一種快速響應的納米裂紋應變傳感器

宋曉圓 劉軍山

摘要：為了在聚酰亞胺（polyimide ，PI ）基底上實現納米裂紋的圖案化，提出了一種利用不同金屬薄膜在柔性基底上的延展性差異引導納米裂紋可控分布的方法，制作出了一種具有快速響應能力的納米裂紋應變傳感器。在 PI 基底上先濺射了一層鉻薄膜，對鉻薄膜圖形化后再濺射了一層金薄膜，制作了一種 PI基底-圖形化鉻中間層-金薄膜的結構。使用電子動靜態萬能材料試驗機拉伸 PI基底，并使用掃描電子顯微鏡觀察表層金薄膜納米裂紋的產生情況，因為 PI 基底上的鉻薄膜與金薄膜存在明顯的延展性差異，金薄膜上的納米裂紋僅在鉻薄膜的存在區域內產生，產生方向與拉伸方向垂直，成功實現了金薄膜上納米裂紋的可控分布。基于提出的納米裂紋圖案化方法，進一步在 PI 基底上制作了一種納米裂紋應變傳感器，并對制作的納米裂紋應變傳感器進行了測試。測試結果表明，制作的納米裂紋應變傳感器的響應時間短于16 ms ，具備快速響應的能力。

關鍵詞：應變傳感器;納米裂紋;快速響應;聚酰亞胺

中圖分類號：TP212??????????????? 文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492（2021）12-0007-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

A Fast-response Nanocrack-based Strain Sensor

Song Xiaoyuan ，Liu Junshan ※

（ Key Laboratory for Micro/Nano Technology and System of Liaoning Province， Dalian University of Technology， Dalian， Liaoning 116024， China）

Abstract： In order to realize the patterning of nanocracks on polyimide （PI） substrates， a method to induce the controllable distribution of nanocracks? via? the? difference? in? stretchability? of? different? metal? films? on? a? flexible? substrate? was? proposed，? and? a? fast-response nanocrack-based strain sensor was fabricated. A chromium film was sputtered on a PI substrate， and a gold film was sputtered after patterning the chromium film. A PI substrate-patterned chromium intermediate layer-gold film structure was obtained. The PI substrate was stretched using the electronic dynamic and static universal material testing machine and the occurrence of nanocracks in the gold film was observed using the scanning electron microscope. Due to the obvious difference in stretchability between the chromium film and the gold film on the PI substrate， the nanocracks in the gold film were only occurred in the area supported by the chromium intermediate layer， the direction of the pattern was perpendicular to the stretching direction， and the controllable distribution of nanocracks in the gold film was realized. Based on the proposed nanocracks patterning method， a nanocrack-based strain sensor on the PI substrate was further fabricated and tested. The results showed that the response time of the nanocrack-based strain sensor was shorter than 16 ms， achieving a fast response.

Key words： strain sensor; nanocrack; fast-response; polyimide

0 引言

應變傳感器是一種通過測量物體的相對變形量來獲取對應物理量信息（應變[1-3]、壓力[1， 3]、溫度[4]、振動[1]等）的傳感器，被廣泛應用于生理信號采集[1， 3]、人機交互[5]等領域。其中，納米裂紋應變傳感器相對于傳統金屬應變片具有更高的靈敏度[6-7]。在柔性基底上實現金屬納米裂紋的精準、可控分布，能夠極大地提升相應的柔性電子器件的性能，具有重要的科學意義和實際應用價值。目前，研究人員圍繞納米裂紋開展了許多方面的應用研究，但納米裂紋應變傳感器仍亟待開發。

納米裂紋應變傳感器的性能受到了表層薄膜裂紋圖案的直接影響[7]。控制納米裂紋應變傳感器的性能，建立一種精確控制金屬納米裂紋圖案的方法，一直是國內外專家學者研究的熱點。2021年，大連理工大學的 Liu 等[8]提出了一種光刻輔助納米裂紋圖案化（Photolithogra? phy-assisted nanocrack patterning ， PAnCP）的方法，通過在聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane ，PDMS）基底上對光刻膠圖形化，選擇性地保護了 PDMS基底上的金薄膜，當以一定的曲率彎曲基底時，金薄膜只在無光刻膠保護的位置出現了納米裂紋，從而實現了對裂紋的位置、密度、長度、形狀等特征的有效控制。并且，該方法打破了對表層金屬薄膜材料的限制，同樣適用于 PDMS基底上鉑、銀和銅薄膜的納米裂紋圖案化[8]。

