基于微結(jié)構(gòu)的柔性電容式壓力傳感器設(shè)計與仿真研究*

侯麗娟, 秦會斌, 胡煒薇

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院,浙江 杭州 310018)

0 引 言

柔性壓力傳感器在可穿戴電子、健康檢測、電子皮膚等方面有廣闊的應(yīng)用前景,其工作機理可分為五類：電容式[1,2]、壓電式[3～5]、光學(xué)式、摩擦電式[5,6]和壓阻式[7～9]。柔性壓力傳感器不僅響應(yīng)迅速,還具有良好的生物相容性,柔韌性能好,受到了廣泛的關(guān)注和研究,也是柔性電子材料與器件的主要研究熱點。柔性壓力傳感器在信息傳輸和采集方面具有良好的性能,是一類很重要的器件,能將外界感受的壓力轉(zhuǎn)換為電學(xué)、光學(xué)能夠直接測量的信號數(shù)據(jù),通過這些反映壓力信號的大小分布情況。Chen S等人[1]開發(fā)了多孔聚二甲基硅氧烷(poly dimethyl siloxane,PDMS)電容式傳感器,將PDMS與NH4HCO3混合,使PDMS彈性體中具有高密度的氣泡。該傳感器在低壓力范圍內(nèi)具有快速響應(yīng)能力和高靈敏度(0.01 kPa-1)。而且,加入微結(jié)構(gòu)能提高壓力傳感器的靈敏度,如多孔結(jié)構(gòu)[10]、金字塔結(jié)構(gòu)[11]、波紋結(jié)構(gòu)[12]等都能起到增大型變量的效果,并且已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到壓力傳感器中。但是,其構(gòu)造制造工藝復(fù)雜性,成本較高等問題限制了柔性壓力傳感器的大規(guī)模實際應(yīng)用。

傳感器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)就是靈敏度、響應(yīng)時間、空間分辨率等,通過對傳感器制備材料和結(jié)構(gòu)的研究,可以提高傳感器的性能指標(biāo),進(jìn)一步擴展傳感器的應(yīng)用范圍。

本文利用低成本和簡單的工藝技術(shù)設(shè)計一種帶有微棱錐體結(jié)構(gòu)的模具,并利用此結(jié)構(gòu)制備傳感器的上電極層。PDMS是一種柔韌性能強的柔性材料,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,生物相容性好,利用PDMS制作帶有微結(jié)構(gòu)的柔性基底。碳納米管有較大的比表面積和良好的導(dǎo)電性能,可用來制備傳感器的導(dǎo)電材料,制備電極層,采用絲網(wǎng)印刷工藝將材料鋪設(shè)在柔性基底上。此設(shè)計的基于微棱錐體結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器,制造成本低、靈敏度高、易于實現(xiàn)。

1 傳感器材料與微結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 材料與原理

介電層材料不同的微觀結(jié)構(gòu)和相對介電常數(shù),對柔性壓力傳感器的靈敏度和響應(yīng)時間有很大的影響。介電層材料選用PDMS(Sylgard 184,道康寧),包括了PDMS主劑和固化劑,為無色透明粘性液體。電極材料也直接影響柔性傳感器的性能,選用多壁碳納米管(multi-walled carbon nano-tubes,MCNTs)純度95 %,黑色粉末狀,內(nèi)徑3～5 nm,外徑8～15 nm,長度在3～12 μm之間,比表面積大于233 m2/g,導(dǎo)電性能良好。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)簡介如表1所示。

表1 碳納米管主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)TEM圖中多種碳納米管進(jìn)行統(tǒng)計,得到的壁厚分布圖如圖1所示。

圖1 碳納米管壁厚分布

柔性壓力傳感器有多種結(jié)構(gòu)模型,其基本工作原理都是將壓力形變轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅鞯碾妼W(xué)或光學(xué)性能參數(shù),以此反饋外界壓力分布及大小情況。

1.2 傳感器制作

在制備壓力傳感器時,提高其性能指標(biāo),并且針對制備工藝復(fù)雜的問題,需要進(jìn)一步簡化其過程,降低制作成本,圖2為總體結(jié)構(gòu)圖。

圖2 總體框架圖

PDMS在預(yù)處理過程中使用手工或者自動設(shè)備將PDMS主劑和固化劑以質(zhì)量10：1比例攪拌均勻,進(jìn)行真空脫泡處理,膠體較多時,脫泡時間適當(dāng)延長。將處理好的混合液體滴涂在清洗干凈的玻璃器皿上,均勻地旋涂,在室溫下固化48 h成膜,在溫度高的環(huán)境中,固化時間適當(dāng)縮短,將PDMS膜切割成6 cm×6 cm方形形狀。

碳納米管需要進(jìn)行氧化處理,將碳納米管粉末和稀硝酸以質(zhì)量10：7比例混合,磁力攪拌機混合攪拌,超聲分散30 min,防止碳納米管粒子間發(fā)生團(tuán)聚,使混合溶液均勻分散,再加入去離子水稀釋溶液,濾去上層溶液清液,直至上層清液呈現(xiàn)中性,使用0.22 μm的過濾膜過濾,即得到氧化碳納米管。對氧化碳納米管進(jìn)行紅外光譜分析,如圖3所示。

