基于双层微结构电极的柔性电容式压力传感器

张 鹏，陈昱丞，张 建，李玉霞

(山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛 266590)

0 引言

随着新材料和微纳米技术的发展，大量的柔性传感器被应用于机器人皮肤[1]、智能假肢[2]、可穿戴设备[3]等领域。目前传感器根据能量和信息转换方式可以分为以下几类：电容式[4-5]、电阻式[6-7]、压电式[8]。相比其他形式的传感器，电容式传感器具有结构简单、灵敏度高、性能稳定等特点，引起越来越多的学者对其进行关注和研究。

当前，改善电容式性能的方法主要有以下两种。一种是在中间介电层表面增加微结构，降低介电层的杨氏模量，增加形变能力，从而提高传感器的灵敏度性能。另一种就是在中间介电层中添加纳米材料改变传感器的介电常数。Z.P.Ji等利用MEMS技术在介电层表面引入了4种不同的微结构，仿真及实验得到了最优的灵敏度微结构，实现了机器人快速避障[9]。法国国家科学研究中心设计了一种利用复合泡沫材料和导电炭黑获得了超高灵敏度的电容式传感器，实现了对脉搏的检测[10]。

本文根据电容式传感器的基本原理，提出了一种基于双层微结构电极的柔性电容式压力传感器的设计方法。区别以往只在中间介电层进行改善性能的方式，在电极的表面引入金字塔阵列微结构。当传感器受到外部压力时，电极表面金字塔结构受力压缩，改变传感器电极之间的相对面积，从而改变传感器的电容变化量。测试结果表明：与电极表面不带微结构的传感器对比，该方法设计的传感器可以明显的提高器件的灵敏度。

1 传感器的设计与制备

1.1 设计原理

电容式传感器总体结构为三明治结构，由上下两个电极板和中间的介电层组成。电容式传感器的电容值可表示为

(1)

式中：A为上下电极板间的相对面积；εr为相对介电常数；ε0为真空中的介电常数；d为电极板之间的距离。

由式(1)可知传感器电容值C受εr，d,A因素的影响。在本文中利用电极板表面增加微结构这一方法，增大传感器电极之间的相对面积A，通过外界压力对电极板之间的相对面积的影响，提高传感器的灵敏度。

1.2 传感器电极的制备

微结构电极的制备流程图1所示。利用MEMS(微机电系统)工艺，在硅片基底上刻蚀出金字塔形状的凹槽备用。聚二甲基硅氧烷(PDMS)的主剂和固化剂以10∶1的质量比进行配比，放入真空箱中抽真空20 min，去除PDMS中的气泡形成预置体。将刻蚀好的硅片放置匀胶机上，倒入配好的PDMS预置体，旋转速度为350 rad/min，时间为100 s。将涂有PDMS的硅片基底放在80 ℃的真空烘箱中固化3 h后剥离获得带有金字塔微结构的PDMS薄膜。然后把制备好的PDMS薄膜放在小型金属溅射仪中溅射150 s，靶材为金(Au)。最后获得带有金字塔微结构的PDMS电极薄膜。图2是带有微结构的PDMS电极薄膜溅射金属前后的表面形貌SEM图。同样按照制备流程图1的方法，在干净的玻璃片上固化没有微结构的PDMS薄膜。一部分溅射金属，另一部分作为电容式传感器的中间介电层。在这里说明一下为了改善PDMS表面的疏水性、易吸附物质性。将薄膜放入等氧离子清洗机进行处理，增加其与金属的吸附性。

图2 微结构电极溅射前后的表面SEM图

1.3 柔性压力传感器的制备

将制备好的电极层和中间介电层裁剪成同样尺寸(3 cm×1 cm)，分别按照图3的形式完成三明治式的电容式柔性压力传感器的封装制备。图3(a)是有双层微结构电极，图3(b)是有单层微结构电极，图3(c)是无微结构电极。最后用导电胶带在传感器的两端用导电铜线引出。图4为双层微结构电极传感器的总装示意图。

(a) (b) (c)

图4 双层微结构电极传感器的总装图

2 传感器测试与分析

2.1 传感器的测试

测试系统如图5所示。压力加载设备采用ZQ-990A推拉力计，测试设备采用型号为TH2826的LCR表。将测试的传感器样品放到推拉力计的测试台上，传感器电极引出的铜线连接到LCR测试表上。本次测试的测试频率为1 kHz，偏置电压为0，推拉力计的压力测试范围为0～5 kPa。

图5 柔性电容式传感器的测试装置

2.2 结果与分析

2.2.1 不同层数的微结构电极对灵敏度的影响

为了更好地看出微结构对传感器性能的影响，分别对双层、单层和无结构的电极传感器进行测试。图6为3种传感器的电容变化和压力的关系。电容式传感器的灵敏度S定义为

(2)

式中：C0为电容初始值；ΔC=C-C0；p为相对压力变化，kPa。

图6 不同层数微结构电极传感器压力下的电容变化曲线

由图6可以看出，具有双层微结构电极的传感器灵敏度最高为S1=0.34 kPa-1，单层微结构电极的传感器灵敏度次之为S2=0.064 kPa-1，无微结构电极的传感器灵敏度最小为S3=0.02 kPa-1,双层微结构传感器的灵敏度是无微结构电极传感器的17倍。结果表明电极表面增加金字塔微结构的传感器能够显著地改善传感器的灵敏度，双层结构能够有效地增大传感器的表面积，增大电容变化量达到改善传感器性能的目的，这与本文的设计原理是一致的。

2.2.2 基于双层微结构电极传感器的性能测试

压力传感器不仅具有高灵敏度，还具有能够检测不同压强的动态响应能力、快速的响应时间以及可靠的重复性等优点。首先将不同质量的砝码加载到传感器表面，对传感器在不同压强下(20 Pa、100 Pa、500 Pa、1 kPa)的动态响应进行测试。图7(a)表明，该传感器最低检测压强为20 Pa，可以实现快速地对不同压强的动态响应检测。如图7(b)表明，当传感器受到20 Pa时，该传感器的响应时间为200 ms，响应速度相对较快。最后，通过反复加载/卸载50次压强为1 kPa的力验证该传感器稳定的重复性，如图7(c)所示。

(a)

(b)

(c)

2.2.3 基于双层微结构电极传感器的实际应用

为了验证传感器的实际有效性，将设计好的传感器利用手指触觉感知动态和静态的能力传递摩尔斯密码的点、划以及点和划之间的停顿时间的信息。本次实验测试中传递“SDUST”5个字母。实验结果如图8所示，表明该方法设计的传感器能够满足摩尔斯密码的传递，具有动态响应快，稳定性好等特点。

图8 双层微结构电极传感器的实际测试结果

3 结束语

本文利用电容式传感器的设计原理，在电极表面引进微结构的方法来改善传感器的性能。通过测试分析不同层数的微结构电极的传感器性能参数，可以得出在电极表面增加微结构的途径能够有效地提高传感器的灵敏度。双层微结构电极传感器的灵敏度最高是无微结构电极传感器灵敏度的17倍。对双层微结构电极的传感器进行动态响应、响应时间、重复性等参数进行测试。结果表明，该设计的传感器能够对不同动态压强的应力进行快速响应，具有良好的响应时间(200 ms)以及具有稳定的重复性。最后用传感器来传递摩尔斯密码来验证其实用性。该传感器在可应用于柔性可穿戴、机器人皮肤、智能假肢等领域。