基于CNTs/PDMS介電層的柔性壓力傳感特性研究*

趙學峰,崔建利,高 飛,張志東,閆樹斌*

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.陸軍西安軍事代表局駐咸陽地區(qū)軍事代表室,陜西 咸陽 712000)

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基于CNTs/PDMS介電層的柔性壓力傳感特性研究*

趙學峰1,崔建利1,高 飛2,張志東1,閆樹斌1*

(1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.陸軍西安軍事代表局駐咸陽地區(qū)軍事代表室,陜西 咸陽 712000)

提出一種基于MEMS工藝的柔性壓力傳感器制備方法。采用MEMS工藝制備柔性壓力傳感器模板,結合納米壓印技術、射頻磁控濺射技術和PDMS軟光刻工藝在PDMS柔性基底上制備了具有“V”型陣列微結構的Ag薄膜平行板電極,基于碳納米管(CNTs)/PDMS聚合物的壓電容特性,制備出電容式柔性壓力傳感器。針對不同尺寸的壓力傳感器進行對比測試,本文制作的壓力傳感器的靈敏度能夠達到3.98% kPa-1,具有良好的重復性,在智能穿戴和電子皮膚等方面有著廣闊的應用前景。

柔性壓力傳感器;“V”型平行板電極;MEMS;PDMS

傳感技術是現(xiàn)今社會測量、測控和智能自動化系統(tǒng)的重要功能單元之一,傳感技術的研究與發(fā)展成為了每個國家十分重視的發(fā)展領域[1-3]。近年來,柔性電子技術以其巨大的性能優(yōu)勢與快速的發(fā)展速度在世界范圍內(nèi)掀起一場技術革命[4-5]。柔性傳感器的研究也成為研究人員面臨的新挑戰(zhàn)、新領域[6]。

從國內(nèi)外對柔性傳感器的最新研究來看主要為柔性壓力傳感器的研究,常用的柔性襯底材料為聚對苯二甲酸乙二醇酯樹脂PET(Poly Ethylene Terephthalate)、聚偏氟乙烯PVDF(Polyvinylidene Fluoride)薄膜、聚乙烯二氧噻吩PEDOT(Poly ethylenedioxythiophene)導電聚合物[7-8]等,基于銀納米線[9-10]、碳納米管[11-13]實現(xiàn)柔性壓力傳感器制備,但存在著金屬材料與柔性襯底容易脫落、發(fā)生較大形變時金屬電極容易斷裂導致傳感器失效的問題。

本文基于MEMS工藝技術制作了一種具有“V”型微電極結構的電容式柔性壓力傳感器。針對金屬材料與柔性襯底粘附性差的問題,實驗中選用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為柔性襯底材料,金屬Ag作為電極材料,并利用plasma工藝對PDMS柔性襯底表面進行修飾處理用于增強金屬Ag與PDMS的粘附性,設計的“V”型陣列微電極結構有效解決了柔性壓力傳感器在發(fā)生較大形變時金屬電極產(chǎn)生斷裂的問題,利用碳納米管/PDMS聚合物作為介電層,改善了傳感器的靈敏度。

1 實驗部分

1.1 平行板柔性電極的制作

柔性壓力傳感器制備工藝流程如圖1所示,工藝簡單概括為:(1)氧化;(2)光刻;(3)濕法腐蝕;(4)納米壓印;(5)PDMS倒模;(6)濺射,封裝。

圖1 柔性壓力傳感器工藝流程圖

在實驗中,采用單面拋光4 inch<100>面N型氧化硅片(蘇州銳才半導體有限公司),電阻為2 Ω～5 Ω,厚度為500 μm。在千級潔凈室分別使用H2SO4(濃):H2O2=3∶1、SC1液、SC2液對硅片進行清洗,去除表面碳氫化合物、堿離子、金屬污染物。為防止硅片表面吸附水在光刻膠中產(chǎn)生針孔和氣泡導致光刻膠的漂移損壞光刻圖形,光刻前將硅片放置到HMDS烘箱中135 ℃烘烤1 h進行表面活化,增強光刻膠與硅片的粘附性。在百級潔凈室使用勻膠機(KW-4A)對正性光刻膠(MICROPOSIT S1800 G2 SERIES PHOTORESISTS)以3 000 rad/min的轉(zhuǎn)速進行旋轉(zhuǎn)勻膠,使用熱板105 ℃進行前烘90 s。采用EVG-610型光刻機進行接觸式曝光,曝光劑量135 mj/cm2,用配套顯影液顯影,顯影時間40 s。熱板115 ℃堅膜120 s,目的是去除顯影后光刻膠中殘留的溶劑,提高光刻膠的黏附力和抗腐蝕性。

