納米炭黑/硅橡膠柔性壓力傳感器的交流特性

馮建超, 夏 巖, 梅海霞, 張 彤

(吉林大學 電子科學與工程學院, 長春 130012)

納米炭黑/硅橡膠柔性壓力傳感器的交流特性

馮建超, 夏 巖, 梅海霞, 張 彤

(吉林大學 電子科學與工程學院, 長春 130012)

在印有叉指電極的陶瓷襯底上, 制作納米炭黑/硅橡膠復合導電材料的壓力傳感器, 并研究該傳感器在交流驅動下的壓敏特性.結果表明： 在1 kHz測試條件下, 該傳感器呈正壓阻效應; 隨著測試頻率的增加, 納米炭黑/硅橡膠界面處的空間電荷極化強度減小, 器件的正壓阻效應減弱; 當器件負載/卸載時, 傳感器的響應和恢復時間均小于3 s； 當連續加載壓力時, 傳感器可分辨的壓力為0.5 N.

交流; 正壓阻效應; 頻率; 阻抗; 空間電荷極化

壓力傳感器可將敏感體受到的力(壓力、張力、拉力和應力等)轉換為電信號的一類物理傳感器, 其中采用金屬應變計的測力傳感器和采用n型半導體芯片的擴散型壓力傳感器在航空航天、石油化工、動力機械和地質地震測量等領域應用廣泛.由于該類壓力傳感器與被測物體均為剛性接觸, 因此很難滿足一些特殊應用的需求， 如仿生智能手上的壓力傳感器要求壓敏材料具有可彎曲的柔韌性及感受力的分布和大小.聚偏氟乙烯、硅橡膠、聚酰亞胺等作為模擬各類“人工皮膚”的壓力傳感器[1-3]和具有較好的柔韌性、導電性及壓阻特性的炭黑/硅橡膠復合材料已引起人們廣泛關注[4-5].文獻[6]研究了炭黑粒徑和表觀密度對復合材料壓阻特性的影響; 文獻[7]研究了炭黑濃度對復合材料壓阻特性、壓縮應力松弛和電阻蠕變等特性的影響; 文獻[8]研究了炭黑/硅橡膠復合材料的熱穩定性; 文獻[9]研究了炭黑在硅橡膠中的分散性與硅橡膠粒徑和炭黑摻雜量間的關系.但對于在交流激勵下導電橡膠的壓阻特性研究較少.本文在印有碳叉指電極的陶瓷襯底上, 制作基于納米炭黑/硅橡膠復合材料的壓力傳感器, 并研究壓阻器件在交流下的壓敏特性, 通過頻率對器件壓阻特性的影響、最佳頻率下器件的阻抗、電阻和電容隨壓力的變化及響應恢復特性, 分析交流下壓敏元件的工作機理.

1 實 驗

單組份室溫硫化硅橡膠(PDMS, 型號GD401)購于中昊晨光化工研究院, 納米SiO2購于北京王用科技有限公司, 納米導電炭黑(CB, 型號BP2000)購于南京先豐納米材料科技有限公司, 正己烷購于北京化工廠.

器件制作流程如下： 將一定質量的CB和SiO2(w(CB)∶w(SiO2)=1∶2)加入正己烷中, 超聲30 min使CB和SiO2均勻分散, 再加入硅橡膠(w(CB)∶w(PDMS)=1∶40)得到混合溶液.室溫攪拌7 h后, 先將形成的黏稠溶液置于25 ℃真空烘箱中干燥30 min, 使正己烷快速揮發, 再將導電橡膠涂覆于印刷碳叉指電極的Al2O3陶瓷襯底上.由于硅橡膠通過空氣中的水分反應而固化, 真空狀態可阻止橡膠固化, 并加快正己烷揮發, 因此固化后的樣品致密、均勻, 無氣泡.制備的炭黑/硅橡膠壓力傳感器如圖1(A)所示.通過數顯推拉力計(HP-50型)測試負載壓力, 采用智能LCR測量儀(ZL5型)提供交流電壓并檢測電信號的變化, 測試裝置如圖1(B)所示.

