柔性壓力傳感器設計與實現

顧志榮, 秦會斌

(杭州電子科技大學 電子與信息學院，浙江 杭州 310000)

0 引 言

近年，柔性傳感器[1,2]在敏感材料，制造工藝，傳感器結構等方面取得了很多成果。Lee H K等人[3]利用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)設計了一種電容式觸覺傳感器，具有良好靈敏度和柔韌性。 Ren G Y等人[4]利用聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)。制作了一種新型的基于納米纖維薄膜的柔性壓力傳感器，但由于PVDF基于壓電效應，其只能測量動態力，無法實現對靜態力的檢測。Pand C團隊[5]以醫用膠帶為上級板材料，在傳感器下級板制備了微結構化陣列，極大提高了傳感器分辨率和靈敏度。陳曉東團隊[6]以PDMS轉移復制微結構，并在其上自組裝氧化石墨烯制得壓阻式柔性傳感器，具有極高靈敏度，響應時間可達0.2 ms。郭小輝等人[6]利用有機硅導電銀膠，石墨烯納米片，炭黑/硅橡膠制備了薄膜溫敏傳感器和電容式力敏傳感器，并采用可拼接的正六邊形模塊化陣列結構設計出了基于I2C總線的復合式傳感器。 雖然微結構能夠提高傳感器的靈敏度和分辨率，但大都基于軟光刻工藝，成本較高，工藝復雜；大面積集成方面，存在傳感器體積過大，傳感陣列厚度較大等問題。

針對以上不足，本文以炭黑/硅橡膠制制備壓敏復合材料，通過轉印3D打印微結構模板圖案，獲得具有四棱錐結構的柔性壓力傳感器。此外，利用印刷工藝直接印刷壓力傳感器，實驗表明，本文設計的傳感器能夠實現對壓力的感知，適合大面積集成應用。

1 柔性壓力傳感器設計

柔性壓力傳感器由柔性電極，柔性壓敏材料和柔性基底組成。電極材料選用導電銀漿，銀含量約70 %，具有優異的導電性。壓敏導電橡膠具有良好的導電性和柔韌性，制作工藝簡單、成本低等特點，使其成為較理想的柔性壓力傳感器敏感材料。銀漿固化需要較高的溫度，因此，相比于目前應用較多的聚酯(polyester,PET)，柔性基底選用聚酰亞胺(PI)能夠耐受更高的溫度。

1.1 壓敏復合材料制備

實驗材料和儀器：道康寧184硅橡膠，石腦油，ECP600JD科琴超導炭黑;精密天平，磁力攪拌機，超聲清洗機，真空干燥箱。壓敏材料制備工藝如下：

將占硅橡膠質量的6 %科琴黑加入石腦油中，磁力攪拌10 min成為懸濁液，超聲分散[7]30 min使均勻分散。加入A組分硅橡膠，室溫攪拌5 h形成粘稠溶液，將混合溶液置于真空干燥箱中20 min，去除氣泡和未完全揮發的石腦油，按10∶1質量比加入交聯劑攪拌3 min。

1.2 微小結構傳感器

傳感器結構采用“三明治”型，如圖1，制備工藝如下：

1)基底選用PI，通過絲網印刷導電銀漿于其表面，圓形電極直徑9 mm，置于鼓風烘箱160 ℃，2 h干燥，制得上下極板；

2)通過勻膠機或絲棒，將上述壓敏材料，涂覆于3D打印模具上，轉印復制其四棱錐結構，四棱錐長寬高均為200 μm，勻膠機轉速1 000 r/min;

3)將樣品放入烘箱120 ℃，30 min。冷卻后采用手動剝離，用直徑為1 cm的打孔器，獲得傳感器壓敏層;

4)封裝采用3M雙面膠，根據PI基底和電極形狀切割雙面膠，最后面對面貼合封裝。

微結構設計，可以顯著提高該類傳感器的靈敏度[8]，從力學的角度，當通過角錐與電極接觸時，在同樣的壓力下，受力更加集中，可獲得更大的形變量、更大的電阻值變化率、更高的靈敏度。通過軟件仿真，使用錐體結構壓敏層，在同樣的壓力下，形變量是無微小結構的數倍，圖2為四棱錐受力分布。

