微纳结构的柔性压力传感器设计和制备

2022-09-21 16:45:57 来源:写作指导

微纳结构的柔性压力传感器设计和制备

摘要:设计了一种柔性压力传感器的制备方法,通过对柔性材料的性能分析,选择导电银浆作为传感器的导电层。为了增强传感器的导电性能,介电层材料采用聚氨酯和炭黑的复合材料。同时,为提升传感器的灵敏度,在介电层中采用微结构设计,利用丝网印刷工艺将柔性材料印刷至柔性基底表面。最后,根据电极阵列点的设计封装得到柔性压力传感器。通过测试数据分析得出,相同的压力作用下,具有微结构的传感器发生的形变量更大,灵敏度更高,稳定性能良好。该设计的压力传感器具有成本低、制备工艺简单等特点,并且灵敏度性能有所提升,在智能穿戴和医疗检测等领域有广阔的应用前景。

关键词:柔性压力传感器;微结构;灵敏度;导电层;介电层

0引言

目前,无线通信技术的快速发展,传感器作为连接内部系统和外界环境的重要电子器件,逐步成为研究热点[1]。其中,压力传感器被广泛应用在生物医疗、工业生产、智能机器人仿生皮肤及可穿戴设备等方面[2]。随着柔性电子技术的发展,传感器从传统的硬式压力传感器正逐渐发展成可进行弯曲变形的柔性压力传感器[3]。柔性压力传感器通过可植入、可穿戴的方式实时监测医院病人的心跳频率、脉搏情况及血压等身体指标参数值,所以对这些产品的要求不但具有安全性和准确性,还要考虑人体佩戴的舒适度,在大幅度运动下不能过度影响传感器的性能指标[3,4]。近年来,具有柔性特点的压力传感器已经成为研究热点,并迫切需要可以研发出成本较低且可以投入大规模使用的新型柔性压力传感器。文献[5]使用碳纳米管材料利用化学气相沉积技术制备导电薄膜,并且通过导线连接制备成柔性压力传感器。这种方法制备出的压力传感器灵敏度性能较低,不能进行大规模应用。文献[6]研发出复合材料,充分利用石墨烯和聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料的附着效果,将石墨烯与碳纳米管材料的复合材料制备薄膜,将该膜旋涂于PDMS膜表面上,制备后的传感器性能明显优于纯柔性材料制备的传感器。此外,通过对传感器的介电层或导电层进行微结构化处理,不但可以增加压力传感器的形变量,还可以比无结构化的传感器具有更高的灵敏度,更快的响应时间[7]。目前,使用的微结构包括金字塔型[8]、微圆点型[9]、凹凸型[10]等等结构,与非结构化的相比,具有金字塔型微结构的传感器在压力敏感方面可以提高30倍,响应时间在毫秒(ms)时间范围之间。柔性传感器的关键技术指标有灵敏度、响应时间、空间分辨率等,通过对柔性材料的结构和特性研究分析,熟悉传感器的灵敏度、响应时间等特性,并且传感器的介电层采用微结构设计可以增大弹性形变量[11]。本文通过对导电银浆的结构特点、导电性能等分析,以导电银浆作为传感器的导电层,为了具有更好的相容性,采用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)作为柔性基底,介电层选用炭黑和聚氨酯的复合材料,并加入微结构设计。从制备成本方面考虑,采用丝网印刷工艺将柔性材料铺设在柔性基底上,实现低成本、灵敏度高,易于实现的柔性压力传感器。