光刻后進行第一次腐蝕,首先以光刻膠作為掩膜使用BOE腐蝕SiO2,去除光刻膠后得到以SiO2為掩膜窗口的模板。KOH腐蝕平行板實驗中,采用DF-101T-10L恒溫水浴爐,溫控精度為±1 ℃,保持反應溫度恒定在80 ℃,腐蝕系統(tǒng)中KOH腐蝕液容積為1 000 mL,質(zhì)量比為40 wt%,攪拌速度為1 500 rad/min保持腐蝕液濃度均勻,防止反應生成的絡合物在硅片的腐蝕表面富集而阻止反應進行。腐蝕結束后再次進行RCA清洗,完成PECVD沉積SiO2層制備。SiO2制備完成后進行第二次光刻、腐蝕完成柔性壓力傳感器引出導線和平行板電極上的“V”型陣列微電極,在二次腐蝕中使用15 wt% TMAH+17 vol% IPA進行腐蝕22 min,最后去除SiO2完成柔性壓力傳感器硅模板的制作,如圖2所示。

圖2 柔性壓力傳感器硅模板表面形貌圖

將制備出的硅模板和聚碳酸酯(PC)襯底放入納米壓印機樣品臺中,設置加熱溫度為150 ℃,壓力大小為0.65 MPa,保溫時間為5 min,保壓時間為40 min,然后升溫加熱到PC的玻璃化溫度以上使其軟化,再加壓使模板上的結構壓入PC中保持40 min,自然冷卻后完成進行脫膜完成納米壓印模板制作。把聚二甲基硅氧烷(PDMS)與固化劑按照質(zhì)量比10∶1進行混合,充分攪拌后進行真空脫泡處理。脫泡完成后將PDMS均勻涂在納米壓印模板表面,通過勻膠機保持厚度為300 μm,進行二次真空脫泡處理。當氣泡完全消失后,放入烘箱加熱至90 ℃的溫度下進行固化2 h。將固化后的PDMS脫膜,利用ION40等離子體系統(tǒng)(plasma)功率120 W,氣流量150 SCCM,對PDMS進行表面處理20 s增強金屬Ag與PDMS的粘附性,最后利用磁控濺射儀(Mantis Qprep Deposition System型)在腔體內(nèi)基壓維持在8.0×10-3Torr左右,功率60 W在PDMS表面進行金屬Ag薄膜濺射工藝,濺射后得到未封裝的柔性壓力傳感器平行板電極,平行板電極的尺寸為9 mm×9 mm,6 mm×6 mm,3 mm×3 mm,如圖6(a)所示。

1.2 碳納米管(CNTs)/PDMS聚合物的制作

制備CNTs 復合薄膜所需的原材料,主要有粒徑尺寸為10 nm～20nm,長度為1 μm～3 μm的帶烴基的碳納米管(CNTs),膠狀PDMS 聚合物及PDMS 固化劑。在千級潔凈室制備CNTs復合薄膜,潔凈室溫度為20 ℃,相對濕度為60%。首先,稱取一定體積分數(shù)的CNTs并倒入燒杯中,加入一定量無水乙醇后,在超聲波清洗器中超聲分散,超聲時產(chǎn)生的局部高溫或強的沖擊波,可較大幅度地消弱納米顆粒間的作用力,有效防止納米顆粒團聚。溫度控制在30 ℃下超聲8 h,即可得到分散良好的CNTs懸浮液。然后,加入PDMS主劑,在150 ℃的烘烤機上加熱,待無水乙醇揮發(fā)完全,冷卻后加入一定比例的固化劑攪拌,再將燒杯放入真空烘箱中,抽真空脫除氣泡約1 h。最后,將脫除氣泡的混合物倒入模具中再抽真空,在烘箱中固化2 h(溫度為70 ℃),至此制得體積分數(shù)為2%[13]厚度為50 μm的CNTs/PDMS 復合薄膜。如圖3所示,體積分數(shù)為2%的CNTs/PDMS復合薄膜電鏡圖,從圖3可以看出,碳納米管均勻分散在PDMS中。