圖1 壓力傳感器(A)和測試裝置(B)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of flexible pressure sensor (A) and testing device (B)

圖2 器件在不同頻率下阻抗隨壓力的變化曲線Fig.2 Relation between impedance and pressure with frequency change

2 結果與討論

2.1工作頻率

器件在不同頻率下的壓阻特性如圖2所示.由圖2可見: 在0.1～100 kHz內, 器件的壓阻效應隨頻率的升高逐漸減弱; 當頻率為100 kHz, 壓力為10 N時, 器件的壓阻效應較差； 當頻率為0.1,1 kHz時, 器件的正壓阻效應較好.

頻率對器件壓阻特性的影響主要歸因于介質內部的極化.在炭黑/硅橡膠復合材料中, 主要存在電子位移極化和空間電荷極化兩種類型, 其中電子位移極化存在于任何介質中, 極化時間約為10-15s, 因此在測試頻率0～100 kHz內, 極化強度不變, 材料的相對介電常數保持不變; 空間電荷極化主要存在于非均勻介質中, 極化時間為10-4～104s, 空間電荷極化主要發生在直流或交流低頻條件下[10].在高頻時, 空間電荷極化較弱, 介質的相對介電常數較小.

在炭黑/硅橡膠復合材料內部, 兩相的界面聚集一定量的空間電荷.當測試頻率較小(小于10 kHz)時, 由于空間電荷極化時間小于電場變化時間, 空間電荷發生極化形成一定強度的極化電場, 阻礙介質內部載流子通過, 因此材料的阻抗較大.隨著頻率的增加, 由于空間電荷無法極化, 因此材料的極化強度和阻抗逐漸減小, 即器件的壓阻效應隨頻率的增加逐漸減弱.

2.2阻抗特性

器件阻抗隨壓力的變化關系如圖3所示.由圖3可見: 隨著壓力的增加, 器件阻抗逐漸增大, 呈較好的正壓阻效應； 在0～10 N壓力下, 器件的阻抗為11～215 kΩ; 當縱坐標取對數時, 器件呈較好的線性.

交流下元件的阻抗包括電阻(R)和容抗(XC), 其表達式為

器件電阻和電容隨壓力的變化關系如圖4所示.由圖4可見, 在0～10 N壓力下, 器件呈正壓阻效應, 其電阻為11～210 kΩ; 器件電容隨壓力的增加逐漸減小, 呈負容敏效應.在0～10 N壓力下, 器件的電容為3 500～8 nF.

圖3 器件阻抗隨壓力的變化關系Fig.3 Curve of AC parameters vs pressure

圖4 器件電阻和電容隨壓力的變化關系Fig.4 Curves of resistance or capacitance vs pressure

圖5 導電橡膠敏感膜受壓前后炭黑粒子間距變化的示意圖Fig.5 Carbon black particle distances before and after pressure

電容是表征材料容納電荷本領的物理量, 與介電常數(ε)、基板之間距離(d)和極板面積(S)有關, 其表達式為

（2）

本文使用的電極是印刷在Al2O3陶瓷襯底上的叉指狀電極, 相當于平板電容器的電容極板, CB/PDMS復合材料作為電介質.當器件外界壓力增加時, 電容器的電容減小.由于正、負電極間的距離和面積未發生改變, 因此器件的電容僅與介電常數有關, 而介電常數與材料內部電荷的極化有關.在CB/PDMS復合材料中, 炭黑硅橡膠界面的電荷在外加電場時發生極化[12], 外界壓力可改變CB/PDMS復合材料中影響介電常數的導電物質CB粒子的排列分布, 因此器件電容隨外界壓力的變化而變化.當復合材料受力時, 若所受外力使導電粒子間的間距增加, 即相同電極間的電介質減少, 則復合材料介電常數減小; 若所受外力使導電粒子間的間距減小, 即相同電極間的電介質增加, 則復合材料介電常數增加.當CB/PDMS受力時, 水平方向上炭黑粒子間的間距變大, 使得電極間的電介質減少, 材料的介電常數減小; 在垂直方向上炭黑粒子間的間距變小, 使得電極間的電介質增加, 材料的介電常數增加.即當外界壓力增加時, 器件的電容減小, 呈負容敏效應.因此, 器件受壓時水平方向上的影響大于垂直方向的影響, 與電阻變化分析一致.

