微纳结构对电容式柔性压力传感器性能影响的研究*

全 勇,魏雄邦,肖 伦,吴 涛,庞韩英,吴双红,陈 志,蒋亚东

(电子科技大学光电信息学院,成都 610054)



微纳结构对电容式柔性压力传感器性能影响的研究*

全 勇,魏雄邦*,肖 伦,吴 涛,庞韩英,吴双红,陈 志,蒋亚东

(电子科技大学光电信息学院,成都 610054)

设计制备出三明治结构的电容式柔性压力传感器,并对其性能进行研究。该传感器以银纳米线为电极材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)为柔性衬底,同时采用毛面玻璃和光面玻璃分别作为柔性衬底的制备模板,制备出微纳结构和平面结构的PDMS薄膜。然后采用喷涂法制备AgNWs/PDMS复合电极,以另外一层PDMS为介电层,将两电极面对面封装,得到电容式柔性压力传感器,最后系统研究了传感器的电极微纳结构对器件性能的影响。本文研究表明,具有微纳结构的AgNWs/PDMS复合薄膜传感器的灵敏度为1.0 kPa-1,而平面结构的AgNWs/PDMS复合薄膜传感器的灵敏度为0.6 kPa-1,由此可知具有微纳结构的柔性衬底能够显著提高器件的灵敏度。

柔性压力传感器;微纳结构;聚二甲基硅氧烷(PDMS);银纳米线

柔性压力传感器因其具有柔性特性,既能贴附于不规则或者刚性物体表面、也能贴附于人体皮肤[1],其具有拉伸性以及外力的的感知特性,在人机交互系统和探测传感器系统[2]、智能家居、手持式消费电子产品[3]、医疗健康检测设备[4-6]、环境监测[7]等领域有着潜在的应用价值从而受到了越来越多的关注。根据不同的工作原理现在较为流行的压力传感器可分为电阻式、电容式和压电式。其中电容式传感器具有灵敏度高、迟滞小、动态响应好、温度稳定性好的优点而备受关注。柔性电容式的压力传感器是通过施加压力后电容值的变化来探测压力值大小,并对探测微小压力有着很高的灵敏度。其具有柔性化、可拉伸、生物相容性好、结构简单、工作可靠、分辨力高、动态响应快等优点。

柔性压力传感器因为其众多的优点,得到了国内外科研人员的广泛关注。美国斯坦福大学鲍哲南教授团队[8]将液态的聚二甲基硅氧烷(PDMS)倾注于倒金字塔形状的硅片模板中,固化并从模板中剥离得到带有微结构的PDMS作为介电层。由于PDMS具有非常好的弹性并且形变恢复快,故制备出的电容式压力传感器有较高的灵敏度,高达0.55 kPa-1,对微小的外力有非常好的响应。中国科学院苏州纳米所张珽团队[4]报道了一种高灵敏度、低检出限的柔性电子皮肤,首先是用PDMS复制丝绸的微结构,然后将碳纳米管薄膜转移到PDMS的微结构表面上,最后制备出了两个对电极面对面组合在一起的柔性压力传感器,其灵敏度高达1.8 kPa-1。但是目前对柔性压力传感器的微结构的制备大多都采用了光刻等复杂的制备工艺,这将造成成本的大大提高[8-9]。因此,追求柔性压力传感器的低成本、快速、大面积的制备必然是一种发展的趋势[10]。

本文设计制备了一种三明治结构的电容式柔性压力传感器,并对其性能进行了研究。该传感器以银纳米线为电极材料,以PDMS为柔性衬底,并采用毛面玻璃和光面玻璃分别作为柔性衬底的制备模板,制备出具有微纳结构和平面结构的PDMS薄膜。然后分别采用喷涂法制备银纳米线/PDMS复合电极,以另外一层PDMS为介电层,将两电极面对面封装,得到电容式柔性压力传感器,最后系统研究了传感器的电极微纳结构对器件性能的影响。

