔性襯底,采用毛面玻璃和玻璃分別作為柔性襯底的制備模板,制備出具有微納結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜,光面具有電極微結(jié)構(gòu)的 AgNWs/PDMS電容式復(fù)合薄膜傳感器,其靈敏度為1.0 kPa-1;北卡羅來納州立大學(xué)Yao等人[12]設(shè)計(jì)并制備了一種以PDMS為基底,AgNWs和脂肪族芳香族無規(guī)共聚酯(Ecoflex)為電介質(zhì)電容式柔性壓力傳感器,器件靈敏度達(dá)到1.62 MPa-1,響應(yīng)時(shí)間約為40 ms,檢測(cè)范圍0～1.2 MPa;中國東南大學(xué)萬樹等人[13]提出一種石墨烯作為電極,氧化石墨烯(GO)泡沫作為介電層的電容式壓力傳感器,利用GO泡沫優(yōu)異的彈性和高相對(duì)介電常數(shù),傳感器可以檢測(cè)到0.24 Pa的微小壓力,響應(yīng)時(shí)間為100 ms,靈敏度為0.8 kPa-1,檢測(cè)范圍為0～4 kPa;韓國首爾國立大學(xué)Yunsik Joo等人[9]使用AgNWs嵌入PDMS制造多尺度結(jié)構(gòu)的彈性體電極,通過將多尺度結(jié)構(gòu)的彈性體電極層壓到介電層/底部電極模板上制作電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu),該壓力傳感器的靈敏度最大可達(dá)3.8 kPa-1,響應(yīng)和弛豫時(shí)間小于150 ms,并且具有高彎曲穩(wěn)定性和高循環(huán)穩(wěn)定性。上述研究工作通過材料和結(jié)構(gòu)的探索有效的提高了柔性電容式壓力傳感器的靈敏度、分辨率、響應(yīng)速度等性能,但上述研究工作所制備的電容式柔性壓力傳感器一方面器件的制備工藝復(fù)雜,涉及制作模板等微納加工工藝,成本高;另一方面,存在較大量程范圍傳感器靈敏度較低,而靈敏度較高的傳感器量程范圍相對(duì)比較小的問題。

本論文針對(duì)上面提出的高靈敏度和大量程不能兼顧的問題,提出了一種雙層介質(zhì)層的電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)的解決方案,以聚對(duì)苯二甲酸類塑料(PET)為基底,氧化銦錫(ITO)為電極材料,黑磷烯(BP)/氧化石墨烯(GO)作為感壓電容介質(zhì)層,設(shè)計(jì)并制備了三明治式電容式柔性壓力傳感器,工藝簡單,制作成本低,雙層介質(zhì)層極大地提高了電容式傳感器性能,其量程可至25.0 kPa,靈敏度在0～3.12 kPa范圍內(nèi)達(dá)到了1.60 kPa-1,并且溫漂小,有望用于醫(yī)療診斷,機(jī)器人等領(lǐng)域。

1 傳感器的制備

1.1 黑磷烯的制備

用液相剝離法制備黑磷烯,制備流程如圖1所示,從氮?dú)庹婵展苋〕鰤K狀黑磷(先豐納米有限公司,中國),用帶密封蓋的小試管量取0.2 g黑磷溶解在100 mL酒精中,超聲24 h。取上述溶液10 mL,加 90 mL 酒精,繼續(xù)超聲分散至溶液呈淺黃色,離心處理 20 min,重復(fù)3次～5次,取出上層清液,得到穩(wěn)定的黑磷納米片分散液。

