微納結構對電容式柔性壓力傳感器性能影響的研究*

全 勇,魏雄邦,肖 倫,吳 濤,龐韓英,吳雙紅,陳 志,蔣亞東

(電子科技大學光電信息學院,成都 610054)

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微納結構對電容式柔性壓力傳感器性能影響的研究*

全 勇,魏雄邦*,肖 倫,吳 濤,龐韓英,吳雙紅,陳 志,蔣亞東

(電子科技大學光電信息學院,成都 610054)

設計制備出三明治結構的電容式柔性壓力傳感器,并對其性能進行研究。該傳感器以銀納米線為電極材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)為柔性襯底,同時采用毛面玻璃和光面玻璃分別作為柔性襯底的制備模板,制備出微納結構和平面結構的PDMS薄膜。然后采用噴涂法制備AgNWs/PDMS復合電極,以另外一層PDMS為介電層,將兩電極面對面封裝,得到電容式柔性壓力傳感器,最后系統研究了傳感器的電極微納結構對器件性能的影響。本文研究表明,具有微納結構的AgNWs/PDMS復合薄膜傳感器的靈敏度為1.0 kPa-1,而平面結構的AgNWs/PDMS復合薄膜傳感器的靈敏度為0.6 kPa-1,由此可知具有微納結構的柔性襯底能夠顯著提高器件的靈敏度。

柔性壓力傳感器;微納結構;聚二甲基硅氧烷(PDMS);銀納米線

柔性壓力傳感器因其具有柔性特性,既能貼附于不規則或者剛性物體表面、也能貼附于人體皮膚[1],其具有拉伸性以及外力的的感知特性,在人機交互系統和探測傳感器系統[2]、智能家居、手持式消費電子產品[3]、醫療健康檢測設備[4-6]、環境監測[7]等領域有著潛在的應用價值從而受到了越來越多的關注。根據不同的工作原理現在較為流行的壓力傳感器可分為電阻式、電容式和壓電式。其中電容式傳感器具有靈敏度高、遲滯小、動態響應好、溫度穩定性好的優點而備受關注。柔性電容式的壓力傳感器是通過施加壓力后電容值的變化來探測壓力值大小,并對探測微小壓力有著很高的靈敏度。其具有柔性化、可拉伸、生物相容性好、結構簡單、工作可靠、分辨力高、動態響應快等優點。

柔性壓力傳感器因為其眾多的優點,得到了國內外科研人員的廣泛關注。美國斯坦福大學鮑哲南教授團隊[8]將液態的聚二甲基硅氧烷(PDMS)傾注于倒金字塔形狀的硅片模板中,固化并從模板中剝離得到帶有微結構的PDMS作為介電層。由于PDMS具有非常好的彈性并且形變恢復快,故制備出的電容式壓力傳感器有較高的靈敏度,高達0.55 kPa-1,對微小的外力有非常好的響應。中國科學院蘇州納米所張珽團隊[4]報道了一種高靈敏度、低檢出限的柔性電子皮膚,首先是用PDMS復制絲綢的微結構,然后將碳納米管薄膜轉移到PDMS的微結構表面上,最后制備出了兩個對電極面對面組合在一起的柔性壓力傳感器,其靈敏度高達1.8 kPa-1。但是目前對柔性壓力傳感器的微結構的制備大多都采用了光刻等復雜的制備工藝,這將造成成本的大大提高[8-9]。因此,追求柔性壓力傳感器的低成本、快速、大面積的制備必然是一種發展的趨勢[10]。

本文設計制備了一種三明治結構的電容式柔性壓力傳感器,并對其性能進行了研究。該傳感器以銀納米線為電極材料,以PDMS為柔性襯底,并采用毛面玻璃和光面玻璃分別作為柔性襯底的制備模板,制備出具有微納結構和平面結構的PDMS薄膜。然后分別采用噴涂法制備銀納米線/PDMS復合電極,以另外一層PDMS為介電層,將兩電極面對面封裝,得到電容式柔性壓力傳感器,最后系統研究了傳感器的電極微納結構對器件性能的影響。