1传感器的柔性材料

1.1导电银浆的材料特性

导电银浆材料对于研发各种电子器件来说是一类很重要的功能性材料,被广泛应用在薄膜开关、射频识别等领域范畴,目前市场被应用最多的类型有:压电陶瓷用导电银浆[12],以PET材料为主的薄膜开关[13],柔性电路板使用的低温导电银浆[14]。本文制备的柔性压力传感器采用低温导电银浆材料,主要组成成分包括银粉、高分子有机聚合物、有机溶剂和添加剂等,将这些组成成分按照一定比例混合处理成浆液,采用印刷工艺在PET基底上贴合,最终固化成膜。导电银浆的特性就是电性能比较稳定,粘接强度较高,并且固化温度相对来说较低,易于实现。制备导电银浆的过程中,主要以银粉作为导电填料,银粉的占比对整体导电银浆的导电性能起关键性作用。在合理范围内,随着银粉的含量增大银浆的导电性能会越强,但同时银浆的流动性能会变差,导致整体的印刷效果不理想。所以银粉的质量比重需要控制在一个最佳数量值,才能使整体性能稳定,粘接程度强。银粉根据颗粒大小径不同可以分为不同种类,不同类别的银粉制备出的导电银浆性能效果各有差异。另外,银粉的形状对导电银浆的导电性能也会有影响。银粉的形状主要有球状和片状,从导电性能指标来说,由于片状的银粉比表面积较大,经过印刷之后可以呈现层状分布,并且颗粒之间分布紧密,所以电阻值会比较小,导电性能较好,所以,片状银粉最适合成为制备导电银浆的导电填料。

1.2复合压敏材料

制备复合压敏材料需要选取适当的基体材料,可以在内部结构固定导电粒子,又可以加强复合材料的柔性、耐热性及耐老化性等特点。聚氨酯材料属于嵌段聚合物,由长链段和断链段原料聚合形成,也可分为硬段和软段,软段由长链二元醇组成,而硬段由多异氰酸酯和扩链剂组成,其构成会影响材料的软硬和强度程度。导电粒子也是制备复合压敏材料的重要部分,基体材料都是绝缘性的,填充一定量的导电粒子才能使复合材料具备导电性,填充量的多少对复合材料的导电性能有直接影响[15]。常用的碳系粒子包括炭黑、石墨、碳纤维等。这几种材料相比而言,炭黑的优势更加突出,在价格成本和性质上都具有优势。炭黑属于半导体性质材料,主要由碳组成,并包括少量的硫、氢和氧元素,电阻率较低,不但可以使聚氨酯材料具有导电性,可以加快材料之间的分散。单位体积中导电炭黑的含量越多,虽然导电性能会变好,但由于比表面积也随之变大,表面能增大,炭黑会更容易发生团聚现象,所以炭黑的含量也是需要考虑的问题。通过实验,对比炭黑在不同质量比的情况下,与聚氨酯混合材料下检测材料的电阻变化特点,得到的压力与电阻的变化曲线如图1所示。从图1中可以看出:炭黑质量比的增大对压力敏感范围并无显著影响,电阻总体的线性度都相对比较高。由于炭黑的导电性能较高,拥有独特的支链状态,所以对基体材料的影响较小,可以选用加入量比为5%的炭黑,使其在聚氨酯的复合压敏材料中形成导电网络。

2微结构设计

通过研究表明,对柔性传感器的柔性电极层或介电层进行结构化处理,可以有效提升柔性压力传感器的灵敏度等性能指标[16]。目前设计的传感器微结构形状有很多种,主要有金字塔型、微圆点型、仿生微纳结构等等。在本文中设计一种新型微三棱锥体结构,通过软件COMSOLMultiphysics对新型微三棱锥体结构和柱型结构的微结果进行仿真,选择适合的计算求解器,通过设置参数,仿真结果如图2所示。通过棱锥体结构与电极层接触,在受到同等压力作用下,带有棱锥体结构的模型受力比较集中,能使整体复合材料的形变量变大,获得较大的电阻变化率,使传感器的灵敏度提高。微结构仿真实验证实设计棱锥体微结构可以达到提高传感器灵敏度的效果。