1 实验部分

1.1 银纳米线导电材料的合成

作为电极材料的银纳米线,是采用多元醇的方法制备的[12]。首先分别配制0.1 M的硝酸银(AgNO3)乙二醇溶液、0.3 M的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)(分子量为30 000)乙二醇溶液、2 mmol/L的氯化钠(NaCl)的乙二醇溶液。然后将上述混合液放入反应釜的聚四氟乙烯内衬中,在160 ℃烘箱中,反应2 h,得到纳米线混合液,再向得到的银纳米线混合液中加入3倍～5倍的丙酮,经过5 000 rad/min离心处理20 min,重复3次～5次,倒去上层清液,接着加入去离子水进行离心处理,以除去分散液中的PVP等杂质。最后将得到的沉淀取出后加入50 mL的丙酮,并超声振荡得到稳定的AgNWs分散液,其浓度为5 mg/mL。

1.2 传感器的制备

采用(3 cm×3 cm)毛面玻璃和光面玻璃作为两种模具,分别将玻璃基底依次经过丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗后,以待用。将PDMS主剂和硬化剂按质量比10∶1的比例混合,在真空中静置除去气泡,得到PDMS旋涂液;然后将混合液旋涂于上述两种玻璃基底上,在70 ℃的温度下进行固化成型。将固化成型后的PDMS薄膜剥离下,进行等离子体氧处理使其表面亲水,分别得到具有微纳结构和平面结构的PDMS底层柔性衬底。

将上述实验得到的银纳米线分散液加入喷笔中[13],并将柔性衬底放在加热台上,调节加热台的温度为100 ℃,喷涂银纳米线,即可在底层柔性衬底上得到银纳米线导电薄膜,然后在120 ℃温度下退火2 h,得到致密的、高导电性的银纳米线薄膜。

制备两个同样大小的光滑的PDMS薄膜作为两种传感器的介电层,然后将两个AgNWs/PDMS复合薄膜电极按照“三明治”结构面对面封装,并在传感器的两端粘贴电极引线,即得到电容式柔性压力传感器。

1.3 分析与测试

银纳米线的表征采用的是岛津紫外可见分光光度计(UV-1700),测试其紫外可见光谱。通过对溶液吸收峰的观察,可分析出银纳米线分散液的主要成分。并采用JSM-5900LV扫描电子显微镜对样品的表面进行观测和表征,和艾德堡HP-5数字推拉力计对传感器施加压力,以及天宇DT-6013数字电容表测试传感器的电容值。

2 结果与讨论

2.1 薄膜的表征

图1(a)为银纳米线溶液的紫外可见光谱。由图中可以看出有两个吸收峰,分别为350 nm和378 nm,它们符合银纳米线的特征吸收峰,证明了银纳米线较好的分散在溶液中。由图1(b),可以看出采用多元醇法合成的银纳米线的形貌比较均一,无杂质存在,并且有较高的长径比,其直径约为102 nm,长度约为10 μm～30 μm。

图1(c)、图1(d)分别给出了PDMS薄膜的平面结构和微纳结构,从图1(c)中可以看出由光面玻璃为模板制备的PDMS薄膜表面比较平整,而图1(d)中由毛面玻璃为模板制备的PDMS薄膜表面有许多凸起的微结构,其中凸起的高度约为4.5 μm。研究这两种结构的PDMS对传感器性能的影响具有重要意义。

图1 银纳米线和PDMS薄膜的表征

图2 两种传感器的响应曲线及灵敏度曲线

2.2 传感器性能的对比

为了更好地研究微纳结构对传感器性能的影响,分别对具有平面结构和微纳结构的两种传感器进行测试[11]。图2(a)为平面结构的柔性压力传感器对333 Pa压力的连续响应曲线,图2(b)为微纳结构的柔性压力传感器对333 Pa压力的连续响应曲线。由图中可以看出这两种结构的传感器都具有良好的稳定重复性,但微纳结构的传感器明显比平面结构的传感器响应度高。

传感器的压强和响应度之间的关系如图2(c)所示,平面结构的传感器与微纳结构的传感器的灵敏度有明显的差异。通常灵敏度定义为单位压强上传感器的响应度变化量,其公式如下:

(1)

C=ε0εr(A/d)

(2)

式中:C1为传感器的响应后电容值,C0为初始未加压强的电容值,P为所加压强值。ε0为真空介电常数,εr为相对介电常数,d为极板间距,A为两极板间的有效面积。由式(1)可知,传感器的灵敏度为图2(c)中曲线的斜率。

