高性能可穿戴式柔性压力传感器的制作与检测∗

窦颖艳，姚 俊

(1.南昌理工学院电子与信息学院，江西 南昌 330044；2.南昌理工学院特种机器人技术研究所，计算机信息工程学院，江西 南昌 330044)

传感器技术的发展推动了各种仪器的研究和应用，在设备仪器中集成不同的传感器，可用于采集所需的信息。传感器可将采集的信息转化为电信号，然后高效传输给其他器件[1]。近年来对于柔性压力传感器的研究较多，包括声学式、压电式等传感器[2－3]。其中电容式压力传感器的优势最为显著，其结构简单，制作成本低，灵敏度高，检测结果准确，故无论在研究还是在应用领域中均吸引了大量的关注[4－5]。

柔性压力传感器可用于对压力进行有效检测，当压力作用于传感器上时，传感器会发生形变，形变程度与压力大小有关[6－8]。该类传感器适用性较强，应用范围较广，可满足多种检测场景的要求。目前针对柔性压力传感的研究持续增多，人们主要通过两种方式提升柔性压力传感器的响应，一种为改变衬底材料，如Kou 等[9]将适量石墨烯材料添加到柔性基底内，制备出了稳定性较高且响应速度快的传感器。Cui 等[10]设计了一种基于PDMS 衬底的“V 型”阵列结构，同时提高了传感器的稳定性与灵敏度。另一种方式为对介质层结构进行微结构化，如Ahmed 等[11]通过仿生玫瑰花瓣翻模制作了介质层，制作的传感器灵敏度可达0.08 kPa－1。柔性压力传感器目前已应用到人机交互及医疗健康等领域中，显示出广阔的应用前景[12－14]。

生物的复眼具备大视场和高灵敏度，基于复眼结构的智能设备，已应用在多个领域中[15]。如果将复眼结构用于介质层的制备，可提升传感器的性能。

本文设计了一种电容式压力传感器，在传感器中采用了复眼结构，衬底为PDMS，通过MEMS 工艺加工而成。通过对制作的传感器检测分析可得，其在性能上可以达到良好的效果。

1 柔性电容式压力传感器工作原理

电容式压力传感器的原理示意图如图1 所示，在外部压力变化时导致电容改变。平行板电容(C)表达式如下所示:

图1 柔性传感器工作原理示意图

式中:ε代表两极板间材料的介电常数；ε0为空气介电常数(8.85×10－12F/m)；εr为相对介电常数；d为极板间距；A为极板间的有效面积。本文采用变极距类型改变电容的变化，可以实现对压力变化的有效检测。根据得到的研究结果可知，微结构的应用有助于改善传感器的灵敏度。

本文设计的介质层采用了半球体复眼结构，传感器结构如图2 所示。整个器件总体划分为五个层次，其中最上层和最下层为PDMS 薄膜，中间层是带有双面复眼结构的PDMS 薄膜，为介质层；第二层和第四层为电极层，经plasma 处理后的PDMS 上通过纳米团簇溅射一层均匀的Ag，将五层键合在一起形成复眼结构传感器。

图2 传感器基本结构示意图

2 柔性电容式压力传感器的制备

2.1 掩膜版的设计

为了最大化利用填充因子，掩膜版采用圆阵列设计，其中每三个相邻圆形的圆心组成正三角形，通过CAD 绘制复眼结构掩膜版，尺寸为1 cm×1 cm，圆间距、直径分别是8 μm、66 μm。

2.2 介质层的制作工艺

选择硅片进行超声清洗，依次采用去离子水、丙酮、乙醇、去离子水清洗12 min、18 min、14 min、11 min；清洗结束后进行干燥处理。具体的制作流程如下:

①匀胶。匀胶两次后将AZ4620 涂覆在硅片上，然后烘干；烘干后再次涂覆AZ4620，使得两层正胶达到28 μm 的厚度。

②光刻。在硅片上方放置掩膜版进行紫外线曝光。

③显影。配置AZ400K 和H2O 体积比为1 ∶3 的显影液，然后放入硅片显影140 s 后清洗、干燥。

④热熔。在烘台以180 ℃的温度对硅片热熔30 min 后可得到半球体。

⑤倒模。将固化剂和PDMS 预聚物以体积比为1 ∶10 进行混合。搅拌至充分均匀后涂覆于硅片表面，烘干后得到副膜。

⑥二次倒模。在副膜表面沉积180 nm 的派瑞林(Parylene)，然后涂覆PDMS，进行烘干后得到单层复眼微结构。

⑦键合。通过背靠背模式将PDMS 键合，然后烘干得到介质层。工艺流程图如图3 所示。

图3 介质层工艺流程图

利用扫描电子显微镜(Scanning electron Microscopy，SEM)对介质层的结构特性进行观测，如图4所示，由图可见，介质层表面保持了良好的均匀性。在热熔处理之后，各个复眼结构尺寸显著降低，单个子眼的高度、直径分别是18 μm、66 μm。