3实验过程与结果分析

3.1实验过程

首先需要制备导电材料—导电银浆溶液,制备流程如图3所示。有机溶剂采用二乙二醇乙醚酸酯和尼龙酸二甲酯,以质量1:1的比例混合搅拌,将有机溶剂聚酰胺材料混合溶解,使混合物颗粒充分分散。量取45g片状细银粉加入到混合溶液中,经过超声分散机超声处理0.5h,使银粉充分分布在溶液中。将获得的浆体进行脱泡处理,排除在搅拌过程中产生的气泡,防止材料不均匀。最后加入少量的稀释剂润湿浆液,提高粘接作用。微结构的制备主要利用3D打印技术,将微棱锥体结构制备成相应的模具,选取PDMS材料制备微结构薄膜,因为PDMS预聚液为液体,可以任意浇铸各种不同形状。在制备微结构薄膜的过程中,首先用无水乙醇、去离子水将模具清洗干净,在匀胶机上旋涂,在60℃的温度下固化30min,将薄膜从模具上剥离下来,便获得微结构薄膜。最终的微结构薄膜图如图4所示。传感器的电极阵列制备采用丝网印刷工艺,PET作为柔性基底,丝网印刷的制定材质可选用木框或者金属框材质,网版网目数选用200目,电极阵列的设计为4×4阵列,电极的阵列设计图如图5所示。在进行丝网印刷的过程中,首先需要检查图案的尺寸、细节方面是否相符。然后将PET基材放在网版下面作为承印物,将网版定位,需要保证网版与PET基材表面留有一定缝隙(一般为3~5mm)。丝印网板采用150目的网孔大小,取适量导电银浆材料放在网框的起始位置且在刮板的宽度范围之内,注意刮板和网版的角度尽量保持在45°~50°之间,并且要尽量保证刮板两端力的大小均匀分布,保持匀速移动。印刷完成后抬起丝印网板,将PET基材上印刷的电极层进行干燥处理。PET基材表面上导电银浆材料干燥之后,用同样的印刷方式印刷复合材料(即聚氨酯炭黑复合材料),印刷后的电极层实物图如图6所示。将印刷之后的两层电极层电极阵列点相互对应,中间层为带有微结构设计的薄膜层,封装成柔性压力传感器。封装部分采用未固化的PDMS溶液,在电极层中间缝隙处涂一层薄薄的PDMS溶液,涂膜厚度与PET基材的厚度相当,然后将两层电极阵列精准对齐,在室温下固化之后完成封装。整个传感器的阵列结构图如图7所示。

3.2结果与分析

通过对传感器的电极阵列点测试,压力作用与电阻的关系,可以得到传感器的不同阵列点的变化曲线图,如图8所示。从图8可知,传感器电极阵列点的电阻值和压力作用关系曲线,并对制备的柔性压力传感器的不同阵列点电阻值做对比实验测试稳定性,在测试条件相同的情况下电阻特性展示出不同的变化特点。可以看出:有微结构的传感器,在压力变化范围内,随着压力的增大,传感器的电阻值呈下降趋势变化;相对来说,不含棱锥体微结构的传感器电阻值变化程度较缓慢。图8分别为传感器不同电极阵列点的检测结果,从数据结果来看,传感器不同阵列点电阻值与压力变化曲线关系趋于相似,证明此传感器的电极材料均匀性能良好,各个电极阵列点的传感性能相同。图9为传感器的电阻变化率与压力值的变化曲线,从图中可以看出传感器上没有压力作用时,电阻值和初始电阻相等,电阻变化率为0;电阻的变化率最高达到86.758%,通过计算得到传感器最大灵敏度达到-0.4426N-1,当传感器压力的变化微小时,仍能检测出电阻变化值。

4结论

本文提出了一种柔性压力传感器的制备工艺,主要以导电银浆作为导电材料,介质层采用聚氨酯和炭黑的复合材料,将微结构设计加入中间层,将电极层的阵列点精准对位之后进行封装,得到柔性压力传感器。通过对传感器的性能测试并分析实验数据结果得出:加入微结构之后,传感器的灵敏度指标得到提升,稳定性能较好,并且此传感器具有柔韧性特点,制备过程中工艺简单易于实现,成本较低。目前的微结构只是单一设计,对传感器的性能提升空间具有限制,在以后的研究中,可以将几种结构混合,对结构的分布、形状等创新,开发新的微结构方案等方法提高柔性压力传感器的性能。

作者:侯丽娟 秦会斌 胡炜薇 秦晋 单位:杭州电子科技大学 电子信息学院