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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2024-11-28 08:43
摘要
寬檢測(cè)范圍和高靈敏度是保證柔性壓力傳感器在多種應(yīng)用場(chǎng)景內(nèi)保持高分辨率和高精度的關(guān)鍵參數(shù)。雖然目前已探索了多種微結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料介質(zhì)層以提高傳感器的靈敏度，但檢測(cè)范圍普遍較窄，并且寬檢測(cè)范圍和高靈敏度二者相互制約的問題始終無法解決。為此，設(shè)計(jì)了一種由空氣層和多壁碳納米管(MWCNTs)修飾的聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)(P(VDF-TrFE))復(fù)合膜共同作為介質(zhì)層的電容式柔性壓力傳感器。壓力載荷下，空氣層和復(fù)合介質(zhì)層協(xié)同作用，使傳感器檢測(cè)范圍從0.1~3.6 MPa擴(kuò)寬至0.1~10 MPa，是目前已報(bào)道柔性壓力傳感器的最寬檢測(cè)范圍。同時(shí)，傳感器在0.1~0.5 MPa和0.5~10 MPa范圍內(nèi)均展現(xiàn)出1.673 MPa−1和0.302 MPa−1的較高靈敏度及優(yōu)異的線性度。此外，考慮到實(shí)際應(yīng)用，還開發(fā)了一套電容式壓力傳感器應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，準(zhǔn)確性也達(dá)到了95.0% 以上?；趥鞲衅骷捌錂z測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)，成功展示了傳感器在柔性電子器件領(lǐng)域和微小壓力監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
作為未來智能設(shè)備的重要組件，柔性壓力傳感器在電子可穿戴設(shè)備、曲面觸摸顯示器[1-5]等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有的柔性壓力傳感器按工作機(jī)制可分為壓阻式[6]、電容式[7]、摩擦電式[8]和壓電式[9]。其中，電容式壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、能耗低、可靜態(tài)/動(dòng)態(tài)檢測(cè)、穩(wěn)定性高[10-12]等優(yōu)勢(shì)，被視為最受關(guān)注的柔性壓力傳感器之一。
為適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)景，柔性壓力傳感器需要具備高靈敏度和寬檢測(cè)范圍的特性。然而，大量研究工作表明高靈敏度和寬檢測(cè)范圍之間存在相互制約關(guān)系，二者很難同時(shí)兼得。例如，為提高電容式壓力傳感器的柔性變形能力[13-15]，常采用具有較低模量的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為柔性壓力傳感器的固體介質(zhì)層，而它僅可在0~1 kPa的小應(yīng)力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.132 kPa−1的高靈敏度[16]。因此，為提高傳感器靈敏度并擴(kuò)寬檢測(cè)范圍，許多研究致力于開發(fā)具有高變形能力的微結(jié)構(gòu)介質(zhì)層，包括微圓頂、微柱、微金字塔、多孔結(jié)構(gòu)等[17-20]。但是，這些微結(jié)構(gòu)介質(zhì)層的設(shè)計(jì)僅有利于提高傳感器在0~500 kPa范圍內(nèi)的靈敏度，較高應(yīng)力范圍內(nèi)的靈敏度和壓力分辨率會(huì)大幅下降，傳感器檢測(cè)范圍依然較小(通常為0~500 kPa)[21-23]。此外，微結(jié)構(gòu)制造工藝復(fù)雜、成本高等問題也阻礙了其大規(guī)模生產(chǎn)和在小型化、輕薄化電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。為了解決傳感器高應(yīng)力范圍內(nèi)靈敏度衰減等問題，一些研究提出了簡(jiǎn)單、有效和可規(guī)?；圃斓膹?fù)合介質(zhì)層工藝。Fan等[24] 利用磁場(chǎng)合成了一種磁性結(jié)構(gòu)的鎳硅橡膠復(fù)合材料(S-NSRC)，并用S-NSRC作為介質(zhì)層制備了電容式柔性壓力傳感器。