图4 介质层SEM 表征

2.3 柔性电极层的制作

本文柔性电极层的制作需在PDMS 表层溅射金属银。首先必须对PDMS 进行亲水改性处理，处理过程为:将PDMS 混合液以200 μm 的厚度均匀旋涂于硅片表面；经过30 min 的干燥处理得到PDMS薄膜；然后进行100 s 的plasma 处理；最后通过SDS(Sodium Dodecyl Sulfate)进行改性处理。改性后在PDMS 表面通过纳米团簇沉积100 nm 的金属银薄膜，制备的传感器实物如图5 所示。

图5 传感器实物图

3 传感器的性能测试

3.1 动态测试

对复眼传感器进行动态实验，传感器的响应时间和恢复时间如图6 所示。由图可见，对于复眼结构传感器，其响应时间和恢复时间分别为130 ms 和120 ms，表明制造的复眼传感器具有较快响应速度。

图6 响应特性

3.2 迟滞特性

柔性传感器在循环载荷下的电容响应如图7 所示。相同载荷下，卸载时的电容大于加载时的电容，该现象是由弹性材料的弹性滞后特性引起的。迟滞性参数E的计算公式为:

图7 循环载荷下的电容输出响应

式中:Cloading与Cunload分别为同一载荷下加载和卸载的电容响应；Cmax为电容的最大输出响应。迟 滞性越小，柔性传感器的性能就越好。结合图7 和式(2)可知，该传感器在0～25 kPa 载荷范围内，迟滞性参数均小于7%，迟滞特性良好。

3.3 传感器的循环测试

本次设计传感器的测试结果如图8 所示。其中图8(a)为测试平台，整个平台中划分为多个部分，需要先在平台中设置传感器，然后对相关的测试参数进行合理设置，包括电击器频率以及测试次数等，最终得到的测试结果，如图8(b)所示。根据图中信息可知，在循环次数为12 000 次时，传感器的性能基本保持不变，保持了较高的稳定性。

图8 复眼传感器测试平台以及循环测试结果图

3.4 灵敏度测试

本文给出了复眼结构与无微结构的两种传感器的灵敏度测试结果，如图9 所示。首先需要在传感器上方放置压力机，并与LCR 测试仪进行连接，然后对复眼结构、无微结构的两种柔性介电层展开实验，记录初始电容以及压力加载测试结果，最后计算出电容变化率。将各个压力得到的电容与初始电容作差，然后计算该差值和初始电容的比值。由图9 可见，当压力处于0～4 kPa 时，无微结构、复眼结构的传感器灵敏度明显不同，二者分别是0.19 kPa－1、0.28 kPa－1，其中后者对于灵敏度的提升效果比较显著，大约为前者的1.5 倍。压力变化导致灵敏度改变，二者表现为负相关的关系。当压力处于4 kPa～10 kPa 时，两种结构的灵敏度分别是0.022 kPa－1、0.041 kPa－1。

图9 两种结构传感器灵敏度测试结果

3.5 传感器的应用

对所研制的复眼结构传感器在可穿戴检测方面的实际应用进行了研究。在实验过程中用手指压住传感器，以此可以对传感器的响应进行检测，在设备正确连接之后可以开始采集数据。数据基本不变时用指尖施加不同的压力，通过这种方式即可对电容的微小变化进行检测，传感器对指尖施加不同压力的响应如图10(a)所示，可以看出，随着压力的增加，相对电容单调增加。此外，传感器的快速响应表明，该装置能够在移除指尖后恢复到初始状态。此外，在应用五个循环的重复低压或高压时如图10(b)所示，所研制的传感器还具有良好的重复性。

图10 复眼传感器在检测中的应用

针对该传感器的应用效果进行检测分析，需要在手指中设置传感器，并与LCR 测试仪进行有效连接。本次设计的复眼结构传感器的优势在于能够直接检测到弯曲力。在按照上述操作正确连接之后，可以开始采集相关的数据，手指需要进行适当活动，在逐步弯曲之后然后伸直，从0°弯曲到120°，然后再慢慢到0°，可以得到对应的检测结果，具体如图10(c)中所示。

此外，为了评估传感器在对重物的感知能力，将所研制的复眼结构传感器连接到指尖进行重量检测，方法是抓取塑料杯12 s，然后将其放下。图10(d)为杯子抓取过程的动态响应，空杯子、装半杯橙汁的杯子的和装满橙汁的杯子。复眼结构传感器的响应可以识别杯子中橙汁的状态。当抓取空纸杯时，电容值的相对变化最小，约为0.4。通过增加橙汁量，发现传感器电容的相对变化显著增大，当杯子装满橙汁时，电容的相对变化达到1.1 左右，相对电容变化的线性响应有助于简化检测电路的设计。

4 结论

本文主要对复眼结构柔性压力传感器进行了设计和制作，传感器的结构分为三层，电极层－介质层－电极层。每层均采用不同的材料和工艺制作而成，其中介质层主要是键合而成的复眼结构，工艺流程包括光刻、翻模等。电极层通过溅射金属银薄膜的方式制作。制作完成后，针对该传感器的应用效果进行了测试分析，研究结果表明该传感器能够检测出瞬时信号，并且具有较高的稳定性与灵敏度，实用性较强。且制作的传感器可完成对指尖感应的高效检测，稳定性良好。因此，本文制作的柔性压力传感器可应用于穿戴设备中，有较高的实用价值。