圖1 黑磷烯的制備流程圖

圖2 基于黑磷烯/氧化石墨烯雙層介質(zhì)層的柔性電容式壓力傳感器制造流程圖

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)的制備

傳感器結(jié)構(gòu)的制備流程如圖2所示,取兩片同樣尺寸(30 cm×20 cm)的柔性基底PET/ITO(如圖2(a)),將上述黑磷烯納米片分散液滴涂在ITO面,放入真空干燥箱中65 ℃干燥,蒸干乙醇溶劑得到黑磷烯薄膜(如圖2(b)),黑磷烯膜上滴涂氧化石墨烯分散液(先豐納米有限公司,1 mg/mL,中國),放入真空干燥箱80 ℃干燥,得到氧化石墨烯薄膜(圖2(c)),將兩片覆有黑磷烯/氧化石墨烯雙層膜的PET/ITO膜面對(duì)面封裝,完成具有三明治電容的傳感器結(jié)構(gòu)的制作(圖2(d))。最后在兩端用導(dǎo)電銀膠實(shí)現(xiàn)電引出。圖3(a)是傳感器結(jié)構(gòu)中,單片附有黑磷烯/氧化石墨烯雙層介質(zhì)層的PET/ITO膜,氧化石墨烯表面形貌SEM圖,圖3(b)是剖面SEM圖,可清晰看到下層為黑磷烯,上層為氧化石墨烯。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)SEM圖

2 傳感器測(cè)試與分析

2.1 傳感器性能測(cè)試與分析

測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖4所示,測(cè)試設(shè)備采用LCR(TH2826),高低溫試驗(yàn)箱(OMEGA205)。將待測(cè)傳感器樣品放置于溫箱中,壓力測(cè)試時(shí)溫度設(shè)置為25 ℃,壓力測(cè)試范圍為0～25 kPa;溫度測(cè)試時(shí)保持常壓,溫度測(cè)試范圍為25 ℃～75 ℃。傳感器結(jié)構(gòu)性能的壓力、溫度特性曲線如圖5所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)示意圖

圖5 傳感器結(jié)構(gòu)性能

圖5(b)給出了本論文工作與近年來的同類研究工作的比較,圖5(b)中的各點(diǎn),代表的是在橫坐標(biāo)每一個(gè)量程數(shù)值時(shí),縱坐標(biāo)靈敏度的數(shù)值。與靈敏度較高的同類研究工作如中國南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院肖娜等人[14]研究的基于多壁碳納米管電極的柔性電容式壓力傳感器相比較,在靈敏度為1.33 kPa-1時(shí),其量程為0～758 Pa,本論文傳感器可在0～3.12 kPa量程范圍達(dá)到此靈敏度,量程拓寬了4.12倍;與量程較高的器件,如北卡羅來納州立大學(xué)Yao等人[12]制備的以AgNWs和脂肪族芳香族無規(guī)共聚酯(Ecoflex)為電介質(zhì)電容式柔性壓力傳感器,在量程范圍為0～1.2 MPa時(shí),靈敏度為1.62 MPa-1,本論文傳感器可在0～25 kPa量程范圍可達(dá)0.06 kPa-1的靈敏度,靈敏度提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

為了比較用黑磷烯/氧化石墨烯雙層介質(zhì)層和氧化石墨烯為單層介質(zhì)層的壓力傳感器的性能,在室溫下,分別測(cè)量了二者在不同彎曲應(yīng)變下(-5%～-25%)的電容輸出量變化。測(cè)試結(jié)果如圖6所示,在不同的彎曲應(yīng)變下,氧化石墨烯單層介質(zhì)層的壓力傳感器輸出電容相對(duì)變化量為9.25 pF,而黑磷烯/氧化石墨烯雙層介質(zhì)層的壓力傳感器電容隨著彎曲應(yīng)變,輸出電容變化量達(dá)到629 pF。由測(cè)試結(jié)果可以得出,以黑磷烯/氧化石墨烯作為雙層介質(zhì)層的壓力傳感器可大幅度提高傳感性能。

圖6 不同彎曲應(yīng)變下壓力傳感器的電容變化

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于黑磷烯納米薄片與氧化石墨烯薄膜作為雙層電容介質(zhì)層,ITO為電容極板,柔性PET為基底的電容式柔性壓力傳感器,并設(shè)計(jì)了工藝流程進(jìn)行傳感器制作,通過性能測(cè)試分析可知該柔性壓力傳感器的靈敏度最高可達(dá)1.60 kPa-1,溫度穩(wěn)定性高。以上研究結(jié)果表明用黑磷烯/氧化石墨烯雙層材料作為介質(zhì)層可以有效的提高電容式柔性壓力傳感器的輸出電容特性。