传感器与智能时代 (10).pdf

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1、书书书2019 年第 2 期仪 表 技 术 与 传 感 器InstrumentTechniqueandSensor2019No 2基金项目:国家自然科学基金(61674113);山西省自然科学基金(2016011039，201601D011040)收稿日期:2018 02 08基于 C PDMS 介质层的柔性电容式传感器研究摘要:为了提高电容式传感器的灵敏度，设计了一种“三明治”结构的电容式压力传感器，其以柔性材料聚二甲基硅氧烷与导电颗粒乙炔黑的混合物为介质层，以溅射在聚对苯二甲酸乙二酯上金属氧化铟锡的导电膜作上下层电极。利用渗流理论，研究乙炔黑对基于 PDMS 薄膜的电容式压力传感器的灵敏度

2、、动态响应及响应速率的影响。实验结果表明:在 8 kPa 压强范围内混合 2 5 wt%乙炔黑的 C PDMS 复合物薄膜的灵敏度为 0 7 kPa1，动态响应时间小于 180 ms，在 100 次弯折后灵敏度几乎保持不变，有良好的稳定性。关键词:柔性;电容式;压力传感器;聚二甲基硅氧烷;乙炔黑中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1002 1841(2019)02 0001 03Flexible Capacitive Sensor Based on C PDMS Composites as Dielectric LayerDU Qing，LI Gang，HU Jie，LI Peng-

3、wei，SANG Sheng-bo，ZHANG Wen-dong(College of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)Abstract:In order to improve the sensitivity，a capacitive sensor with a“sandwich”structure was proposed It took the mix-ture of polymethylsiloxane(PDMS)，a kind of flexible materi

4、als，and acetylene black(C)，a kind of conductive particle as the di-electric layer，and the conductive thin film of indium tin oxide(ITO)that was sputtered on the poly(ethylene terephthalate twoester)(PET)as the upper and lower electrode The purpose was to study the influence of acetylene black on the

5、 sensitivity，dy-namic response and response rate of capacitive pressure sensor based on PDMS film by using percolation theory The experimentresults show that the sensitivity of the C/PDMS composite film mixed with 2 5 wt%acetylene black is 0 7 kPa1in the range of8 kPa pressure，and the dynamic respon

6、se time is less than 180 ms After 100 bending cycles，the sensitivity is almost unchangedwith good stabilityKeywords:flexible;capacitive;pressure sensor;polydimethylsiloxane;acetylene black0引言近年来，柔性电子器件在皮肤、健康检测、压力传感等方面的应用受到重视1。柔性传感器可以将感受到的外界物理量转化为电信号输出，使人们直观地观察到外界环境的影响，帮助人们进行实践活动2。传感器依据原理可以分为电阻式传感器3、

7、电容式传感器4 5、压电式传感器6 等，其中柔性电容式传感器由于结构简单、驱动电压小、工作稳定、动态响应好而受到人们的广泛关注，但较小的灵敏度一直是研究人员关注的焦点。为了解决这一瓶颈，许多研究通过将介质层制备成微结构来增加传感器的灵敏度。例如，鲍哲南利用 MEMS(微机电系统)工艺，在硅基底上刻蚀金字塔形状，并将金字塔形状复制到 PDMS 薄膜上，使介质层薄膜在感受到相同压力时更容易变形，粘滞性下降并且薄膜在形变后易于恢复原状，开创了制造易变形介质层提高传感器灵敏度的新方向7。但是，复杂的光刻工艺不可避免提高了器件成本。张珽课题组研究的电容式传感器，以荷叶作为模板制作微结构，在避免了复杂光刻

8、工艺的同时提高传感器的灵敏度，为在柔性介质薄膜上制作微结构方面提供了一种新思路8。但是，由生物启发制备的模板带来结构大小不可控的问题。近年来，研究人员提出利用渗流理论混合导电性能较好的纳米颗粒，通过提高介质层的介电性能来改善传感器的灵敏度。但是，目前混合的导电颗粒如碳纳米管、银纳米线9 10 虽然性能明显改善，但是成本高且制备工艺复杂。因此，需要寻找一种成本低并且导电性能良好的纳米材料。本文提出将成本低、导电性能良好的乙炔黑(C)与 PDMS 混合制成的薄膜作为介质层，采用 ITO PET导电薄膜作为上下层电极，制备类似于“三明治”(电2Instrument Technique and Sen