圖3 CNTs/PDMS 復合薄膜電鏡圖

2 測試與討論

2.1 柔性壓力傳感器硅模板形貌測試

硅片通過清洗、勻膠、前烘、光刻、顯影、堅膜、濕法腐蝕后制備出柔性壓力傳感器硅模板,如圖2所示模板表面干凈結構整齊清晰。光刻后使用光學顯微鏡觀察光刻結果,如圖4(a)所示。可以看出光刻出的“V”型微電極結構具有均勻的線條,并且光刻膠顏色一致,線條沒有彎曲,說明光刻膠與硅片粘附性好,解決了因吸附水導致的漂膠問題。在濕法腐蝕中,由于存在硅的各向異性腐蝕,最終形成(111)晶面與(111)晶面夾角為70.52°的“V”型槽。腐蝕結束后使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測表面形貌,觀測結果如圖4(b)所示。從觀測結果可以看出制作出的“V”型微電極結構表面光滑,周期一致、均勻。

對制備出的硅片模板進行防粘處理后進行納米壓印,制作出與硅模板結構相反的PC模板如圖5(a)所示。從圖5(a)可以看出PC模板中的結構清晰,表面干凈整潔,表明納米壓印脫膜成功。進一步使用激光共聚焦顯微鏡觀察結構表面,如圖5(b)所示,從圖5可以看出,結構光滑,結構表面沒有殘留壓印膠存留,說明納米壓印中防粘處理效果好。

圖4 陣列圖和SEM圖

圖5 平面圖和三維表面形貌圖

2.2 柔性壓力傳感器PDMS平行板電極形貌測試

將配置好的PDMS均勻涂在PC模板上制備出與硅模板相同結構的PDMS柔性襯底,使用磁控濺射儀在PDMS表面進行金屬Ag電極制備,完成柔性壓力傳感器制備如圖6(a)所示,可以看出整體金屬Ag光滑致密。進一步通過SEM觀察,如圖6(b)所示,金屬Ag電極均勻致密,結構周期一致,與PDMS柔性襯底粘附可靠,通過共聚焦觀測的三維形貌“V”型結構高度一致,如圖6(c)所示。

圖6 形貌圖和SEM圖

2.3 柔性壓力傳感器測試

通過PDMS自身粘附力對壓力傳感器進行封裝。如圖7(a)所示為封裝后的柔性壓力傳感器,圖7(b)為傳感器電容內(nèi)部結構圖。實驗中封裝了3種不同尺寸的有“V”型微電極平行板電容結構與混有碳納米管的PDMS作介電層,并使用導電銅膜將制作出的引線與Agilent 4156C阻抗分析儀連接進行輸出電容的測試,使用PACE5000壓力控制器對傳感器表面施加壓力,施加壓力過程中記錄傳感器電容的變化情況,測試平臺如圖7(c)所示。