該傳感器在0~200 kPa測(cè)試范圍內(nèi)靈敏度高達(dá)460 kPa−1。Sun等[25]報(bào)道了采用導(dǎo)電石墨/聚二甲基硅氧烷(G/PDMS)制備的泡沫膜，傳感范圍達(dá)到了800 kPa，并且在0~100 kPa范圍內(nèi)獲得了245 kPa−1的極高靈敏度?？梢钥吹?，采用復(fù)合介質(zhì)層制備的柔性壓力傳感器檢測(cè)范圍依然有限，普遍均低于1 MPa[26-27]。但在實(shí)際應(yīng)用中，柔性壓力傳感器需要具備更寬的范圍檢測(cè)，如身體運(yùn)功應(yīng)力范圍為1~500 kPa，觸摸屏幕操作壓力范圍為500 kPa~2 MPa，倉庫機(jī)器人和制造機(jī)器人壓力需大于2 MPa以避免損壞物體等[28-29]。因此，開發(fā)同時(shí)具有超寬應(yīng)力檢測(cè)范圍、高靈敏度的柔性電容式壓力傳感器依然具有較大的挑戰(zhàn)性。
本文基于可規(guī)模化制造的絲網(wǎng)印刷工藝，設(shè)計(jì)、開發(fā)了一種具有超寬檢測(cè)范圍和較高靈敏度的電容式柔性壓力傳感器及應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)寬檢測(cè)范圍，本文采用了低粘彈性的聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)(P(VDF-TrFE))作為傳感器介質(zhì)層材料，同時(shí)，在電極和介質(zhì)層中引入了空氣層，實(shí)現(xiàn)了提高傳感器低應(yīng)力范圍內(nèi)的靈敏度及擴(kuò)寬傳感器檢測(cè)范圍的目標(biāo)。進(jìn)一步，利用多壁碳納米管(MWCNTs)修飾P(VDF-TrFE)介質(zhì)層，傳感器靈敏度在高應(yīng)力范圍內(nèi)也得到提高，使所設(shè)計(jì)的柔性壓力傳感器兼顧了超寬檢測(cè)范圍和高靈敏度。最后，結(jié)合柔性壓力傳感器實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)開發(fā)了傳感信號(hào)采集電路及上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)了傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋壓力的功能。
1、 實(shí)驗(yàn)材料及方法
1.1 原材料
本實(shí)驗(yàn)所用聚(偏氟乙烯-共三氟乙烯)(P(VDF-TrFE))粉末購自法國(guó)阿科瑪公司。純度99.5%的N, N-二甲基甲酰胺(DMF)購自上海滬試公司。純度95.0%的多壁碳納米管(MWCNTs)購自南京先豐納米材料科技有限公司，直徑約為20~30 nm，長(zhǎng)度約為10~30 μm。厚度50 μm的柔性透明聚酰亞胺(PI)膠帶購自深圳潤(rùn)海電子有限公司。導(dǎo)電銀漿料(01 L-2211 D)購自深圳斯瑞歐電子漿料有限公司。
1.2 實(shí)驗(yàn)流程
首先，將P(VDF-TrFE)粉末和DMF按照15wt%質(zhì)量比配制溶液，磁力攪拌4 h使其混合均勻。稱取一定質(zhì)量比的MWCNTs放入溶液中，采用兩種超聲振蕩器(KQ-50 E型超聲波清洗器，舒美，中國(guó)；BILON-650 Y超聲波細(xì)胞破碎儀，比朗，中國(guó))交替振蕩3 h，使MWCNTs均勻分散在聚合物溶液中，如圖1(a)所示。之后，將MWCNTs/P(VDF-TrFE)混合溶液倒在疏水處理過的玻璃板上刮膜，如圖1(b)所示。刮膜后，將玻璃板置于熱臺(tái)，在70℃下烘干。隨后放置在135℃的真空干燥箱(DZF-6012，一恒，中國(guó))中加熱1.5 h，再升溫至152℃后立即取出冷卻以提高其結(jié)晶度。最終將膜從玻璃板上撕下，得到MWCNTs/P(VDF-TrFE)柔性復(fù)合膜，本文制備復(fù)合膜MWCNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0wt%、0.1wt%、0.3wt%、0.5wt%和1.0wt%，膜厚度約為35~40 μm。
圖1
電容式柔性壓力傳感器主要由封裝層、電容敏感介質(zhì)層及電極層三部分組成。首先，通過絲網(wǎng)印刷將導(dǎo)電銀漿印刷在柔性PI封裝層上，形成電極層，如圖1(c)所示。其中電極的形狀可進(jìn)行圖案化設(shè)計(jì)，本文傳感器的有效電極面積設(shè)計(jì)為5×10 mm2。接著將印刷后的電極置于120℃熱臺(tái)固化30 min，并將導(dǎo)電端子安裝在電極末端以便連接導(dǎo)線。最后將介質(zhì)層柔性膜和帶有上下電極的PI封裝層以“三明治”結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝得到柔性電容式壓力傳感器，如圖1(d)所示。傳感器總厚度約為130~140 μm。
