基于模板法的可控微裂紋傳感元件加工方法研究

戚宏梓 楊智航 王可軍

蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇 蘇州 215100

1 導(dǎo)言

裂紋從宏觀的角度看確實(shí)會(huì)成為一種缺陷,眾多的學(xué)者也曾潛心研究如何克服這種缺陷,盡力地去規(guī)避材料產(chǎn)生裂紋的情況,而近年來有學(xué)者從仿生角度發(fā)現(xiàn)了微觀視角下的裂紋還可以有許多其他實(shí)際性的應(yīng)用。路甬祥院士曾指出:“人的創(chuàng)造欲是科技創(chuàng)新的根本動(dòng)力,自然和社會(huì)是我們認(rèn)知和創(chuàng)新服務(wù)的對(duì)象,也是我們學(xué)習(xí)的最好老師”[1]為了適應(yīng)自然界的各方面條件與需求,自然界的生物都進(jìn)化出了具有獨(dú)特功能的優(yōu)秀結(jié)構(gòu),為人類科學(xué)技術(shù)革新帶來了靈感。由聚合物基底和帶有納米裂紋的金屬膜所組成的基于納米裂紋的柔性應(yīng)變傳感器的理論依據(jù)是:宏觀角度被視為材料缺陷的裂紋在微觀角度可以實(shí)現(xiàn)有效的控制與圖案化。當(dāng)對(duì)傳感器施加微小的應(yīng)變時(shí),由于量子隧穿效應(yīng),納米裂紋邊界的連接變化將導(dǎo)致應(yīng)變傳感器的電阻發(fā)生急劇變化,因此它具有極高的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。目前三種方法對(duì)裂紋進(jìn)行控制和圖案化是彎曲法,拉伸法與應(yīng)力集中法[2]。上述方法都可解決裂紋的隨機(jī)性問題。但所產(chǎn)生的裂紋的蔓延與傳播都是由金屬材料本身的性質(zhì)與隨機(jī)缺陷決定的,故很難精確控制裂紋位置、長(zhǎng)度、密度等參數(shù),這使得彎曲法與拉伸法都具有很大的局限性,對(duì)精度要求較高的領(lǐng)域就無法使用。而集中應(yīng)力法可針對(duì)應(yīng)力集中對(duì)裂紋進(jìn)行精確的圖案化控制,目前常見的應(yīng)力集中手段是在基底上制作應(yīng)力集中的微結(jié)構(gòu),雖然這種方法可以有效的控制裂紋位置、密度、長(zhǎng)度等參數(shù),但用于應(yīng)力集中的孔槽結(jié)構(gòu)制作難度較高,若遇到裂紋制作要求的面積較大的情況,更是要制作許多應(yīng)力集中結(jié)構(gòu),這很大程度上增加了整體制作難度,因此這種方法主要用于較小尺寸與范圍的裂紋制作,一般制作長(zhǎng)度僅為幾百微米。

2 相關(guān)理論的研究與分析

2.1 量子隧穿效應(yīng) 在量子力學(xué)中,量子隧穿效應(yīng)指可以穿越或穿入位勢(shì)壘的微觀粒子(例如:電子)的一種量子行為,就是使微觀粒子的總能量低于位勢(shì)壘的高度。在量子隧穿效應(yīng)中,微觀粒子的透射系數(shù)是會(huì)隨著勢(shì)壘高度的變化而急劇改變的,將該關(guān)系映射到裂紋與電子之間的關(guān)系,可以證實(shí)即使是特別微小的應(yīng)變引起的裂紋參數(shù)細(xì)微的變化也會(huì)導(dǎo)致電子透過率的大幅改變,從而引起明顯的電阻阻值變化[3],將該關(guān)系反映至應(yīng)變傳感器的靈敏度系數(shù)的公式中即為:GF=(R/R0)/ε式中R為電阻的阻值變化量,R0為初始阻值,(R/R0)表示應(yīng)變傳感器在受應(yīng)變時(shí)的電阻變化率,ε為傳感器所受應(yīng)變量,兩者相除可表示在承受應(yīng)變時(shí),應(yīng)變傳感器感應(yīng)信號(hào)的靈敏度水平,若其值越高,傳感器的靈敏度就越高。由量子隧穿效應(yīng)中粒子與勢(shì)壘高度變化的關(guān)系的特性,可以明確基于微裂紋的傳感器在受到微小應(yīng)變量時(shí)也能擁有很高的阻值變化率,即超高的靈敏度。