圖3 氧化前后碳納米管紅外光譜

圖3中,N為原始碳納米管的紅外光譜,M為氧化后的碳納米管光譜,從圖中可以看出,氧化后的A點羥基的吸收峰得到了增強,B點處羧基或者羥基能夠相互或者自身之間形成氫鍵,并且氫鍵越多,表明氧化程度越高,所以該吸收峰的位置發(fā)生了一定的藍(lán)移。碳納米管在氧化過程中隨著溫度升高,質(zhì)量也會有所損失,隨著氧化時間的延長,羥基的含量增加,質(zhì)量損失的要多一點,經(jīng)熱重結(jié)果分析,如圖4所示。

圖4 氧化溫度為25 ℃時的碳納米管熱重分析

圖4中，L曲線為未氧化碳納米管,質(zhì)量減少可能是因為受空氣中水分影響,K曲線為在25 ℃氧化溫度條件下,其質(zhì)量損失情況。從此可以說明稀硝酸的氧化性能很強,對碳納米管有很好的化學(xué)修飾性。

設(shè)計微型棱錐體結(jié)構(gòu),采用3D打印技術(shù)制得模具,將混合好的PDMS預(yù)聚液和固化劑在模具上固化,制備帶有微結(jié)構(gòu)的PDMS膜。 根據(jù)電極陣列和導(dǎo)線分布,制作絲印網(wǎng)版,上下電極就是平行帶狀結(jié)構(gòu),如圖5所示。

圖5 電極陣列和導(dǎo)線分布

通過絲印網(wǎng)板,利用絲網(wǎng)印刷工藝將氧化碳納米管材料印刷至制備好的PDMS薄膜上,即制得帶有微結(jié)構(gòu)的上電極層和平整的下電極層。將上下電極層垂直交叉放置,中間為一層介電層PDMS膜,即為三明治結(jié)構(gòu)。柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如下6所示。

圖6 傳感器結(jié)構(gòu)示意

電極導(dǎo)線選用鋁,在電極層兩端布置,為了確保穩(wěn)定的導(dǎo)電性和牢固的連接,將導(dǎo)線刺破薄膜引出端子,用PDMS將導(dǎo)線端口處進(jìn)行封裝。將其放在烘箱中固化2 h,取出樣品即可。

2 微結(jié)構(gòu)設(shè)計

大量研究表明,對柔性電極層或者介電層進(jìn)行微結(jié)構(gòu)化處理是提高柔性壓力傳感器靈敏度等性能指標(biāo)的有效方法之一。微結(jié)構(gòu)的樣貌多種多樣,常見的有金字塔形、波浪形、圓柱形、仿生微結(jié)構(gòu)、泡沫多孔微結(jié)構(gòu)等等。微結(jié)構(gòu)大多在柔性基體表面,在壓力作用下,發(fā)生形變,是表面介電層常數(shù)/介電常數(shù)發(fā)生變化,引起電容變化,實現(xiàn)對外界壓力的感知與檢測。本文設(shè)計了一種微棱錐體結(jié)構(gòu),在柔性基底上加入微結(jié)構(gòu),將導(dǎo)電材料印刷,制得微結(jié)構(gòu)電極層。微結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖7所示。

圖7 微結(jié)構(gòu)設(shè)計

在圖7中,左邊圖為帶有微棱錐體結(jié)構(gòu),右邊為對比圖。采用3D打印技術(shù)打印模具,將PDMS和固化劑混合溶液在模具上固化成膜,制備微結(jié)構(gòu)的柔性基底膜。使用Comsol Multipysics軟件對棱錐體微結(jié)構(gòu)做仿真分析,仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 仿真結(jié)果

從圖8中可以看出,在同樣的復(fù)合材料下,實現(xiàn)棱錐體結(jié)構(gòu)的電極層,在壓力作用下,形變量大于無微結(jié)構(gòu)的樣品,表明加入棱錐體微結(jié)構(gòu)可以有效提高柔性壓力傳感器的靈敏度,增大形變量。

3 結(jié)束語

本文從提高柔性壓力傳感器的靈敏度角度出發(fā),設(shè)計了一種棱錐體微結(jié)構(gòu),利用3D打印技術(shù)制備結(jié)構(gòu)模具,導(dǎo)電材料通過絲網(wǎng)印刷工藝鋪設(shè)在帶有微結(jié)構(gòu)的柔性基底膜上制得上電極層,下電極層為平滑電極層,中間為介電層。經(jīng)仿真結(jié)果證明,此微結(jié)構(gòu)設(shè)計對傳感器性能有一定提升效果。但目前單一均勻的微結(jié)構(gòu)對傳感器的性能提升空間有限,未來可以針對微結(jié)構(gòu)的形狀、分布等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,不同微結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合設(shè)計,開發(fā)新型微結(jié)構(gòu)等方法提高傳感器性能指標(biāo)。