竇穎艷,姚 俊
(1.南昌理工學院電子與信息學院,江西 南昌 330044;2.南昌理工學院特種機器人技術(shù)研究所,計算機信息工程學院,江西 南昌 330044)
傳感器技術(shù)的發(fā)展推動了各種儀器的研究和應(yīng)用,在設(shè)備儀器中集成不同的傳感器,可用于采集所需的信息。傳感器可將采集的信息轉(zhuǎn)化為電信號,然后高效傳輸給其他器件[1]。近年來對于柔性壓力傳感器的研究較多,包括聲學式、壓電式等傳感器[2-3]。其中電容式壓力傳感器的優(yōu)勢最為顯著,其結(jié)構(gòu)簡單,制作成本低,靈敏度高,檢測結(jié)果準確,故無論在研究還是在應(yīng)用領(lǐng)域中均吸引了大量的關(guān)注[4-5]。
柔性壓力傳感器可用于對壓力進行有效檢測,當壓力作用于傳感器上時,傳感器會發(fā)生形變,形變程度與壓力大小有關(guān)[6-8]。該類傳感器適用性較強,應(yīng)用范圍較廣,可滿足多種檢測場景的要求。目前針對柔性壓力傳感的研究持續(xù)增多,人們主要通過兩種方式提升柔性壓力傳感器的響應(yīng),一種為改變襯底材料,如Kou 等[9]將適量石墨烯材料添加到柔性基底內(nèi),制備出了穩(wěn)定性較高且響應(yīng)速度快的傳感器。Cui 等[10]設(shè)計了一種基于PDMS 襯底的“V 型”陣列結(jié)構(gòu),同時提高了傳感器的穩(wěn)定性與靈敏度。另一種方式為對介質(zhì)層結(jié)構(gòu)進行微結(jié)構(gòu)化,如Ahmed 等[11]通過仿生玫瑰花瓣翻模制作了介質(zhì)層,制作的傳感器靈敏度可達0.08 kPa-1。柔性壓力傳感器目前已應(yīng)用到人機交互及醫(yī)療健康等領(lǐng)域中,顯示出廣闊的應(yīng)用前景[12-14]。
生物的復眼具備大視場和高靈敏度,基于復眼結(jié)構(gòu)的智能設(shè)備,已應(yīng)用在多個領(lǐng)域中[15]。如果將復眼結(jié)構(gòu)用于介質(zhì)層的制備,可提升傳感器的性能。
本文設(shè)計了一種電容式壓力傳感器,在傳感器中采用了復眼結(jié)構(gòu),襯底為PDMS,通過MEMS 工藝加工而成。通過對制作的傳感器檢測分析可得,其在性能上可以達到良好的效果。
電容式壓力傳感器的原理示意圖如圖1 所示,在外部壓力變化時導致電容改變。平行板電容(C)表達式如下所示:
圖1 柔性傳感器工作原理示意圖
式中:ε代表兩極板間材料的介電常數(shù);ε0為空氣介電常數(shù)(8.85×10-12F/m);εr為相對介電常數(shù);d為極板間距;A為極板間的有效面積。本文采用變極距類型改變電容的變化,可以實現(xiàn)對壓力變化的有效檢測。根據(jù)得到的研究結(jié)果可知,微結(jié)構(gòu)的應(yīng)用有助于改善傳感器的靈敏度。
本文設(shè)計的介質(zhì)層采用了半球體復眼結(jié)構(gòu),傳感器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。整個器件總體劃分為五個層次,其中最上層和最下層為PDMS 薄膜,中間層是帶有雙面復眼結(jié)構(gòu)的PDMS 薄膜,為介質(zhì)層;第二層和第四層為電極層,經(jīng)plasma 處理后的PDMS 上通過納米團簇濺射一層均勻的Ag,將五層鍵合在一起形成復眼結(jié)構(gòu)傳感器。
圖2 傳感器基本結(jié)構(gòu)示意圖
為了最大化利用填充因子,掩膜版采用圓陣列設(shè)計,其中每三個相鄰圓形的圓心組成正三角形,通過CAD 繪制復眼結(jié)構(gòu)掩膜版,尺寸為1 cm×1 cm,圓間距、直徑分別是8 μm、66 μm。