2.2 裂紋圖案化方法與機(jī)理研究 本文采用的裂紋圖案化方法為基于模板法刷涂環(huán)氧樹脂控制中性層,大致過程為:使用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜作為樣片基底,再使用金(Au)和鉻(Cr)相粘合作為樣片金屬層,利用激光切割的方法切割出環(huán)氧樹脂形狀所需模板,再利用模板進(jìn)行環(huán)氧樹脂的刷涂,最后再布線、封裝、進(jìn)行彎曲以產(chǎn)生通過環(huán)氧樹脂控制好的裂紋圖案。

分析本文所采用的基于模板法控制環(huán)氧樹脂圖形從而控制裂紋圖案化的理論基礎(chǔ),此處對(duì)模板法進(jìn)行了材料力學(xué)方面的分析得到相關(guān)公式為:

由于d1遠(yuǎn)小于d2,在使用相等曲率半徑的圓弧進(jìn)行彎曲的情況下,無環(huán)氧樹脂層的金屬表面所受拉伸應(yīng)變?chǔ)?明顯大于有環(huán)氧樹脂層的金屬表面所受拉伸應(yīng)變?chǔ)?。若金屬表面所受應(yīng)變量超過其斷裂應(yīng)變量后便會(huì)發(fā)生斷裂,并且產(chǎn)生裂紋,因此無環(huán)氧樹脂覆蓋的金屬層較于有環(huán)氧樹脂覆蓋的部分更易出現(xiàn)裂紋,從而達(dá)到控制裂紋位置、密度等參數(shù),實(shí)現(xiàn)裂紋圖案化的目的,而且在后續(xù)實(shí)際操作過程中,實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與上述材料力學(xué)分析的結(jié)果都基本吻合。在對(duì)本文提出裂紋圖案化方法進(jìn)行理論基礎(chǔ)分析后,后續(xù)的實(shí)際操作和實(shí)驗(yàn)部分皆以上述理論為基礎(chǔ)。

3 可控微裂紋傳感元件的制備工藝

3.1 拉伸平臺(tái)的搭建 本文所搭建平臺(tái)的主要設(shè)計(jì)思路是,利用不同曲率半徑的圓棒來滿足圓弧面的要求,要固定圓棒的位置需要一個(gè)圓棒夾具體,本文設(shè)計(jì)的圓棒夾具體由夾具底座、刀片夾具座、圓棒夾具以及加強(qiáng)筋裝配而成。圓棒上端的螺紋孔既可以用于圓棒的夾緊,也可以用于更換曲率半徑略低于孔的公稱半徑的圓棒,制備時(shí)只需要將夾具體底座固定到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上即可完成對(duì)產(chǎn)生可控裂紋所需特定曲率半徑的圓弧的固定。

本文對(duì)夾持底座和夾具進(jìn)行特殊設(shè)計(jì),使得位移臺(tái)可以產(chǎn)生一定頻率的往復(fù)運(yùn)動(dòng),砝碼也保證了每一次彎曲的拉伸力度相同,從而達(dá)成了在金屬樣片上精確的產(chǎn)生可控裂紋的要求。

3.2 樣片材料的選取 本文的樣片制備采用的是以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜作為樣片基底,在基底上鍍一層金(Au)和鉻(Cr)相粘合的金屬層,再在金屬層上利用模板法刷涂一層環(huán)氧樹脂作為保護(hù)層,最后是旋涂一層聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為保護(hù)層。完整的樣片是由這四層材料組成的。

3.3 傳感元件的制作 本文提出的基于模板法制備的微裂紋傳感元件,是以PET薄膜為基底,Au與Cr作為金屬層噴涂于基底上,再根據(jù)所需裂紋密度和位置使用激光切割出環(huán)氧樹脂模板并利用模板刷涂一層環(huán)氧樹脂作為保護(hù)層,之后布上電極線,再使用PDMS進(jìn)行封裝,最后在拉伸平臺(tái)上進(jìn)行往復(fù)拉伸彎曲以產(chǎn)生可控裂紋。

4 對(duì)微裂紋應(yīng)變傳感元件的測(cè)試

4.1 傳感元件的性能測(cè)試 本文所描述的模板法制備加工出的微裂紋應(yīng)變傳感器的性能主要依靠靈敏度、重復(fù)性、遲滯性來衡量,故對(duì)其進(jìn)行此方面的測(cè)試。