此外，納米裂紋應變傳感器的性能也受到了聚合物基底材料性能的影響[7]。比如：常用的 PDMS基底由于其楊氏模量較低，很難實現納米裂紋應變傳感器的快速響應[7]，武漢大學的 Luo 等[4]在 PDMS基底上制作了一種納米裂紋應變傳感器，響應時間約60ms 。PI 薄膜的楊氏模量比 PDMS高4個數量級，會使 PI 基底的納米裂紋應變傳感器具有更快的響應[7， 9， 10]，韓國亞洲大學的 Kim 等[11]制作的一種 PI 基底的納米裂紋應變傳感器響應時間為5 ms 。PI 薄膜具有優異的柔性和熱穩定性，常被用作柔性電子器件的基底材料。但是，目前在 PI 基底上實現納米裂紋的圖案化仍是一個挑戰。

本文利用鉻薄膜與金薄膜在 PI 基底上的延展性差異，將脆性的鉻薄膜作為底層材料并對其進行圖形化處理，制作了一種 PI 基底-圖形化鉻中間層-金薄膜結構。這種具有一定圖案特征的鉻薄膜，選擇性地引導了具有高延展性的金薄膜在 PI 基底上產生納米裂紋，在 PI 基底上實現了對表層金薄膜納米裂紋圖案的有效控制。利用該方法，本文制作了一種 PI 基底的納米裂紋應變傳感器，其響應時間短于16 ms ，具備快速響應的能力。

1 實驗部分

1.1 PI基底制備

本文采用拉伸的方式來引導 PI 基底上的金屬薄膜產生納米裂紋。為了便于拉伸儀器對 PI 薄膜進行拉伸，本文選用厚度約為25μm的PI 薄膜（100HN Kapton Polyimide film ， DuPont ，美國）作為基底，將其切割為73 mm×23mm的長條形狀，并將其平鋪在載玻片上，利用 PI 膠帶固定。接著，依次使用丙酮、乙醇、去離子水清洗 PI 基底各5min ，以減少 PI 基底表面粉塵和有機物顆粒的附著，保證后續沉積的金屬薄膜的均勻性。

1.2 PDMS夾具制備

在拉伸 PI 基底的過程中，由于拉伸儀器的夾具表面具有凹凸不平的特點，使用這種夾具直接夾持25μm厚的 PI 基底，容易導致基底產生應力集中，在拉伸過程中致使基底的端部發生斷裂。因此，本文使用 PDMS夾具對 PI 基底與夾具接觸的表面進行保護。

PDMS 夾具的具體制作過程為：將 PDMS （Sylgard 184，Dow Corning Corporation ，美國）的預聚物與固化劑按照10∶1的體積比配備，在盛有 PDMS混合物的容器內充分攪拌均勻;使用保鮮膜密封容器，靜置;待氣泡基本消失后，將 PDMS倒進由鋁箔膠帶包裹好的玻璃基板上，上下左右搖晃，使得 PDMS混合物充滿整片玻璃基板;將玻璃基板放置在調平的平臺上，置于電熱鼓風干燥箱（101-0AB 型，天津市泰斯特儀器有限公司，中國）中，在85℃的條件下加熱2 h ，并隨爐冷卻;使用手術刀將固化后的 PDMS從玻璃基板四周邊緣分離，然后緩慢撕下，使用保鮮膜封裝保存;最后，將 PDMS裁切成30 mm×15 mm的小塊備用。

1.3 納米裂紋的制作

PI 基底上可控產生納米裂紋的具體制作工藝如圖1所示。

鉻薄膜的濺射與圖形化如圖1（a）所示。首先，使用濺射臺（JS3X-80B ，中科院微電子中心，中國）在 PI 基底上以150 W 的功率濺射一層厚度18 nm 的鉻薄膜。接著，使用勻膠機（ KW-5，中國科學院微電子研究所，中國）在鉻薄膜表面旋涂一層正性光刻膠（ BP212，北京化學藥品研究所，中國），具體的旋涂過程為，先在600 r/min的條件下低速旋轉9 s ，再在2500 r/min的條件下高速旋轉30 s;將樣片放置在85℃的熱板上前烘35min，使用光刻機（MA/BA6， SUSS MicroTec ，德國）對光刻膠進行曝光，曝光劑量為350 mJ/cm2;將樣片放入0.5%的 NaOH溶液中顯影30 s ，放入去離子水中清洗樣片表面殘留的顯影液，并吹干。然后，使用 H4CeN2O3、HClO4和 H2O 的混合溶液（對應的配制比例為10 g ∶9 mL ∶100 mL）腐蝕鉻薄膜約20 s ，用丙酮去除樣片表面及載玻片上殘留的光刻膠。最后，依次使用乙醇、去離子水清洗樣片和載玻片，并吹干。