圖2 四棱錐表面受力分布

目前還不能用一種理論或模型解釋其所有的特性，研究人員大多綜合多種理論[9,10]來解釋復合材料的壓敏效應。

通過改變導電粒子的摻雜量，微結構尺寸及形狀，復合材料的厚度等因素，可調節傳感器初始電阻值、靈敏度和量程。通過萬用表和拉壓力試驗機測試，傳感器的輸出特性曲線和重復特性曲線如圖3所示。

圖3 試驗機測試

可以看出，由于微小結構的存在，傳感器在低壓力時具有較高的靈敏度，但隨著壓力的增大，靈敏度逐漸下降。傳感器具有良好的重復性。壓敏橡膠對力的響應時間極短，小于1 ms，隨著炭黑加入量增大，導電橡膠的阻尼特性增大，相應的響應和穩定時間也將縮短[11]，但由于硅橡膠的粘彈性，在2N壓力多次加載卸載實驗中，輸出電阻值基本穩定約需1 s。

1.3 印刷傳感器

相比于涂覆工藝，絲網印刷在兼顧同一性的同時，也簡化了制備傳感器工藝，避免了將壓敏層粘附于電極的工序。直接在電極上固化，保證了穩定的電傳導，傳感器體積也更小。印刷制備流程如下：

1)基底選用PI，通過絲網印刷導電銀漿于其表面，圓形電極直徑9 mm，置于鼓風烘箱160 ℃，2 h干燥，制得上下極板。

2)根據電極位置，制作印刷壓敏橡膠的網版，印刷面積較電極稍大，直徑1 cm。網目選用250目。印刷2次，第1次固化后，再進行2次印刷，防止單次印刷可能存在的空隙問題。

3)完全固化后，使用3M膠帶封裝，如果是大面積制備，可通過模切沖型制作相應圖形的雙面膠。

印刷固化后的傳感器如圖4所示，固化后的壓敏材料與PI薄膜有較好的附著力，印刷膜厚約為50 μm。采用超薄的PI封裝后傳感器厚度約為0.2 mm。在制備用于印刷的壓敏材料時，應盡量避免使用室溫固化硅橡膠(如晨光GD401)。實驗發現，室溫固化硅橡膠固化速度較快，在印刷過程中，刮板與網版摩擦會加速固化，易出現堵網現象；隨著炭黑摻雜比例的提高，當達到8 %左右時，壓敏材料將出現粘度過大，流動性差，不利透過網版等問題，可通過添加適量PDMS稀釋劑解決。

圖4 印刷傳感器

通過萬用表和拉壓力測試機，測試結果如圖5所示。

在重復性試驗中，印刷傳感器也表現出了較好的性能，如圖6所示 相比于涂覆工藝制備的傳感器，印刷工藝的膜厚較小，起始電阻值更低。由于印刷未實現微結構，壓力較小時，靈敏度不及微結構傳感器。但在2～6 N的壓力區間，仍具有較高的靈敏度。傳感器的起始電阻值、量程、靈敏度等指標可通過改變網版網目、印刷次數、導電粒子摻雜比等調節。

圖5 印刷傳感器輸出特性

圖6 印刷傳感器重復性實驗

2 結束語

1)壓敏橡膠轉印復制3D打印微結構模板的微小結構，雖然圖案的精細化和尺寸不及軟光刻工藝，但避免了復雜的工序和較高的成本，且能明顯提高傳感器的靈敏度。

2)基于壓敏橡膠的壓阻式傳感器，雖然結構簡單，對力響應時間短，但由于硅橡膠的粘彈性，使得傳感器存在一定的遲滯且輸出電阻值穩定也需要較多時間。

3)基于印刷導電橡膠工藝的傳感器，具有良好的性能且成本低、體積小、厚度薄、工藝流程簡單，適合大面積集成開發，為大面積柔性傳感器提供了一種方案。

4)下一步，可通過摻雜納米SiO2補強硅橡膠，改善壓敏橡膠力學性能以進一步降級傳感器遲滯；硅烷偶聯劑的雙官能團，能夠提高無機粒子在有機物中的分散性[12]以提高橡膠的導電性，對改善傳感器性能也有較大價值。