1 實驗部分

1.1 銀納米線導電材料的合成

作為電極材料的銀納米線,是采用多元醇的方法制備的[12]。首先分別配制0.1 M的硝酸銀(AgNO3)乙二醇溶液、0.3 M的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)(分子量為30 000)乙二醇溶液、2 mmol/L的氯化鈉(NaCl)的乙二醇溶液。然后將上述混合液放入反應釜的聚四氟乙烯內襯中,在160 ℃烘箱中,反應2 h,得到納米線混合液,再向得到的銀納米線混合液中加入3倍～5倍的丙酮,經過5 000 rad/min離心處理20 min,重復3次～5次,倒去上層清液,接著加入去離子水進行離心處理,以除去分散液中的PVP等雜質。最后將得到的沉淀取出后加入50 mL的丙酮,并超聲振蕩得到穩定的AgNWs分散液,其濃度為5 mg/mL。

1.2 傳感器的制備

采用(3 cm×3 cm)毛面玻璃和光面玻璃作為兩種模具,分別將玻璃基底依次經過丙酮、乙醇、去離子水中超聲清洗后,以待用。將PDMS主劑和硬化劑按質量比10∶1的比例混合,在真空中靜置除去氣泡,得到PDMS旋涂液;然后將混合液旋涂于上述兩種玻璃基底上,在70 ℃的溫度下進行固化成型。將固化成型后的PDMS薄膜剝離下,進行等離子體氧處理使其表面親水,分別得到具有微納結構和平面結構的PDMS底層柔性襯底。

將上述實驗得到的銀納米線分散液加入噴筆中[13],并將柔性襯底放在加熱臺上,調節加熱臺的溫度為100 ℃,噴涂銀納米線,即可在底層柔性襯底上得到銀納米線導電薄膜,然后在120 ℃溫度下退火2 h,得到致密的、高導電性的銀納米線薄膜。

制備兩個同樣大小的光滑的PDMS薄膜作為兩種傳感器的介電層,然后將兩個AgNWs/PDMS復合薄膜電極按照“三明治”結構面對面封裝,并在傳感器的兩端粘貼電極引線,即得到電容式柔性壓力傳感器。

1.3 分析與測試

銀納米線的表征采用的是島津紫外可見分光光度計(UV-1700),測試其紫外可見光譜。通過對溶液吸收峰的觀察,可分析出銀納米線分散液的主要成分。并采用JSM-5900LV掃描電子顯微鏡對樣品的表面進行觀測和表征,和艾德堡HP-5數字推拉力計對傳感器施加壓力,以及天宇DT-6013數字電容表測試傳感器的電容值。

2 結果與討論

2.1 薄膜的表征

圖1(a)為銀納米線溶液的紫外可見光譜。由圖中可以看出有兩個吸收峰,分別為350 nm和378 nm,它們符合銀納米線的特征吸收峰,證明了銀納米線較好的分散在溶液中。由圖1(b),可以看出采用多元醇法合成的銀納米線的形貌比較均一,無雜質存在,并且有較高的長徑比,其直徑約為102 nm,長度約為10 μm～30 μm。

圖1(c)、圖1(d)分別給出了PDMS薄膜的平面結構和微納結構,從圖1(c)中可以看出由光面玻璃為模板制備的PDMS薄膜表面比較平整,而圖1(d)中由毛面玻璃為模板制備的PDMS薄膜表面有許多凸起的微結構,其中凸起的高度約為4.5 μm。研究這兩種結構的PDMS對傳感器性能的影響具有重要意義。

圖1 銀納米線和PDMS薄膜的表征

圖2 兩種傳感器的響應曲線及靈敏度曲線

2.2 傳感器性能的對比

為了更好地研究微納結構對傳感器性能的影響,分別對具有平面結構和微納結構的兩種傳感器進行測試[11]。圖2(a)為平面結構的柔性壓力傳感器對333 Pa壓力的連續響應曲線,圖2(b)為微納結構的柔性壓力傳感器對333 Pa壓力的連續響應曲線。由圖中可以看出這兩種結構的傳感器都具有良好的穩定重復性,但微納結構的傳感器明顯比平面結構的傳感器響應度高。

傳感器的壓強和響應度之間的關系如圖2(c)所示,平面結構的傳感器與微納結構的傳感器的靈敏度有明顯的差異。通常靈敏度定義為單位壓強上傳感器的響應度變化量,其公式如下:

(1)

C=ε0εr(A/d)

(2)

式中:C1為傳感器的響應后電容值,C0為初始未加壓強的電容值,P為所加壓強值。ε0為真空介電常數,εr為相對介電常數,d為極板間距,A為兩極板間的有效面積。由式(1)可知,傳感器的靈敏度為圖2(c)中曲線的斜率。

