基于PDMS海绵介质层的电容式柔性压力传感器

陈 瞳,王瑞荣,李晓红

(1.太原工业学院电子工程系,太原 030008;2.太原工业学院网络信息中心,太原 030008)

对未来以人为本的电子技术的需求,柔性压力传感器在可穿戴设备、患者康复和生物医学假肢领域引起了广泛的关注,柔性压力传感器可嵌入衣物内部、包裹在皮肤表面、实时监测人体运动和健康状态。为了满足这些领域的应用,柔性压力传感器需要具备高的灵敏度、大的工作范围、和低成本等特征。

提高传感器灵敏度的方法有很多种,如采用微纳材料[1-2]、弹性体聚合物及其复合材料[3-4]和微纳结构[5-6](金字塔[7]、海绵[8]、半球阵列[9])等。三明治结构的电容式压力传感器[10-12]由于其成本低、制作简单等优点引起了广泛的研究,聚二甲基硅氧烷[13-14](PDMS)弹性体有着优良的弹性性能和生物医学符合人体组织等优点,是一种很有前景的材料。当有外部压力加载时,电容式传感器的弹性介质层容易变形(例如介质层厚度)引起电容的变化来测量施加力的值。因此,这种基于弹性体介电层的传感性能是由其机械性能决定的。目前,基于PDMS介电层的工艺大多都是基于光刻倒膜的方式制备的[15-16]。虽然文献中的这些传感器都有高的灵敏度,但是他们的制备工艺都比较复杂,成本较高,不利于大规模的生产。

因此,虽然先前报道的压力传感器满足灵敏度的要求,但是低成本、低制造和大的压力检测范围也同样的重要。本文利用碳酸氢铵(一种食品添加剂)填充在PDMS中实现了大面积高密度具有微观结构的PDMS海绵的制备。制备的传感器拥有大的压力检测范围、快速的响应时间、高的灵敏度和良好的耐用性。

1 PDMS海绵介质层的制备

图1 PDMS海绵的制备过程

图2 柔性压力传感器的制备流程图

2 柔性压力传感器的制备

柔性压力传感器的制备流程如图2所示,柔性压力传感器的基底材料为带有Cu电极的聚酰亚胺(PI),将两个带铜电极的PI、PDMS海绵和PDMS框架以三明治的形式进行封装,柔性压力传感器制备完成。最后将铜导线连接在电极的两端来进行信号的检测。相对于成本较高、工艺复杂的光刻MEMS工艺来说,该制备工艺成本较低、工艺简单。

3 柔性压力传感器的测试

柔性压力传感器的测试装置如图3所示,包括数显压力机和阻抗分析仪(E4990A)。将制备好的电容式压力传感器放置在数显压力机的载物台上,将压力传感器两端的铜导线连接到阻抗分析仪上,通过数显压力机进行压力的加载,阻抗分析仪实时检测受压下输出电容的变化。

图3 柔性压力传感器的测试装置

传感器的灵敏度公式为S=[(C-C0)/C0]/ΔP,其中ΔP代表施加的压力,C0为初始电容,C为受压后的电容。不同碳酸氢铵浓度的介质层灵敏度曲线如图4(a)所示,利用PDMS海绵作柔性压力传感器的介质层相对于纯的PDMS作介质层明显的提高了压力传感器的灵敏度。传感器可检测的压力范围为 0～50 kPa,当碳酸氢铵的浓度为20%时,传感器的灵敏度最高,在0～10 kPa的低压力范围内,灵敏度为0.23 kPa-1,在10 kPa～50 kPa的高压力范围内,灵敏度为0.01 kPa-1。20%碳酸氢铵浓度的PDMS海绵的灵敏度是未添加碳酸氢铵的PDMS介质层灵敏度的5倍。但是,当碳酸氢铵浓度增加到30%时,传感器的灵敏度降低,这是因为,过多的碳酸氢铵分解,气体全部从PDMS中释放出去,并未在PDMS中留下气泡或空气间隙。

不同厚度的PDMS海绵的灵敏度曲线如图4(b)所示,当厚度为1.5 mm时,传感器的灵敏度最高。随着厚度的增加压力灵敏度减小,这是由于当介质层较薄时,在同等的力的作用下会引起更明显的形变来增大电容的变化。不同大小的PDMS海绵为介质层的传感器的灵敏度曲线如图4(c)所示,为了兼容传感器的小型化,本文选取的是大小为8 mm×8 mm,厚度为1.5 mm的PDMS作为柔性压力传感器的介电层。

图4 PDMS海绵的压力传感器灵敏度

除了灵敏度外,传感器的稳定性、可恢复性和重复性也是表征其性能的重要参数。使用数显压力机给传感器循环的施加压力(0.5 kPa、2 kPa、5 kPa),传感器的输出响应曲线如图5(a)所示,传感器在同一压力施加后的电容值变化保持稳定。图5(b)和5(c)为柔性压力传感器的重复性和响应时间测试结果,通过给传感器加载和未加载压力,进行大于 1 000 个循环的测试,测试结果表明,传感器的电容值虽然有一定的偏差,但在误差允许的范围,重复性能良好,传感器的响应时间小于150 ms。

图5(d)为环境温度对传感器电容值的影响,由结果可知,在20 ℃～45 ℃的温度范围内,传感器在不同压力下的电容值波动范围在5%以内,说明环境温度对传感器的影响较小。

前面所述的测试主要用于传感器性能的标定,为了测试传感器的实际使用性能,我们将传感器贴在鼠标的左键上,传感器的响应曲线如图5所示,重复的按压和松开鼠标,传感器周期性的输出鼠标的压力信号,说明该传感器可以实时地、灵敏地检测鼠标按压时所受的力,有着快速的响应输出,在机器人电子皮肤领域有着广阔的应用前景。

图5 3种测试结果和温度对压力传感器的影响

图6 柔性压力传感器的实用性测试及结果

4 总结

本文利用碳酸氢铵(一种食品添加剂)填充在PDMS中实现了大面积高密度具有微观结构的PDMS海绵介质层的制备。通过简易的方法完成了柔性压力传感器的制备。该传感器有着大的压力检测范围(0～50 kPa)、快速的响应时间(<150 ms)、稳定的重复性(>1 000循环)和高的灵敏度,在0～10 kPa的低压力范围内,灵敏度为0.23 kPa-1,在10 kPa～50 kPa的高压力范围内,灵敏度为0.01 kPa-1。传感器可实时、灵敏地检测力的变化,在机器人电子皮肤领域有着广阔的应用前景。