9、sorFeb 2019极 介质层 电极)的柔性薄膜结构，提高电容式压力传感器性能。同时，对比研究乙炔黑混入前后对传感器灵敏度、动态响应等性能参数的影响机理。1实验1 1原理电容式传感器相当于一个平行板电容器，上下两个电极，中间是介质层。其电容的变化主要受两个因素的影响，一个是介电常数另一个是两电极的间距(前提是介质层体积恒定)。传感器的电容 C 可表示为C=Ar0d(1)式中:A 为两电极的相对面积;0为真空中的介电常数;r为相对介电常数;d 为两电极之间的距离。通过混合乙炔黑来改变复合物的介电性能，从而提高传感器的灵敏度。其中灵敏度的定义为S=(C/C0)(P)(2)式中:C 为电容的变化值

10、，C=C C0，C 为施加压强时对应的电容值;C0为未施加压强时的电容原始值;P 为对应的压强变化。1 2介质层的准备C PDMS 复合物薄膜制备。首先，将含有2 5 wt%乙炔黑加入到 PDMS(AB 胶按 10:1 比例配好搅拌均匀并且在 5 冰箱中冷冻 24 h 去除气泡)中，在同一速率下用玻璃棒搅拌 30 min，搅拌结束后在 2 5 cm 2 5 cm 的玻璃片(经过丙酮、异丙醇、无水乙醇、去离子水清洗)上迅速甩胶，提前将电热板设置为 100，甩胶完成后将玻璃片上的薄膜加热 1 h 固化成膜。1 3固定电极将固化好的含有 C 的复合物薄膜裁剪成 8 mm 8 mm的正方形备用。然后将

11、 ITO/PET 导电膜裁剪成8 mm 30 mm 的长方形条状，在导电膜表面用针头涂一层 PDMS，然后将 8 mm 8 mm 的复合物薄膜放在两个导电膜的中间，在样品上放置玻璃片加压，将此放入 100 的电热板上加热 0 5 h。然后制成 C PDMS 复合物薄膜传感器，具体实验过程如图 1 所示。1 4测试与分析采用旋涂仪(Midas SPIN 1200D 型)与电热板(DB 1A)进行薄膜的制备。用扫描电子显微镜(FE SEM，Model:JEOL 6701)对乙炔黑混合情况进行表征;用数字推力计 HP 5 对样品施加压力;B1500A 半导体特性分析仪测样品的电容值。图 1C PDM

12、S 介质层的传感器制备流程图2结果分析与讨论2 1乙炔黑导电颗粒对传感器灵敏度的影响将含有 2 5 wt%的 C PDMS 薄膜进行表征并对其施加 0 8 kPa 范围内的压强来测试对应的电容变化，与纯 PDMS 薄膜传感器的电容测试进行对比。从图 2(a)、图 2(b)可以观察到纯 PDMS 薄膜与混合了C 颗粒的 PDMS 薄膜的明显差别。由图 2(b)可知乙炔黑在 PDMS 中分布均匀，图2(c)是薄膜的厚度 SEM图，实验中采用的薄膜厚度为 204 m。图 2纯 PDMS 与 C PDMS 薄膜样品的 SEM 图、厚度图及乙炔黑颗粒的电镜图电容变化率 压强变化曲线如图 3 所示，此曲线

13、的斜率即为灵敏度 S。含有 2 5 wt%的 C PDMS 复合物传感器的灵敏度高于纯 PDMS 薄膜传感器的灵敏度。在压强小于 0 5 kPa 的范围内，灵敏度为 0 7kPa1，当压强大于 0 5 kPa 时，灵敏度为 0 3 kPa1。由图 3 可知，灵敏度的变化与 C 的浓度不是正相关，这可以用渗流理论来解释。随着导电颗粒体积分数的增加，高聚物 导电颗粒复合物介电常数逐渐升高，但不是一直升高，当达到渗流阈值时介电常数最第 2 期杜青等:基于 C PDMS 介质层的柔性电容式传感器研究3高，超过渗流阈值后介电常数开始下降，这是由于在高聚物内的导电颗粒之间已经形成导电通路。另一种解释为高聚