由圖2(c)可知,具有微結構的柔性壓力傳感器靈敏度的曲線斜率比平面結構的傳感器大。當壓強小于500Pa時,微結構的傳感器的靈敏度為1.0kPa-1,平面結構的傳感器的靈敏度為0.6kPa-1;當壓強大于500Pa時,微結構的傳感器的靈敏度為0.08kPa-1,平面結構的傳感器的靈敏度為0.045kPa-1。針對不同的壓力范圍,其靈敏度的這種大的差異主要是由于微結構的存在而產生的。由此可知,傳感器的電極復合薄膜的微結構有利于提高其靈敏度。

2.3 傳感器靈敏度差異的分析

電容式壓力傳感器相當于傳統的平行板電容器,其兩平行板間的電場被認為是勻強電場[14]。利用毛面玻璃作為模板,復制出具有一定微納結構的PDMS薄膜,在PDMS上噴涂銀納米線,由于PDMS的微納結構使得銀納米線在其表面呈現出粗糙的分布狀態。由于微納結構的存在使得復合薄膜電極與PDMS介電層之間存在大量的空氣間隙,這時PDMS膜和空氣間隙共同組成的混合結構即為傳感器中間的介電層。當外界施加壓力時,空氣間隙快速減少使得介電層的相對介電常數快速變化,故傳感器的靈敏度較高。

另一方面,具有微結構PDMS的傳感器在受到壓力作用時,電極受到擠壓,粗糙起伏的結構使得銀納米線電極極板間的距離和極板的等效面積發生明顯的變化,在施加相同壓力的情況下電容的有效面積增大導致電容值快速增大,并最終導致靈敏度增大。

但是對于光滑的電極表面,當相同的壓力作用在柔性襯底上時,平行板電容器極板間的距離發生變化較小,這種變化沒有粗糙電極的傳感器的變化大,其靈敏度也相對較小。

3 結論

本文采用采用簡單、低成本的方法制備了三明治結構的柔性電容式壓力傳感器,采用模板復制的手段制備出具有微結構的PDMS柔性薄膜和平面結構的PDMS柔性薄膜,并對比這兩種結構的柔性壓力傳感器的性能。具有微納結構的AgNWs/PDMS復合薄膜傳感器的靈敏度為1.0kPa-1,而平面結構的AgNWs/PDMS復合薄膜傳感器的靈敏度為0.6kPa-1。研究表明柔性傳感器的靈敏度受電極表面微觀形貌影響較大,當AgNWs/PDMS復合薄膜電極表面具有微結構時,傳感器的靈敏度較高。而當電極表面比較平整時傳感器的靈敏度相對較低。針對以上的研究,在傳感器的實際應用中,可以采用制備電極表面微納結構的方法來顯著提升其靈敏度。

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全 勇(1990-),男,河南南陽人,電子科技大學光電信息學院,碩士研究生,主要從事柔性傳感器方向的研究,yongQ17@163.com;

魏雄邦(1976-),男,甘肅蘭州人,電子科技大學光電信息學院,副研究員,主要從事光電材料與集成器件,太赫茲光電子學,敏感電子學與傳感器技術,weixiongbang@uestc.edu.cn。

The Performance of Flexible Capacitive Pressure Sensor with Microstructured PDMS Films*

QUANYong,WEIXiongbang*,XIAOLun,WUTao,PANGHanying,WUShuanghong,CHENZhi,JIANGYadong

(School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China)

The sandwich structure flexible capacitive pressure sensor was designed. The sensor adopted polydimethylsiloxane(PDMS)as flexible substrate,silver nanowires as the electrode material,and PDMS as dielectric layer,in addition,the substrate was made by two kinds of structures,the obscured glass substrate with micro-nano structured surface and the smooth glass substrate without micro-nano structured surface,as effective moulds for construction of flexible PDMS thin films. We laminated the two AgNWs/PDMS films together,face-to-face,with another PDMS as dielectric layer,to obtain the capacitive strain sensor,and then study the influence of micro-nano structure on the sensor sensitivity. And the sensitivity of micro-structured AgNWs/PDMS composite sensor was about 1.0 kPa-1,while the sensitivity of flat structured sensor was about 0.6 kPa-1. Research has shown that micro-nano structured electrode can effectively improve the sensitivity of the device.

flexible pressure sensor;micro-nano structure;polydimethylsiloxane(PDMS);silver nanowires

項目來源:國家自然科學基金(61474016,61101030,61371046,61421002)

2016-09-06 修改日期:2016-10-22

TP212

A

1004-1699(2017)03-0337-04

C:7230;7230G

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.03.001