柔性壓力傳感器的研制

劉勝強，譚曉蘭，呂博，劉德祥，周文博

（北方工業(yè)大學機械與材料工程學院，北京100144）

0 引 言

近年來,許多的專家學者對基于外延層和柔性壓力襯底的傳感器和MEMS 壓力傳感器的應用進行了研究。以柔性壓力材料為襯底的傳感器具有良好的電絕緣性及力學性能, 使得柔性壓力基底材料的傳感器和MEMS 柔性壓力傳感器被廣泛應用?；谌嵝酝庋訉雍蛪毫σr底傳感器目前作為一種新型的壓力傳感器已經(jīng)發(fā)展成為各種電子設備的皮膚[1]、可穿戴傳感器等電子設備[2-5]、柔性人機交互設備[6]等各種領域的核心元件。現(xiàn)如今，隨著信息化時代的不斷發(fā)展，基于柔性基底的各種壓力傳感器正逐漸應用在娛樂、汽車、醫(yī)療、消費電子和工業(yè)等領域[7]。本文主要就以聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）為基底[8]、鋯鈦酸鉛（PZT）纖維為壓電材料的壓力傳感器進行兩種不同結構（平行與圓形）的結構設計和工藝流程的完善，進而提高以柔性材料為基底的壓力傳感器的工作靈敏度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 柔性壓力傳感器的結構設計及原理分析

1.1 柔性壓力傳感器的結構設計

柔性壓力傳感器的結構和組成部分如圖1 所示。根據(jù)柔性壓力傳感器的性能需求，本文使用PZT-5H 作為制作納米纖維的材料[9]。

圖1 傳感器結構示意圖

1.2 柔性壓力傳感器的原理分析

柔性壓力傳感器的原理是以輸出電信號的大小來表示被施加的壓力信號的大小，當對柔性壓力傳感器施加壓力而使其發(fā)生變形時，一根納米纖維在施加的壓力作用下發(fā)生形變，其自身會出現(xiàn)極化現(xiàn)象，正負離子游動在納米纖維的兩端，一端聚集正離子另一端聚集負離子，這樣便形成了電勢差。本文的柔性壓力傳感器是將PZT 納米纖維和叉指電極結合在一起，與叉指電極接觸的納米纖維相當于在叉指之間被阻斷成一個電勢差，整體的傳感器就是無數(shù)個電勢差并聯(lián)在一起的；傳感器的壓電特性由材料而定，當選定材料后，叉指電極兩端的電勢差的大小便隨著施加壓力的大小變化而變化，所以施加在傳感器上的壓力大小能被叉指電極兩端測量的電壓大小計算出來[10]。柔性壓力傳感器的原理如圖2 所示。

圖2 柔性壓力傳感器原理示意圖

2 柔性壓力傳感器的參數(shù)確定

采用退火后的PZT納米纖維直徑進行計算，其直徑為φ190 nm，且其壓電常數(shù)d33=67 pm/V[10-11]。

PET基底厚度為0.175 mm，長寬由叉指電極而定；PDMS薄膜厚度約為0.2 mm；ITO叉指電極分為圓形和平行形2種，兩種電極的工作面積大小相差無幾，因此不會因工作面積的大小影響測量的結果。ITO叉指電極的具體結構尺寸如圖3所示。

圖3 ITO 叉指電極結構圖

圖4 靜電紡絲裝置示意圖

3 柔性壓力傳感器的制作

3.1 叉指電極的設計和制作

叉指電極選用具有導電率高、刻蝕容易的ITO[12]。首先把選用的厚度為0.175 mm 的PET 薄膜清洗一下去除表面附著的灰塵雜質，使用酒精蒸汽干燥保持表面清潔光亮；其次使用磁控濺射將ITO 附著在薄膜上，在加入ITO 之前對PET 薄膜表面增加一層SiO2，目的是利用SiO2的化學性質增加了ITO 在薄膜上的附著能力，防止反復實驗時ITO 脫離PET 薄膜；最后將光刻膠均勻涂在PET 薄膜上，經(jīng)曝光機進行曝光和顯影液對其顯影后，清洗去除表面的光刻膠即可制作成叉指電極。

3.2 制作PZT納米纖維

本文使用組裝簡便、體積小、容易操作，并且用控制性好的靜電紡絲裝置來制作納米纖維，靜電紡絲裝置主要有5 部分組成：1）高壓電源為裝置整體提供電壓；2）注射器裝載PZT 前驅體溶液；3）噴絲頭在高壓下噴射液體流；4）注射泵推動注射器；5）接收裝置接受納米纖維。靜電紡絲簡單裝置如圖4 所示，這3 個部分組成的有低壓射流接收裝置、高壓靜電紡絲發(fā)生器和射流接收裝置[13-14]。

靜電紡絲溶液的黏稠度不僅會改變納米纖維的形狀，還會改變納米纖維的特性，直徑分布不均勻的納米纖維就是因為前置溶液黏稠度高；但黏稠度過小時射流無法形成[15]。本實驗中加入少量PVP（聚乙烯吡咯烷酮）調節(jié)濃度，靜電紡絲前置溶液配置如圖5 所示。

