王鏡堯
摘 要:面對(duì)傳統(tǒng)傳感器在許多領(lǐng)域受限的情況,具有柔性,透明,便于量產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)的傳感器亟待被發(fā)掘。本實(shí)驗(yàn)測(cè)定了氧化銦錫(即ITO)薄膜的基礎(chǔ)性能,定性的研究了ITO薄膜的基礎(chǔ)屬性,通過(guò)ITO薄膜的單面導(dǎo)電性,設(shè)計(jì)出對(duì)壓力有高靈敏度的電極,制造了一種高柔性,透明,輕便,低成本,可以量產(chǎn)的傳感器,并通過(guò)將外電路短接的方式,體現(xiàn)了ITO作為傳感器將力電信號(hào)轉(zhuǎn)化的功能。
關(guān)鍵詞:ITO;傳感器;反應(yīng)系統(tǒng)
中圖分類(lèi)號(hào):TN151 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-2064(2019)09-0028-02
0 引言
在大數(shù)據(jù)時(shí)代即將到來(lái)的今天,數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)愈加被重視。但是傳統(tǒng)傳感器大多有著低靈活性,高重量,光學(xué)性能差等弊端。新式傳感器的研發(fā)已迫在眉睫。
ITO全稱(chēng)Indium tin oxide,即銦錫氧化物。氧化銦錫材料具有較低的電阻率,是極有潛力的電學(xué)材料。其的靈活應(yīng)用在傳感領(lǐng)域有著深遠(yuǎn)意義。觸屏正成為電器控制的主流,而在當(dāng)今的觸屏市場(chǎng)上ITO觸屏占據(jù)著重要地位,這歸根結(jié)底是來(lái)源于ITO良好的性能。ITO具有著極強(qiáng)的柔性。柔性材料的傳感在機(jī)器人科技[1]和可穿戴電子技術(shù)[2]中都是重要的課題。傳統(tǒng)傳感器的低靈活性在許多方面上限制了現(xiàn)代科技的發(fā)展,因而柔性傳感的研究將成為打開(kāi)新世界的大門(mén)。在柔性材料中,ITO又同時(shí)擁有高透光性和低生產(chǎn)成本的特點(diǎn)。隨著觸屏控制化成為電器控制的趨勢(shì),ITO受到越來(lái)越多的關(guān)注。同時(shí),ITO的質(zhì)輕和透明也將其引向可穿戴電子技術(shù)的核心。
傳感器的根本原理是將力電信號(hào)的轉(zhuǎn)化,主要方式基本是壓阻式、壓電式、電容式、摩擦方式等。主流傳感器主要有:(1)壓阻式:由于部分材料在受力時(shí)內(nèi)部粒子距離發(fā)生變化導(dǎo)致導(dǎo)電性能的變化,即電阻率變化,傳統(tǒng)的壓阻式傳感器有著工藝簡(jiǎn)單,低成本的優(yōu)勢(shì)。(2)壓電式:因材料體積的變化,導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)生極化,將外界能量轉(zhuǎn)化為電能,進(jìn)而體現(xiàn)受力情況。壓電系數(shù)與能量轉(zhuǎn)化效率正相關(guān),因而可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度,高精確度。(3)電容式:受力時(shí),平行電容板間距離變化,電容發(fā)生變化。將力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電容性能的變化,來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)化過(guò)程??梢赃_(dá)到高靈敏度,低耗能的效果。(4)摩擦式:這種方式的根本理論背景是摩擦電效應(yīng)。內(nèi)部材料發(fā)生摩擦,保存著電荷。受力會(huì)使材料發(fā)生位置變化,把電荷轉(zhuǎn)化為電流/電壓信號(hào)。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中,可以用于肌肉的監(jiān)測(cè)[3]。
ITO薄膜傳感器的研發(fā)根本依靠的是ITO薄膜的單面導(dǎo)電性,因此可以將力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)。當(dāng)兩層ITO薄膜接觸時(shí),等效體導(dǎo)電性能急劇變化,因而實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)。同時(shí),ITO的輕質(zhì)與高柔性使其有著高靈敏度[5]的特點(diǎn)。