金薄膜的濺射與圖形化如圖1（b）所示。首先，使用濺射臺在圖形化鉻薄膜表面濺射一層厚度27 nm的金薄膜，濺射功率為150 W 。接著，使用與圖1（a）相同的工藝圖形化正性光刻膠。然后，使用 I2、KI 和 H2O 的混合溶液（對應的配制比例為1 g ∶5 g ∶50 mL）腐蝕金薄膜，腐蝕時間為15 s 。最后，使用丙酮去除殘留的光刻膠，依次使用乙醇、去離子水清洗樣片，并吹干。

拉伸制作納米裂紋如圖1（c）所示。首先，將先前制作的 PDMS夾具分別夾在PI 樣片的兩端。接著，將樣片安放在電子動靜態萬能材料試驗機（ E3000，Instron，美國）上，對樣片進行拉伸，并使用紅外非接觸式視頻引伸計實時監測 PI 薄膜的實際應變量，當顯示的應變量達到設定值時停止拉伸，保持該狀態約30 s后，釋放樣片。

2 結果與討論

2.1 薄膜材料與結構設計

PI基底上的鉻薄膜與金薄膜之間存在明顯的延展性差異，PI基底-鉻薄膜-金薄膜結構相對于PI基底-金薄膜結構，更容易在表層金薄膜上拉伸產生裂紋[12] 。本文利用鉻薄膜與金薄膜在PI基底上的延展性差異，通過圖形化鉻薄膜的方法，制作了一種PI基底-圖形化鉻中間層-金薄膜的結構，在金薄膜與PI基底之間選擇性地分布了具有特定圖案的鉻層。這種圖形化的鉻中間層，可對 PI 基底上金薄膜納米裂紋的產生區域進行有效的控制，使得在較低的拉伸應變下，PI基底上的金薄膜僅在鉻薄膜的存在區域內產生納米裂紋。基于上述工藝制作的樣片實物如圖2所示。其中，本文制作的金薄膜圖案為 5 mm×10 mm的長方形圖案;制作的鉻薄膜圖案為10條寬度均為20 μm的長條陣列結構，陣列間隔為0.98 mm。

2.2 PI基底上納米裂紋分布的控制效果

將圖 2 所示的樣片拉伸，最大的預拉伸應變約為 3%，使用掃描電子顯微鏡（SU8220，日本株式會社日立高新技術，日本）觀察PI基底-圖形化鉻中間層-金薄膜結構的表層金薄膜納米裂紋的產生情況，觀察結果如圖 3所示。由圖可知，圖形化的鉻薄膜可對PI基底上金薄膜的納米裂紋分布產生有效的控制，保證了金薄膜上納米裂紋僅在鉻薄膜的陣列圖案內產生，產生的納米裂紋具有一定的排列規律，排列方向與拉伸方向垂直。

2.3 PI基底應變傳感器的響應時間

在金薄膜圖案兩端用導電銀漿分別焊接上兩根金導線，制作出了一種納米裂紋應變傳感器。使用電子動靜態萬能材料試驗機對該種納米裂紋應變傳感器施加應變，施加的頻率為0.2 Hz;使用紅外非接觸式視頻引伸計實時監測傳感器的實際應變量，測量的最大應變在2% 左右;同時，使用數字萬用表（PXIe-4081，National In? struments，美國）實時監測傳感器的電阻變化。得到的應變曲線和相對電阻變化曲線如圖4所示，經計算得到該傳感器的響應時間短于16 ms，說明本文制作的納米裂紋應變傳感器具備快速響應的能力。

3 結束語

本文基于鉻薄膜與金薄膜之間明顯的延展性差異，制作了一種 PI 基底-圖形化鉻中間層-金薄膜的結構，通過對該結構進行拉伸，該結構的表層金薄膜可產生具有一定分布規律的納米裂紋，納米裂紋僅在鉻薄膜的陣列圖案內產生，同時，納米裂紋的排列方向與拉伸方向垂直。本文通過這種圖形化鉻中間層的方式對表層金薄膜納米裂紋的圖案進行了有效控制，實現了 PI 基底上表層金薄膜納米裂紋的精確、可控制造。基于前述的 PI 基底納米裂紋圖案化方法，本文制作了一種 PI 基底的納米裂紋應變傳感器，并對該傳感器的響應速度進行了測試。測試結果表明，本文制作的納米裂紋應變傳感器具有快速響應的能力，響應時間短于16 ms。

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第一作者簡介：宋曉圓（1996-），女，湖南長沙人，碩士研究生，研究領域為柔性應變傳感器。

※通訊作者簡介：劉軍山（1975-），男，研究員/博士生導師，研究領域為聚合物微納制造。

（編輯：王智圣）