由图2(c)可知,具有微结构的柔性压力传感器灵敏度的曲线斜率比平面结构的传感器大。当压强小于500Pa时,微结构的传感器的灵敏度为1.0kPa-1,平面结构的传感器的灵敏度为0.6kPa-1;当压强大于500Pa时,微结构的传感器的灵敏度为0.08kPa-1,平面结构的传感器的灵敏度为0.045kPa-1。针对不同的压力范围,其灵敏度的这种大的差异主要是由于微结构的存在而产生的。由此可知,传感器的电极复合薄膜的微结构有利于提高其灵敏度。

2.3 传感器灵敏度差异的分析

电容式压力传感器相当于传统的平行板电容器,其两平行板间的电场被认为是匀强电场[14]。利用毛面玻璃作为模板,复制出具有一定微纳结构的PDMS薄膜,在PDMS上喷涂银纳米线,由于PDMS的微纳结构使得银纳米线在其表面呈现出粗糙的分布状态。由于微纳结构的存在使得复合薄膜电极与PDMS介电层之间存在大量的空气间隙,这时PDMS膜和空气间隙共同组成的混合结构即为传感器中间的介电层。当外界施加压力时,空气间隙快速减少使得介电层的相对介电常数快速变化,故传感器的灵敏度较高。

另一方面,具有微结构PDMS的传感器在受到压力作用时,电极受到挤压,粗糙起伏的结构使得银纳米线电极极板间的距离和极板的等效面积发生明显的变化,在施加相同压力的情况下电容的有效面积增大导致电容值快速增大,并最终导致灵敏度增大。

但是对于光滑的电极表面,当相同的压力作用在柔性衬底上时,平行板电容器极板间的距离发生变化较小,这种变化没有粗糙电极的传感器的变化大,其灵敏度也相对较小。

3 结论

本文采用采用简单、低成本的方法制备了三明治结构的柔性电容式压力传感器,采用模板复制的手段制备出具有微结构的PDMS柔性薄膜和平面结构的PDMS柔性薄膜,并对比这两种结构的柔性压力传感器的性能。具有微纳结构的AgNWs/PDMS复合薄膜传感器的灵敏度为1.0kPa-1,而平面结构的AgNWs/PDMS复合薄膜传感器的灵敏度为0.6kPa-1。研究表明柔性传感器的灵敏度受电极表面微观形貌影响较大,当AgNWs/PDMS复合薄膜电极表面具有微结构时,传感器的灵敏度较高。而当电极表面比较平整时传感器的灵敏度相对较低。针对以上的研究,在传感器的实际应用中,可以采用制备电极表面微纳结构的方法来显著提升其灵敏度。

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全 勇(1990-),男,河南南阳人,电子科技大学光电信息学院,硕士研究生,主要从事柔性传感器方向的研究,yongQ17@163.com;

魏雄邦(1976-),男,甘肃兰州人,电子科技大学光电信息学院,副研究员,主要从事光电材料与集成器件,太赫兹光电子学,敏感电子学与传感器技术,weixiongbang@uestc.edu.cn。

The Performance of Flexible Capacitive Pressure Sensor with Microstructured PDMS Films*

QUANYong,WEIXiongbang*,XIAOLun,WUTao,PANGHanying,WUShuanghong,CHENZhi,JIANGYadong

(School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)

The sandwich structure flexible capacitive pressure sensor was designed. The sensor adopted polydimethylsiloxane(PDMS)as flexible substrate,silver nanowires as the electrode material,and PDMS as dielectric layer,in addition,the substrate was made by two kinds of structures,the obscured glass substrate with micro-nano structured surface and the smooth glass substrate without micro-nano structured surface,as effective moulds for construction of flexible PDMS thin films. We laminated the two AgNWs/PDMS films together,face-to-face,with another PDMS as dielectric layer,to obtain the capacitive strain sensor,and then study the influence of micro-nano structure on the sensor sensitivity. And the sensitivity of micro-structured AgNWs/PDMS composite sensor was about 1.0 kPa-1,while the sensitivity of flat structured sensor was about 0.6 kPa-1. Research has shown that micro-nano structured electrode can effectively improve the sensitivity of the device.

flexible pressure sensor;micro-nano structure;polydimethylsiloxane(PDMS);silver nanowires

项目来源:国家自然科学基金(61474016,61101030,61371046,61421002)

2016-09-06 修改日期:2016-10-22

TP212

A

1004-1699(2017)03-0337-04

C:7230;7230G

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.03.001