選擇硅片進行超聲清洗,依次采用去離子水、丙酮、乙醇、去離子水清洗12 min、18 min、14 min、11 min;清洗結(jié)束后進行干燥處理。具體的制作流程如下:
①勻膠。勻膠兩次后將AZ4620 涂覆在硅片上,然后烘干;烘干后再次涂覆AZ4620,使得兩層正膠達到28 μm 的厚度。
②光刻。在硅片上方放置掩膜版進行紫外線曝光。
③顯影。配置AZ400K 和H2O 體積比為1 ∶3 的顯影液,然后放入硅片顯影140 s 后清洗、干燥。
④熱熔。在烘臺以180 ℃的溫度對硅片熱熔30 min 后可得到半球體。
⑤倒模。將固化劑和PDMS 預聚物以體積比為1 ∶10 進行混合。攪拌至充分均勻后涂覆于硅片表面,烘干后得到副膜。
⑥二次倒模。在副膜表面沉積180 nm 的派瑞林(Parylene),然后涂覆PDMS,進行烘干后得到單層復眼微結(jié)構(gòu)。
⑦鍵合。通過背靠背模式將PDMS 鍵合,然后烘干得到介質(zhì)層。工藝流程圖如圖3 所示。
圖3 介質(zhì)層工藝流程圖
利用掃描電子顯微鏡(Scanning electron Microscopy,SEM)對介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)特性進行觀測,如圖4所示,由圖可見,介質(zhì)層表面保持了良好的均勻性。在熱熔處理之后,各個復眼結(jié)構(gòu)尺寸顯著降低,單個子眼的高度、直徑分別是18 μm、66 μm。
圖4 介質(zhì)層SEM 表征
本文柔性電極層的制作需在PDMS 表層濺射金屬銀。首先必須對PDMS 進行親水改性處理,處理過程為:將PDMS 混合液以200 μm 的厚度均勻旋涂于硅片表面;經(jīng)過30 min 的干燥處理得到PDMS薄膜;然后進行100 s 的plasma 處理;最后通過SDS(Sodium Dodecyl Sulfate)進行改性處理。改性后在PDMS 表面通過納米團簇沉積100 nm 的金屬銀薄膜,制備的傳感器實物如圖5 所示。
圖5 傳感器實物圖
對復眼傳感器進行動態(tài)實驗,傳感器的響應(yīng)時間和恢復時間如圖6 所示。由圖可見,對于復眼結(jié)構(gòu)傳感器,其響應(yīng)時間和恢復時間分別為130 ms 和120 ms,表明制造的復眼傳感器具有較快響應(yīng)速度。
圖6 響應(yīng)特性
柔性傳感器在循環(huán)載荷下的電容響應(yīng)如圖7 所示。相同載荷下,卸載時的電容大于加載時的電容,該現(xiàn)象是由彈性材料的彈性滯后特性引起的。遲滯性參數(shù)E的計算公式為:
圖7 循環(huán)載荷下的電容輸出響應(yīng)
式中:Cloading與Cunload分別為同一載荷下加載和卸載的電容響應(yīng);Cmax為電容的最大輸出響應(yīng)。遲 滯性越小,柔性傳感器的性能就越好。結(jié)合圖7 和式(2)可知,該傳感器在0~25 kPa 載荷范圍內(nèi),遲滯性參數(shù)均小于7%,遲滯特性良好。
本次設(shè)計傳感器的測試結(jié)果如圖8 所示。其中圖8(a)為測試平臺,整個平臺中劃分為多個部分,需要先在平臺中設(shè)置傳感器,然后對相關(guān)的測試參數(shù)進行合理設(shè)置,包括電擊器頻率以及測試次數(shù)等,最終得到的測試結(jié)果,如圖8(b)所示。根據(jù)圖中信息可知,在循環(huán)次數(shù)為12 000 次時,傳感器的性能基本保持不變,保持了較高的穩(wěn)定性。
圖8 復眼傳感器測試平臺以及循環(huán)測試結(jié)果圖