14、物与导电颗粒之间构成微电容，混合物内部导电颗粒充当电极，高聚物充当电介质，从而在混合物内部构成许多微电容，当导电颗粒的体积分数增大时，相当于电极间距减小，即电容是随着导电颗粒浓度的增大而变大的，但当达到一定浓度时，导电颗粒相连形成导电通路，导电颗粒 高聚物整体导电。由图 3 可知质量分数为 2 5 wt%的 C PDMS 薄膜相较于纯 PDMS 介质层的传感器其灵敏度由 0 2kPa1增加到 0 7 kPa1，可见导电颗粒的填充提高了传感器的灵敏度。图 3纯 PDMS 薄膜传感器与 C PDMS 薄膜传感器的灵敏度对比2 2C PDMS 复合物薄膜的动态响应、响应时间及稳定性测试如图 4 所示

15、，将混合 2 5 wt%C 导电颗粒的传感器与纯 PDMS 传感器做对比。在两种传感器上分别放置 65 mg(10 15 Pa)绿豆、100 mg(15 625 Pa)砝码、300 mg(46 875 Pa)砝码，其电容变化有明显差别。放置65 mg 时，前者电容器电容变化比后者多出0 3 pF，放置 100 mg 砝码时两种电容器的电容变化相差0 2 pF，放置 300 mg 砝码时电容变化相差 0 1 pF。由此可见，导电颗粒的加入使得此传感器在感应微小力方面比纯 PDMS 介质层的电容式传感器优越。对 2 种传感器施加 62 5 Pa(400 mg)的压强时，如图 5 所示，其响应时间和

16、弛豫时间均小于 180 ms，响应速度相对较快，且混合炭黑后并不会减慢传感器的响应速度。传感器的工作稳定性是重要关键性能参数。实验中将组装好的传感器用手弯折100 次后重新测试该样品的灵敏度，弯折前后的灵敏度对比如图6 所示，弯折前后，传感器电容变化的灵敏度几乎未改变，说明该传感器在复杂的环境下能稳定工作。图4 对比加载和卸载不同压强的电容 时间曲线图 5传感器的快速响应时间(180 ms)图 6经过弯曲测试前后的灵敏度对比3结束语本文将 PDMS 薄膜中掺入成本低、导电性好的乙炔黑作为介质层，以提高电容式压力传感器性能参数。研究结果表明:掺入乙炔黑后，传感器性能参数得到极大提升。当掺入的乙炔

17、黑浓度为 2 5 wt%时，传感器灵敏度可达到 0 7 kPa1，在100 次弯折后灵敏度几乎保持不变。同时，传感器还具有良好稳定性和较快的响应速度。利用渗流理论，解释分析了乙炔黑对传感器性能参数的影响机理。(下转第 8 页)8Instrument Technique and SensorFeb 2019大。测试结果 如 图 13 所 示，传 感 器 的 灵 敏 度 为0 102 5 mV/kPa。图 13不同压力下输出电压将传感器的测试结果和2 种模型下的仿真分析结果比较，传感器的实际灵敏度和模型 1 的仿真结果相对误差为 19 72%，和模型 2 的仿真结果的相对误差为 1 76%，模型

18、2 的结果更准确，其微小的误差可能来自实际制作过程中不可避免的工艺误差，例如光刻的精度对敏感膜片的尺寸，压敏电阻的大小的影响，深硅刻蚀的均匀性造成了敏感膜片厚度的误差。利用模型 2 可以精确计算传感器的输出电压及灵敏度。模型 1 的仿真结果和实际测试值的相对误差较大。主要是由模型1 和实际传感器模型偏差较大造成的。当压力作用于敏感芯片时整个芯片受力，模型 1将敏感膜片作为芯片的唯一受力部分，忽略了压力传感器芯片除敏感膜片之外的部分受压变形，造成了仿真结果和实际测试结果有较大偏差。5结论本文利用有限元仿真分析和积分算法来实现传感器灵敏度预估的方法，并用 2 种不同的模型仿真分析传感器的灵敏度，得

