高性能可穿戴式柔性壓力傳感器的制作與檢測?

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研究所，計算機信息工程學院，江西 南昌 330044)

傳感器技術的發展推動了各種儀器的研究和應用，在設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勢最為顯著，其結構簡單，制作成本低，靈敏度高，檢測結果準確，故無論在研究還是在應用領域中均吸引了大量的關注[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，傳感器會發生形變，形變程度與壓力大小有關[6－8]。該類傳感器適用性較強，應用范圍較廣，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增多，人們主要通過兩種方式提升柔性壓力傳感器的響應，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，制備出了穩定性較高且響應速度快的傳感器。Cui 等[10]設計了一種基于PDMS 襯底的“V 型”陣列結構，同時提高了傳感器的穩定性與靈敏度。另一種方式為對介質層結構進行微結構化，如Ahmed 等[11]通過仿生玫瑰花瓣翻模制作了介質層，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用到人機交互及醫療健康等領域中，顯示出廣闊的應用前景[12－14]。

生物的復眼具備大視場和高靈敏度，基于復眼結構的智能設備，已應用在多個領域中[15]。如果將復眼結構用于介質層的制備，可提升傳感器的性能。

本文設計了一種電容式壓力傳感器，在傳感器中采用了復眼結構，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。

1 柔性電容式壓力傳感器工作原理

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；ε0為空氣介電常數(8.85×10－12F/m)；εr為相對介電常數；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，可以實現對壓力變化的有效檢測。根據得到的研究結果可知，微結構的應用有助于改善傳感器的靈敏度。

本文設計的介質層采用了半球體復眼結構，傳感器結構如圖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構的PDMS 薄膜，為介質層；第二層和第四層為電極層，經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構傳感器。

圖2 傳感器基本結構示意圖

2 柔性電容式壓力傳感器的制備

2.1 掩膜版的設計

為了最大化利用填充因子，掩膜版采用圓陣列設計，其中每三個相鄰圓形的圓心組成正三角形，通過CAD 繪制復眼結構掩膜版，尺寸為1 cm×1 cm，圓間距、直徑分別是8 μm、66 μm。

2.2 介質層的制作工藝

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構。

⑦鍵合。通過背靠背模式將PDMS 鍵合，然后烘干得到介質層。工藝流程圖如圖3 所示。

圖3 介質層工藝流程圖

利用掃描電子顯微鏡(Scanning electron Microscopy，SEM)對介質層的結構特性進行觀測，如圖4所示，由圖可見，介質層表面保持了良好的均勻性。在熱熔處理之后，各個復眼結構尺寸顯著降低，單個子眼的高度、直徑分別是18 μm、66 μm。

圖4 介質層SEM 表征

2.3 柔性電極層的制作

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

3 傳感器的性能測試

3.1 動態測試

對復眼傳感器進行動態實驗，傳感器的響應時間和恢復時間如圖6 所示。由圖可見，對于復眼結構傳感器，其響應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速度。

圖6 響應特性

3.2 遲滯特性

柔性傳感器在循環載荷下的電容響應如圖7 所示。相同載荷下，卸載時的電容大于加載時的電容，該現象是由彈性材料的彈性滯后特性引起的。遲滯性參數E的計算公式為:

圖7 循環載荷下的電容輸出響應

式中:Cloading與Cunload分別為同一載荷下加載和卸載的電容響應；Cmax為電容的最大輸出響應。遲 滯性越小，柔性傳感器的性能就越好。結合圖7 和式(2)可知，該傳感器在0～25 kPa 載荷范圍內，遲滯性參數均小于7%，遲滯特性良好。

3.3 傳感器的循環測試

本次設計傳感器的測試結果如圖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，需要先在平臺中設置傳感器，然后對相關的測試參數進行合理設置，包括電擊器頻率以及測試次數等，最終得到的測試結果，如圖8(b)所示。根據圖中信息可知，在循環次數為12 000 次時，傳感器的性能基本保持不變，保持了較高的穩定性。

圖8 復眼傳感器測試平臺以及循環測試結果圖

3.4 靈敏度測試

本文給出了復眼結構與無微結構的兩種傳感器的靈敏度測試結果，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，然后對復眼結構、無微結構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，無微結構、復眼結構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，二者表現為負相關的關系。當壓力處于4 kPa～10 kPa 時，兩種結構的靈敏度分別是0.022 kPa－1、0.041 kPa－1。

圖9 兩種結構傳感器靈敏度測試結果

3.5 傳感器的應用

對所研制的復眼結構傳感器在可穿戴檢測方面的實際應用進行了研究。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進行檢測，在設備正確連接之后可以開始采集數據。數據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如圖10(a)所示，可以看出，隨著壓力的增加，相對電容單調增加。此外，傳感器的快速響應表明，該裝置能夠在移除指尖后恢復到初始狀態。此外，在應用五個循環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用

針對該傳感器的應用效果進行檢測分析，需要在手指中設置傳感器，并與LCR 測試儀進行有效連接。本次設計的復眼結構傳感器的優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，可以開始采集相關的數據，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°，可以得到對應的檢測結果，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，將所研制的復眼結構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響應，空杯子、裝半杯橙汁的杯子的和裝滿橙汁的杯子。復眼結構傳感器的響應可以識別杯子中橙汁的狀態。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，發現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有助于簡化檢測電路的設計。

4 結論

本文主要對復眼結構柔性壓力傳感器進行了設計和制作，傳感器的結構分為三層，電極層－介質層－電極層。每層均采用不同的材料和工藝制作而成，其中介質層主要是鍵合而成的復眼結構，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，針對該傳感器的應用效果進行了測試分析，研究結果表明該傳感器能夠檢測出瞬時信號，并且具有較高的穩定性與靈敏度，實用性較強。且制作的傳感器可完成對指尖感應的高效檢測，穩定性良好。因此，本文制作的柔性壓力傳感器可應用于穿戴設備中，有較高的實用價值。