本文給出了復眼結(jié)構(gòu)與無微結(jié)構(gòu)的兩種傳感器的靈敏度測試結(jié)果,如圖9 所示。首先需要在傳感器上方放置壓力機,并與LCR 測試儀進行連接,然后對復眼結(jié)構(gòu)、無微結(jié)構(gòu)的兩種柔性介電層展開實驗,記錄初始電容以及壓力加載測試結(jié)果,最后計算出電容變化率。將各個壓力得到的電容與初始電容作差,然后計算該差值和初始電容的比值。由圖9 可見,當壓力處于0~4 kPa 時,無微結(jié)構(gòu)、復眼結(jié)構(gòu)的傳感器靈敏度明顯不同,二者分別是0.19 kPa-1、0.28 kPa-1,其中后者對于靈敏度的提升效果比較顯著,大約為前者的1.5 倍。壓力變化導致靈敏度改變,二者表現(xiàn)為負相關(guān)的關(guān)系。當壓力處于4 kPa~10 kPa 時,兩種結(jié)構(gòu)的靈敏度分別是0.022 kPa-1、0.041 kPa-1。
圖9 兩種結(jié)構(gòu)傳感器靈敏度測試結(jié)果
對所研制的復眼結(jié)構(gòu)傳感器在可穿戴檢測方面的實際應(yīng)用進行了研究。在實驗過程中用手指壓住傳感器,以此可以對傳感器的響應(yīng)進行檢測,在設(shè)備正確連接之后可以開始采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)基本不變時用指尖施加不同的壓力,通過這種方式即可對電容的微小變化進行檢測,傳感器對指尖施加不同壓力的響應(yīng)如圖10(a)所示,可以看出,隨著壓力的增加,相對電容單調(diào)增加。此外,傳感器的快速響應(yīng)表明,該裝置能夠在移除指尖后恢復到初始狀態(tài)。此外,在應(yīng)用五個循環(huán)的重復低壓或高壓時如圖10(b)所示,所研制的傳感器還具有良好的重復性。
圖10 復眼傳感器在檢測中的應(yīng)用
針對該傳感器的應(yīng)用效果進行檢測分析,需要在手指中設(shè)置傳感器,并與LCR 測試儀進行有效連接。本次設(shè)計的復眼結(jié)構(gòu)傳感器的優(yōu)勢在于能夠直接檢測到彎曲力。在按照上述操作正確連接之后,可以開始采集相關(guān)的數(shù)據(jù),手指需要進行適當活動,在逐步彎曲之后然后伸直,從0°彎曲到120°,然后再慢慢到0°,可以得到對應(yīng)的檢測結(jié)果,具體如圖10(c)中所示。
此外,為了評估傳感器在對重物的感知能力,將所研制的復眼結(jié)構(gòu)傳感器連接到指尖進行重量檢測,方法是抓取塑料杯12 s,然后將其放下。圖10(d)為杯子抓取過程的動態(tài)響應(yīng),空杯子、裝半杯橙汁的杯子的和裝滿橙汁的杯子。復眼結(jié)構(gòu)傳感器的響應(yīng)可以識別杯子中橙汁的狀態(tài)。當抓取空紙杯時,電容值的相對變化最小,約為0.4。通過增加橙汁量,發(fā)現(xiàn)傳感器電容的相對變化顯著增大,當杯子裝滿橙汁時,電容的相對變化達到1.1 左右,相對電容變化的線性響應(yīng)有助于簡化檢測電路的設(shè)計。
本文主要對復眼結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器進行了設(shè)計和制作,傳感器的結(jié)構(gòu)分為三層,電極層-介質(zhì)層-電極層。每層均采用不同的材料和工藝制作而成,其中介質(zhì)層主要是鍵合而成的復眼結(jié)構(gòu),工藝流程包括光刻、翻模等。電極層通過濺射金屬銀薄膜的方式制作。制作完成后,針對該傳感器的應(yīng)用效果進行了測試分析,研究結(jié)果表明該傳感器能夠檢測出瞬時信號,并且具有較高的穩(wěn)定性與靈敏度,實用性較強。且制作的傳感器可完成對指尖感應(yīng)的高效檢測,穩(wěn)定性良好。因此,本文制作的柔性壓力傳感器可應(yīng)用于穿戴設(shè)備中,有較高的實用價值。