19、到了更准确的仿真模型。利用这一模型和仿真方法可以精确的预估传感器的灵敏度，对今后传感器的设计具有很好的实际意义。参考文献:1 王淑华 MEMS 传感器现状及应用J 微纳电子技术，2011，48(8):516 522 2 付兴铭 汽车用扩散硅压力传感器的设计与封装研究 D 武汉:华中科技大学，2007 3 陈德勇 微机械谐振梁压力传感器研究D 北京:中国科学院电子学研究所，2002 4 任卫，马炳和，吕海峰 面向动态压力测量的微型压力传感器敏感结构 J 微纳电子技术，2009，46(6):362 365 5 姚宗，梁庭，张迪雅，等 基于 SOI 的 MEMS 压阻式高温压力敏感芯片的研制 J 仪

20、表技术与传感器，2017(1):1518 6 彭杰纲 传感器原理及应用 M 北京:机械工业出版社，2012 7 李旺旺，梁庭，张迪雅，等 SOI 压阻式压力传感器敏感结构的优化设计 J 仪表技术与传感器，2016(6):15 18 8 张瑞，梁庭，熊继军，等 一种大量程 SOI 压阻式压力传感器 J 传感技术学报，2015(8):1125 1130 9 杨峻松，谭晓兰，刘珍妮，等 硅压阻式传感器的优化分析 J 北方工业大学学报，2011，23(3):29 36作者简介:杨娇燕(1992)，硕士研究生，主要研究方向为MEMS 压力传感器设计与制备。E-mail:1098955427 qq com

21、梁庭(1979)，博士，副教授，主要从事光学气体传感器和高温压力传感器方面的研究。(上接第 3 页)参考文献:1TUNG T Q，LEE N E Flexible and stretchable physicalsensor integrated platforms for wearable human-activity mon-itoringand personal healthcareJ Advanced Materials，2016，28(22):4338 4372 2CHOI C，CHOI M K，HYEON T，et al Nanomaterial-basedsoft electro

22、nics for healthcare applications J Chem-nanomat，2016，2(11):1006 1017 3 SEGEVBA M，LANDMAN A，NISHAPIA M，et al Tuna-ble touch sensor and combined sensing platform:toward nan-oparticle-based electronic skinJ Acs Appl Mater Inter-faces，2013，5(12):5531 5541 4 余建平，张玉良，周兆忠 浮动电极式三维柔性电容触觉传感阵列设计 J 仪表技术与传感器，201

23、5(5):11 14 5 李颖，张治国，张娜，等 硅电容微差压敏感器件封装工艺研究 J 仪表技术与传感器，2013(12):138 140 6 杨航，董维杰 基于压电薄膜传感器的肘部运动检测系统设计 J 电子产品世界，2017(1):41 43 7 MANNSFELD S C，TEE B C，STOLTENBEG M，et alHighly sensitive flexible pressure sensors with microstruc-tured rubber dielectric layersJ Nature Materials，2010，9(10):859 8 LI T，LUO H

24、，QIN L，et al Flexible capacitive tactile sensorbased on micropatterned dielectric layer J Small，2016，12(36):5042 9JANG H，YOON H，KO Y，et al Enhanced performance incapacitive force sensors using carbon nanotube/polydimeth-ylsiloxane nanocomposites with high dielectric properties J Nanoscale，2016，8(10):5667 5675 10 ANA A，OBEGE J P，DUCHAINE V An improved softdielectric for a highly sensitive capacitive tactile sensor J IEEE Sensors Journal，2016，16(22):7853 7863作者简介:杜青(1991)，硕士研究生，主要从事柔性电容式压力传感器研究。E-mail:2429385486 qq com通讯作者:李刚(1980)，副教授，博士，主要从事微能源、微纳传感器等研究工作。E-mail:ligang4122001 gmail com