測試時壓力值從0到10 kPa,在不施加壓力時,測得壓力傳感器的電容初始值為3.62 pF,不同尺寸的壓力傳感器對施加壓力的響應曲線如圖8(a)所示。

圖7 柔性壓力傳感器

圖8 壓力傳感器電容變化曲線

結果表明,傳感器的電容變化量隨著外部載荷的增加呈增加的趨勢,這是由于隨著外部壓力的增加,上極板的每一個“V”型電極與下極板“V”型電極之間的距離的減小,每一個“V”型電極之間的有效作用面積的增大;另外,均勻分散于PDMS內(nèi)部的碳納米管之間也會形成微小電容,隨著外部壓力的增加,碳納米管之間的距離也會隨之變小,CNTs/PDMS薄膜的壓電容效應隨之產(chǎn)生。但是,當壓力增加到一定程度,薄膜電極會產(chǎn)生大的形變,薄膜邊緣的高剪切力不容忽視,導致傳感器電容與壓力的非線性增加。此外,當傳感器的平行板電極面積由3 mm×3 mm,6 mm×6 mm增加到9 mm×9 mm時,傳感器的壓力靈敏度由2.26% kPa-1,3.45% kPa-1增加到3.98% kPa-1,這是由電極薄膜膜片的撓度導致的。所以,在相同的外部壓力下,尺寸較大,傳感器的靈敏度相對較高。在實際應用中,傳感器的穩(wěn)定性即良好的重復性也是非常重要的。如圖8(b)所示,分別對傳感器進行100次,200次,300次彎曲后的電容值進行了測試;如圖8(c)所示,對100次彎曲后的傳感器進行了8次重復性的測試。分析結果300次的彎曲試驗后,在相同的壓力值時,傳感器的變化率沒有顯著的改變;8次重復性測試結果都在合理的誤差范圍內(nèi)。結果顯示,制作的壓力傳感器具有很好的穩(wěn)定性和良好的重復性。同時可以觀察到,隨著次數(shù)的增加,傳感器的電容值會有相對的下降,這是由PDMS的遲滯效應導致。

3 結論

本文研究了一種基于CNTs/PDMS復合材料介電層以及“V”型陣列柔性電極結構的薄膜電容式壓力傳感器,通過MEMS工藝技術制作柔性壓力傳感器的硅模板,結合納米壓印、PDMS軟光刻工藝和磁控濺射金屬Ag的方法得到了性能穩(wěn)定,重復性較好的柔性壓力傳感器。相對于帶空腔結構的電容式壓力傳感器,這種具有微結構的柔性電極薄膜電容式壓力傳感器的工藝流程簡單,壓力靈敏度較高。此外,對柔性壓力傳感器、“V”型微電極的研究,從MEMS工藝上提供了柔性壓力傳感器制備的新方法。本文的研究工作為柔性微電容傳感器的研究提供了新的思路。

致謝

本項目作者閆樹斌特別感謝山西省留學歸國人員擇優(yōu)項目,山西省教育廳中青年拔尖創(chuàng)新人才,中北大學杰出青年基金,以及河北省航天遙感信息處理與應用協(xié)同創(chuàng)新中心開放課題基金的部分資助。

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趙學峰(1993-),男,山西,中北大學在讀研究生,主要從事柔性MEMS及光纖傳感方向的研究;

崔建利(1990-),女,中北大學在讀博士研究生,主要從事柔性MEMS方向的研究;

閆樹斌(1975-),男,山西中北大學。博士、教授、博士生導師,主要從事微納光學傳感與微納控制,目前研究興趣在納米光波導功能單元、光量子器件、微集成原子鐘、基于高Q光學微腔的傳感器件理論及系統(tǒng)集成等領域,shubin_yan@nuc.edu.cn。

The Characteristics Study of the Flexible Pressure SensorBased on CNTs/PDMS Dielectric Layer*

ZHAO Xuefeng1,CUI Jianli1,GAO Fei2,ZHANG Zhidong1,YAN Shubin1*

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Xianyang Office,Xi′an Military Representative Bureau,PLAGF,Xianyang Shannxi 712000,China)

A new method for MEMS technology of flexible pressure sensor is reported in this paper. The flexible pressure sensor mold are obtained by MEMS technology. The PDMS with“V”type Ag film parallel plate electrode was then made combining nano-imprinting technology,RF magnetron sputtering technique and PDMS mold. On the basis of the piezocapacitance effect of the CNTs/PDMSpolymersfilm,the capacitive pressure sensor was obtained. According to comparison test to the different size of pressure sensor,the developed sensor exhibits a maximum sensitivity of 3.98% kPa-1to capacitance,great durability over 300 cycles. This technique cannot only realize batch preparation of wafer level flexible pressure sensor,but have a broad application prospect in the flexible pressure monitoring and electronic skin.

flexible pressure sensor;“V”type parallel plate electrode;MEMS;PDMS

項目來源:國家自然科學基金項目(61675185);國家杰出青年科學基金項目(61525107);山西省自然科學基金項目(201601D011008);河北省航天遙感信息處理與應用協(xié)同創(chuàng)新中心開放課題基金項目(67-Y20A07-9002-16/17)

2017-02-21 修改日期:2017-05-05

TP212.1

A

1004-1699(2017)07-0996-05

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.07.004