1 實(shí)驗(yàn)
(1)實(shí)驗(yàn)用品:ITO薄膜,PET,萬(wàn)能表,絕緣支撐物,1MΩ電阻。
(2)對(duì)ITO電極的測(cè)試:對(duì)于單位面積的單層ITO薄膜進(jìn)行了光學(xué)測(cè)試和電阻測(cè)試,并在彎曲情況下對(duì)其進(jìn)行光學(xué)測(cè)試和電阻測(cè)試。
(3)觸屏系統(tǒng)的制作:應(yīng)用ITO電極的的單面導(dǎo)電性[4],將兩層導(dǎo)電面相向的ITO薄膜通過(guò)彈性絕緣支撐物制成電極,達(dá)到控制電路電阻率的效果。
2 結(jié)果與討論
2.1 ITO薄膜的透光率
如圖1(a),ITO薄膜的透光率很高,接近透明[4]。而圖1(b)展示了ITO薄膜良好的柔性,在實(shí)際測(cè)量中可以彎折近180度,此時(shí),ITO膜本身的透光性幾乎沒(méi)有發(fā)生變化,如圖1(c)。同時(shí),其電阻率變化小,如圖1(d)是1cm2的ITO膜在被彎曲時(shí)的阻值隨彎曲角度的圖像。
2.2 ITO電極原理
將兩層ITO薄膜分別固定在兩層PET膜上,使它們的導(dǎo)電面向外,用支撐物將其連接,使導(dǎo)電面相對(duì),如圖2(a)兩層ITO間的距離極小與ITO本身的柔性使之在受壓力時(shí)上下ITO導(dǎo)電面相互接觸,達(dá)到接通電極效果。自然狀況下,兩層ITO分開(kāi),達(dá)到斷開(kāi)電極效果。圖2(b)中是ITO電極模型,是本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用的6×6cm2模型,遠(yuǎn)大于實(shí)際的ITO電極,但具有等效的意義。
2.3 應(yīng)用ITO電極達(dá)到觸屏控制效果
引入一個(gè)固定電壓,在每對(duì)ITO電極與電源正極間接入一個(gè)1MΩ電阻和一個(gè)外電路,該電路會(huì)在感受不到電壓時(shí)輸出電信號(hào)。將電極另一端接地,因而在電極接通時(shí)便輸出電信號(hào)。如圖3所示電路原理圖。
2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證效果
將電路接入CPU,啟動(dòng)預(yù)設(shè)邏輯如圖4(a)的程序,進(jìn)行感受器實(shí)驗(yàn)。在觸摸電極任意區(qū)域時(shí),對(duì)應(yīng)程序運(yùn)行,得到如圖4(b)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
3 結(jié)語(yǔ)
本實(shí)驗(yàn)定性的研究了ITO薄膜的基礎(chǔ)屬性,通過(guò)ITO薄膜的單面導(dǎo)電性,設(shè)計(jì)出對(duì)壓力有高靈敏度的電極,制造了一種高柔性,透明,輕便,可以量產(chǎn)的傳感器。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,應(yīng)注意維護(hù)ITO薄膜導(dǎo)電面的完好,如破壞了導(dǎo)電面的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),可能會(huì)引起電極的失效。支撐物的選擇直接決定了傳感器的靈敏程度和傳感的使用壽命,應(yīng)該在保持彈性和絕緣的情況下盡量切削較薄,但應(yīng)同時(shí)保證在不受壓時(shí)兩薄膜應(yīng)自然處在分離狀態(tài),這是傳感器功能保持的前提?;椎倪x擇極為重要,既要保證不損害ITO的既有性質(zhì),又要盡量體現(xiàn)保護(hù)功能,進(jìn)而提升傳感器的使用壽命,保護(hù)ITO的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)時(shí),要注意電路的設(shè)計(jì),加入保護(hù)電阻是因?yàn)镮TO的導(dǎo)電性能極好,在面積極小時(shí)電阻也極小,在閉合時(shí)會(huì)產(chǎn)生極大電流。
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