圖5 PZT 前驅體溶液配置流程圖

靜電紡絲裝置是在湘潭大學材料科學與工程學院自組裝的，如圖6 所示。其工作環(huán)境溫度為21.9℃，濕度為40%，溶液的濃度為0.4 mol/L，其它各項參數(shù)如表1 所示。

第一步，先將PZT 納米纖維放入60 ℃的DZF型真空干燥箱保持10 h ；第二步，調節(jié)每分鐘增加5℃，當溫度達到400 ℃保持0.5 h；第三步，繼續(xù)調節(jié)溫度在550 ℃時保持2 h；第四步，將PZT 納米纖維取出自常溫放置慢慢慢冷卻[10]。流程圖如圖7 所示，圖8 為PZT 納米纖維顯微鏡圖。

圖6 平行電極靜電紡絲裝置實物圖

表1 平行電極靜電紡PZT納米纖維的各項參數(shù)

圖7 PZT 納米纖維退火處理過程圖

圖8 靜電紡PZT 納米纖維顯微鏡圖

3.3 PDMS薄膜的制作

制備PDMS 柔性薄膜的方法有多種，本文采用旋涂法，此方法操作簡單，制備出來的柔性薄膜均勻有彈性。圖9 是PDMS 柔性薄膜的制作過程。

3.4 制作出傳感器樣品

按照上述方法，制作出的柔性壓力傳感器具體實物如圖10 所示。

4 數(shù)據(jù)測試與分析

測試流程：信號發(fā)聲器發(fā)出信號傳入放大器，經(jīng)放大器放大把信號傳遞給激振器，激振器工作振動柔性壓力傳感器，柔性壓力傳感器發(fā)出電信號導入示波器，示波器顯示出電信號大小，如圖11 所示。

測試條件：動態(tài)壓強大小為20～60 kPa、在動態(tài)壓強40 kPa、動態(tài)壓強響應頻率100 Hz 下連續(xù)工作30 000 次。

圖9 PDMS 制作流程

圖10 柔性壓力傳感器樣品圖片

圖11 測試系統(tǒng)示意圖

1）在動態(tài)壓強響應頻率為100 Hz 的條件下, 以每次采集增加10 kPa 將動態(tài)壓強大小從20 kPa逐漸增加到60 kPa,然后收集5 組實驗數(shù)據(jù)，觀察分析動態(tài)壓強頻率大小變化的響應特性，軟件分析整理結果如圖12 所示。

圖12 軟件分析結果

在100 Hz 條件下平行叉指電極和圓形電極兩種柔性壓力傳感器的開路輸出電壓都伴隨著動態(tài)壓強的持續(xù)增大而不斷增大，達到最大時的動態(tài)壓強是60 kPa。

從圖13 中可以看出，兩種傳感器輸出電壓與壓強大小都近乎呈線性關系。通過軟件擬合得到傳感器的靈敏度：平行電極S=0.053 V/kPa、圓形電極S=0.005 V/kPa，說明動態(tài)壓強響應特性相比較時，平行電極要好于圓形電極。

圖13 兩種傳感器輸出電壓與壓強關系

2）使柔性壓力傳感器在40 kPa 壓強和100 Hz 壓強頻率下連續(xù)工作5 min，間隔1 min 收集1 次柔性壓力傳感器輸出電壓，將收集到的數(shù)據(jù)傳入軟件整理，根據(jù)輸出電壓大小變化得出柔性壓力傳感器是否穩(wěn)定可靠。圖14 表示柔性壓力傳感器連續(xù)工作5 min 的輸出電壓曲線。

圖14 柔性壓力傳感器連續(xù)工作5 min 輸出電壓曲線

圖14 中壓力傳感器在壓強大小為40 kPa，壓強頻率為100 Hz 條件下工作時，平行電極的傳感器的開路輸出電壓有一定程度的減小，兩者進行對比，圓形電極的傳感器開路輸出電壓變化大很多，所以圓形電極的傳感器可靠性更高。

6 結 語

本文通過研究設計并實驗制作了兩種不同結構的新型柔性動態(tài)壓力傳感器，通過柔性壓力測試系統(tǒng)分別對兩種傳感器進行了動態(tài)壓強大小頻率響應特性、傳感器穩(wěn)定性的測試。結果表明：兩種傳感器的輸出電壓都隨著動態(tài)壓強頻率的增大先增加后減小，在100 Hz 響應特性最好，與結構的不同近乎無關；隨著動態(tài)壓強的增大兩種傳感器的輸出電壓都成線性增加，其中平行電極的靈敏度S=0.053 V/kPa，遠大于圓形電極的靈敏度S=0.005 V/kPa，所以對于采用相同壓電材料的動態(tài)壓力傳感器，不同的電極結構會使其具有不同的穩(wěn)定性和靈敏度; 這兩種類型的傳感器的設計和制備可以很好地為新型柔性動態(tài)壓力測試系統(tǒng)傳感器的設計制備和應用提供一定的依據(jù)和參考, 對其發(fā)展和應用具有重要的指導意義。