基于模板法的可控微裂紋傳感元件加工方法研究

戚宏梓 楊智航 王可軍

蘇州大學機電工程學院 江蘇 蘇州 215100

1 導言

裂紋從宏觀的角度看確實會成為一種缺陷,眾多的學者也曾潛心研究如何克服這種缺陷,盡力地去規避材料產生裂紋的情況,而近年來有學者從仿生角度發現了微觀視角下的裂紋還可以有許多其他實際性的應用。路甬祥院士曾指出:“人的創造欲是科技創新的根本動力,自然和社會是我們認知和創新服務的對象,也是我們學習的最好老師”[1]為了適應自然界的各方面條件與需求,自然界的生物都進化出了具有獨特功能的優秀結構,為人類科學技術革新帶來了靈感。由聚合物基底和帶有納米裂紋的金屬膜所組成的基于納米裂紋的柔性應變傳感器的理論依據是:宏觀角度被視為材料缺陷的裂紋在微觀角度可以實現有效的控制與圖案化。當對傳感器施加微小的應變時,由于量子隧穿效應,納米裂紋邊界的連接變化將導致應變傳感器的電阻發生急劇變化,因此它具有極高的應變靈敏度系數。目前三種方法對裂紋進行控制和圖案化是彎曲法,拉伸法與應力集中法[2]。上述方法都可解決裂紋的隨機性問題。但所產生的裂紋的蔓延與傳播都是由金屬材料本身的性質與隨機缺陷決定的,故很難精確控制裂紋位置、長度、密度等參數,這使得彎曲法與拉伸法都具有很大的局限性,對精度要求較高的領域就無法使用。而集中應力法可針對應力集中對裂紋進行精確的圖案化控制,目前常見的應力集中手段是在基底上制作應力集中的微結構,雖然這種方法可以有效的控制裂紋位置、密度、長度等參數,但用于應力集中的孔槽結構制作難度較高,若遇到裂紋制作要求的面積較大的情況,更是要制作許多應力集中結構,這很大程度上增加了整體制作難度,因此這種方法主要用于較小尺寸與范圍的裂紋制作,一般制作長度僅為幾百微米。

2 相關理論的研究與分析

2.1 量子隧穿效應 在量子力學中,量子隧穿效應指可以穿越或穿入位勢壘的微觀粒子(例如:電子)的一種量子行為,就是使微觀粒子的總能量低于位勢壘的高度。在量子隧穿效應中,微觀粒子的透射系數是會隨著勢壘高度的變化而急劇改變的,將該關系映射到裂紋與電子之間的關系,可以證實即使是特別微小的應變引起的裂紋參數細微的變化也會導致電子透過率的大幅改變,從而引起明顯的電阻阻值變化[3],將該關系反映至應變傳感器的靈敏度系數的公式中即為:GF=(R/R0)/ε式中R為電阻的阻值變化量,R0為初始阻值,(R/R0)表示應變傳感器在受應變時的電阻變化率,ε為傳感器所受應變量,兩者相除可表示在承受應變時,應變傳感器感應信號的靈敏度水平,若其值越高,傳感器的靈敏度就越高。由量子隧穿效應中粒子與勢壘高度變化的關系的特性,可以明確基于微裂紋的傳感器在受到微小應變量時也能擁有很高的阻值變化率,即超高的靈敏度。

2.2 裂紋圖案化方法與機理研究 本文采用的裂紋圖案化方法為基于模板法刷涂環氧樹脂控制中性層,大致過程為:使用聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜作為樣片基底,再使用金(Au)和鉻(Cr)相粘合作為樣片金屬層,利用激光切割的方法切割出環氧樹脂形狀所需模板,再利用模板進行環氧樹脂的刷涂,最后再布線、封裝、進行彎曲以產生通過環氧樹脂控制好的裂紋圖案。

分析本文所采用的基于模板法控制環氧樹脂圖形從而控制裂紋圖案化的理論基礎,此處對模板法進行了材料力學方面的分析得到相關公式為:

由于d1遠小于d2,在使用相等曲率半徑的圓弧進行彎曲的情況下,無環氧樹脂層的金屬表面所受拉伸應變ε1明顯大于有環氧樹脂層的金屬表面所受拉伸應變ε2。若金屬表面所受應變量超過其斷裂應變量后便會發生斷裂,并且產生裂紋,因此無環氧樹脂覆蓋的金屬層較于有環氧樹脂覆蓋的部分更易出現裂紋,從而達到控制裂紋位置、密度等參數,實現裂紋圖案化的目的,而且在后續實際操作過程中,實驗的結果與上述材料力學分析的結果都基本吻合。在對本文提出裂紋圖案化方法進行理論基礎分析后,后續的實際操作和實驗部分皆以上述理論為基礎。

3 可控微裂紋傳感元件的制備工藝

3.1 拉伸平臺的搭建 本文所搭建平臺的主要設計思路是,利用不同曲率半徑的圓棒來滿足圓弧面的要求,要固定圓棒的位置需要一個圓棒夾具體,本文設計的圓棒夾具體由夾具底座、刀片夾具座、圓棒夾具以及加強筋裝配而成。圓棒上端的螺紋孔既可以用于圓棒的夾緊,也可以用于更換曲率半徑略低于孔的公稱半徑的圓棒,制備時只需要將夾具體底座固定到實驗臺上即可完成對產生可控裂紋所需特定曲率半徑的圓弧的固定。