4.1.1 靈敏度測(cè)試 靈敏度衡量了微裂紋應(yīng)變傳感器在受到應(yīng)變時(shí)的阻值變化程度。從圖4.1中可以直觀的看到,在承受拉伸應(yīng)變時(shí),應(yīng)變傳感器的相對(duì)電阻值(ΔR/R0)隨著應(yīng)變的增加而呈指數(shù)擬合式急劇上升,GF也隨之急劇增大,靈敏度極高。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)微裂紋應(yīng)變傳感器高靈敏度要求方面的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)性和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

4.1.2 重復(fù)性測(cè)試 重復(fù)性是反映應(yīng)變傳感器多次重復(fù)運(yùn)行穩(wěn)定性的重要性能之一,也是衡量微裂紋應(yīng)變傳感器實(shí)際使用價(jià)值的一項(xiàng)重要指標(biāo)。此處主要考慮傳感器樣片在重復(fù)彎折時(shí)相對(duì)電阻(R/R0)的標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。計(jì)算得知,采用模板法制備的微裂紋傳感器樣片在前20秒的724次循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)中的STD值為0.2478,RSD值為6.6471%,即使在相對(duì)阻值波動(dòng)最大的100-150s時(shí)間區(qū)間內(nèi),STD值也僅有0.5941,RSD值為13.5787%,可見利用本文提出的模板法制備出的微裂紋應(yīng)變傳感器具有良好的重復(fù)性。

4.1.3 遲滯性測(cè)試 為了準(zhǔn)確定義微裂紋傳感器的滯后性能,需要計(jì)算遲滯程度DH,如下公式所示DH=(AS-AR)/AS×100%

DH值越小代表微裂紋傳感器的滯后程度越小,滯后性能越好,式中AS與AR分別代表著微裂紋傳感元件加載和卸載過程中擬合曲線與橫軸圍成的面積,擬合曲線的表達(dá)式如圖3.3所示,分別對(duì)兩個(gè)擬合曲線進(jìn)行定積分運(yùn)算,可得AS=16.5455;AR=14.1878;從而計(jì)算出DH值為14.2498%,可見利用模板法制備出的微裂紋應(yīng)變傳感元件具有較好的遲滯性能,可以進(jìn)行重復(fù)拉伸和釋放實(shí)驗(yàn)。

4.2 人體信號(hào)的檢測(cè) 本文描述的微裂紋傳感器可以靈敏的檢測(cè)人體的呼吸、脈搏等生理信號(hào),這為微裂紋傳感器的醫(yī)療監(jiān)測(cè),電子皮膚等的應(yīng)用打下了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

4.2.1 呼吸信號(hào)的檢測(cè) 呼吸是人體最重要的生理信號(hào)之一,呼吸所傳遞的信息很大程度上可以反映一個(gè)人的生理健康狀態(tài)。當(dāng)人體進(jìn)行呼吸時(shí),胸腔隨著吸氣膨脹;隨著呼氣收縮,進(jìn)而導(dǎo)致緊貼于胸腔處的微裂紋傳感元件產(chǎn)生拉伸應(yīng)變,從而導(dǎo)致電阻發(fā)生劇烈變化。從而可以靈敏且實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)人體呼吸的頻率、幅度等各方面呼吸信號(hào),這也為其在未來智能的醫(yī)療器械的應(yīng)用中打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.2.2 脈搏信號(hào)的檢測(cè) 采用本文所提出的模板法制備的微裂紋傳感器同樣具有優(yōu)秀的脈搏檢測(cè)能力。

結(jié)束語

本文通過現(xiàn)有的傳感器技術(shù)與微裂紋制備技術(shù)綜合歸納出了一種以模板法為基礎(chǔ)的可控微裂紋傳感元件的加工方法,并且通過理論和實(shí)踐角度證明了這個(gè)方法的可行性。實(shí)際采用基于模板法的可控微裂紋傳感元件的加工方法進(jìn)行了傳感元件的完整制備;并對(duì)制備出的傳感元件樣片進(jìn)行了各方面性能測(cè)試以證明基于本文提出的模板法制備出的傳感元件具備了優(yōu)異的性能和實(shí)用價(jià)值。其利用裂紋傳感應(yīng)變信號(hào)的特殊性與隧穿效應(yīng),再加上納米級(jí)的尺度范圍,使得基于可控微裂紋的應(yīng)變傳感元件往往具有超高的靈敏度,優(yōu)秀的重復(fù)性能和遲滯性能,以及傳統(tǒng)機(jī)械量傳感器難以實(shí)現(xiàn)的小型化和可穿戴性;并且采用本文提出的基于模板法制備出的傳感元件已經(jīng)可以憑借其出色的性能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)且詳細(xì)的監(jiān)控人體生理信號(hào)的實(shí)用價(jià)值。