2.3響應恢復特性

響應恢復特性是壓力傳感器(對輸入力信號的處理速度)的一個重要參數.響應(恢復)時間定義為器件阻抗達到阻抗穩定時的時間.器件在4 N壓力下的響應和恢復特性曲線如圖6所示.由圖6可見, 器件的響應時間為3 s, 恢復時間為2 s.靈敏度定義為一定壓力下的阻抗與初始阻抗的比值, 圖7為器件在不同壓力下的靈敏度.由圖7可見： 器件對壓力具有較好的靈敏特性, 在6～8 N壓力下, 其靈敏度為5～10; 當連續加載壓力時, 器件對不同的壓力具有較好的分辨能力, 可分辨0.5 N的壓力間隔.

器件快速的響應特性主要歸因于硅橡膠基體材料的高彈性.本文使用的硅橡膠為脫肟型RTV-1硅橡膠, 是以聚二甲基硅氧烷為主鏈的彈性體, 由Si—O鍵重復鏈接構成, 分子鏈具有較好的柔順性[13].在負載/卸載過程中, 橡膠分子鏈與炭黑顆粒迅速發生移動, 并恢復到初始狀態.

圖6 器件在4 N壓力下的響應和恢復特性曲線Fig.6 Curve of response vs recovery under a pressure of 4 N

圖7 器件在不同壓力下的靈敏度Fig.7 Sensitivity under different pressures

綜上, 本文研究了基于納米炭黑/硅橡膠復合導電材料的壓力傳感器在交流下的壓敏特性.結果表明: 器件在0.1～100 kHz下呈正壓阻效應； 隨著頻率的增加, 空間電荷極化強度減小, 器件的壓阻效應減弱； 在負載/卸載過程中, 器件具有快速的響應恢復特性.

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AlternatingCurrentCharacteristicsofFlexiblePressureSensorBasedonNano-carbonBlack/SiliconRubber

FENG Jianchao, XIA Yan, MEI Haixia, ZHANG Tong
(CollegeofElectronicScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130012,China)

A pressure sensor of nano-carbon black/silicon rubber conductive composite was fabricated on the ceramic substrate with interdigital electrodes.Piezoresistive characteristics of the sensor were investigated under alternating current drive.The results demonstrate the sensor exhibited positive piezoresistive effect at a frequency of 1 kHz.The polarization intensity of space charges on the interface between nano-carbon black and silicone rubber decreased and the positive piezoresistive effect weakened as the working frequency increased.The response time and recovery time of sensor were within 3 s in the processes of loading and unloading.The resolution of the sensor was 0.5 N in the continuous loading process.

alternating current; positive piezoresistive effect; frequency; impedance; space charge polarization

2013-11-26.

馮建超(1988—), 男, 漢族, 碩士研究生, 從事柔性壓力傳感器的研究, E-mail： 536349187@qq.com.cn.通信作者： 張 彤(1966—), 女, 漢族, 博士, 教授, 博士生導師, 從事氣體、濕度和壓力傳感器的研究, E-mail： zhangtong@jlu.edu.cn.

高等學校博士學科點專項科研基金(批準號: 20110061110041).

O59

A

1671-5489(2014)06-1311-05

10.13413/j.cnki.jdxblxb.2014.06.39

王 健)