本文對夾持底座和夾具進行特殊設計,使得位移臺可以產生一定頻率的往復運動,砝碼也保證了每一次彎曲的拉伸力度相同,從而達成了在金屬樣片上精確的產生可控裂紋的要求。

3.2 樣片材料的選取 本文的樣片制備采用的是以聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜作為樣片基底,在基底上鍍一層金(Au)和鉻(Cr)相粘合的金屬層,再在金屬層上利用模板法刷涂一層環氧樹脂作為保護層,最后是旋涂一層聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為保護層。完整的樣片是由這四層材料組成的。

3.3 傳感元件的制作 本文提出的基于模板法制備的微裂紋傳感元件,是以PET薄膜為基底,Au與Cr作為金屬層噴涂于基底上,再根據所需裂紋密度和位置使用激光切割出環氧樹脂模板并利用模板刷涂一層環氧樹脂作為保護層,之后布上電極線,再使用PDMS進行封裝,最后在拉伸平臺上進行往復拉伸彎曲以產生可控裂紋。

4 對微裂紋應變傳感元件的測試

4.1 傳感元件的性能測試 本文所描述的模板法制備加工出的微裂紋應變傳感器的性能主要依靠靈敏度、重復性、遲滯性來衡量,故對其進行此方面的測試。

4.1.1 靈敏度測試 靈敏度衡量了微裂紋應變傳感器在受到應變時的阻值變化程度。從圖4.1中可以直觀的看到,在承受拉伸應變時,應變傳感器的相對電阻值(ΔR/R0)隨著應變的增加而呈指數擬合式急劇上升,GF也隨之急劇增大,靈敏度極高。這對于實現微裂紋應變傳感器高靈敏度要求方面的應用具有重要的指導性和實驗依據。

4.1.2 重復性測試 重復性是反映應變傳感器多次重復運行穩定性的重要性能之一,也是衡量微裂紋應變傳感器實際使用價值的一項重要指標。此處主要考慮傳感器樣片在重復彎折時相對電阻(R/R0)的標準偏差和相對標準偏差。計算得知,采用模板法制備的微裂紋傳感器樣片在前20秒的724次循環拉伸實驗中的STD值為0.2478,RSD值為6.6471%,即使在相對阻值波動最大的100-150s時間區間內,STD值也僅有0.5941,RSD值為13.5787%,可見利用本文提出的模板法制備出的微裂紋應變傳感器具有良好的重復性。

4.1.3 遲滯性測試 為了準確定義微裂紋傳感器的滯后性能,需要計算遲滯程度DH,如下公式所示DH=(AS-AR)/AS×100%

DH值越小代表微裂紋傳感器的滯后程度越小,滯后性能越好,式中AS與AR分別代表著微裂紋傳感元件加載和卸載過程中擬合曲線與橫軸圍成的面積,擬合曲線的表達式如圖3.3所示,分別對兩個擬合曲線進行定積分運算,可得AS=16.5455;AR=14.1878;從而計算出DH值為14.2498%,可見利用模板法制備出的微裂紋應變傳感元件具有較好的遲滯性能,可以進行重復拉伸和釋放實驗。

4.2 人體信號的檢測 本文描述的微裂紋傳感器可以靈敏的檢測人體的呼吸、脈搏等生理信號,這為微裂紋傳感器的醫療監測,電子皮膚等的應用打下了實驗基礎。

4.2.1 呼吸信號的檢測 呼吸是人體最重要的生理信號之一,呼吸所傳遞的信息很大程度上可以反映一個人的生理健康狀態。當人體進行呼吸時,胸腔隨著吸氣膨脹;隨著呼氣收縮,進而導致緊貼于胸腔處的微裂紋傳感元件產生拉伸應變,從而導致電阻發生劇烈變化。從而可以靈敏且實時的監測人體呼吸的頻率、幅度等各方面呼吸信號,這也為其在未來智能的醫療器械的應用中打下了堅實的基礎。

4.2.2 脈搏信號的檢測 采用本文所提出的模板法制備的微裂紋傳感器同樣具有優秀的脈搏檢測能力。

結束語

本文通過現有的傳感器技術與微裂紋制備技術綜合歸納出了一種以模板法為基礎的可控微裂紋傳感元件的加工方法,并且通過理論和實踐角度證明了這個方法的可行性。實際采用基于模板法的可控微裂紋傳感元件的加工方法進行了傳感元件的完整制備;并對制備出的傳感元件樣片進行了各方面性能測試以證明基于本文提出的模板法制備出的傳感元件具備了優異的性能和實用價值。其利用裂紋傳感應變信號的特殊性與隧穿效應,再加上納米級的尺度范圍,使得基于可控微裂紋的應變傳感元件往往具有超高的靈敏度,優秀的重復性能和遲滯性能,以及傳統機械量傳感器難以實現的小型化和可穿戴性;并且采用本文提出的基于模板法制備出的傳感元件已經可以憑借其出色的性能實現實時且詳細的監控人體生理信號的實用價值。