1.3 測(cè)試與表征
本文使用掃描電子顯微鏡(SEM，F(xiàn)EI Quanta 250 FEG，F(xiàn)EI，美國(guó))對(duì)含有不同質(zhì)量比的納米復(fù)合材料進(jìn)行了表征。通過X射線衍射(XRD，銳影系列X射線衍射儀，Empyrean，德國(guó))實(shí)驗(yàn)檢測(cè)納米顆粒對(duì)復(fù)合材料結(jié)晶度的影響，測(cè)試使用光源為Cu Kα1輻射光源。樣品的楊氏模量通過使用Q800動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀(DMA，TA Instruments，New Castle，DE)進(jìn)行拉伸測(cè)試得出。測(cè)試件的規(guī)寬為2 mm，規(guī)長(zhǎng)為20 mm。數(shù)顯推拉力計(jì)(HP-200，濮巖，中國(guó))被用來測(cè)量壓力，其測(cè)試范圍為0~200 N，推拉力計(jì)壓頭面積為0.5×10 mm2。傳感器固定在立式電動(dòng)機(jī)(HSV，艾德堡，中國(guó))的樣品架上，連接LCR儀表(TH2817B+ LCR儀表，Tonghui，中國(guó))選用50 kHz頻率測(cè)量施加壓力后傳感器電容的變化。LCR源表連接到電腦上，使用LabVIEW軟件進(jìn)行傳感器性能測(cè)試數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)處理器PCapØ1(ACAM，德國(guó))主要用于數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換，LabVIEW軟件用于設(shè)計(jì)上位機(jī)程序。本文所有實(shí)驗(yàn)及測(cè)試均在室溫下進(jìn)行。
2、 結(jié)果與分析
2.1 電容式柔性壓力傳感器的設(shè)計(jì)
2.1.1 傳感器制備工藝的設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的電容式壓力傳感器是將柔性電極印刷在介質(zhì)層表面，而本文提出了將電極印刷在封裝層的制備工藝，圖2(a)展示了該柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。為了對(duì)比不同工藝對(duì)傳感器的影響，我們檢測(cè)了兩種傳感器在0.1~2 MPa范圍內(nèi)的相對(duì)電容變化，如圖2(b)、圖2(c)所示。在0.1~0.5 MPa的測(cè)試范圍內(nèi)，電極印刷于封裝層的柔性壓力傳感器靈敏度為0.268 MPa−1，與電極印刷于封裝層的傳感器相比靈敏度提高近45倍。當(dāng)應(yīng)力提升至0.5~2 MPa范圍時(shí)，本文設(shè)計(jì)制備的傳感器靈敏度雖降至0.104 MPa−1，但仍為傳統(tǒng)工藝制備傳感器的50倍。為進(jìn)一步探究不同制備工藝傳感器的檢測(cè)范圍，我們將施加的應(yīng)力進(jìn)行了進(jìn)一步擴(kuò)展，圖2(d)、圖2(e)中的結(jié)果顯示采用傳統(tǒng)制備工藝的傳感器電容變化率到3.6 MPa就基本保持不變，而采用本文工藝制備的傳感器檢測(cè)范圍可擴(kuò)展至8 MPa，并且2~8 MPa范圍內(nèi)的靈敏度為0.058 MPa−1，相較傳統(tǒng)制備工藝2~3.6 MPa范圍內(nèi)的靈敏度提高了3倍。以上結(jié)果表明，在兩種不同制備工藝中，將電極印刷于封裝層的壓力傳感器表現(xiàn)出更高的靈敏度及更寬的檢測(cè)范圍。根據(jù)電容決定公式，柔性壓力傳感器電容(C)可表示為
圖2
其中：ε0是真空下介電常數(shù)；εr表示介質(zhì)層介電常數(shù)與真空介電常數(shù)的比值，即相對(duì)介電常數(shù)；A表示兩電極的有效面積；d表示兩電極之間的間隔距離。由上式可知，εr、A和d的變化均可能導(dǎo)致電容變化。由于本測(cè)試采用P(VDF-TrFE)的泊松比為0.35，即膜橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變比值為0.35。因此，電極的有效面積被認(rèn)為在垂直壓力下幾乎不變，傳感器電容變化主要由εr和d的變化引起。圖2(a)呈現(xiàn)了本文制備傳感器在壓力載荷下形變示意圖?？梢杂^察到，與傳統(tǒng)制備工藝相比，本文將電極印刷在封裝層的制備工藝，在“三明治”式傳感結(jié)構(gòu)中引入了空氣層?；贚ichterecker混合規(guī)則[30]，介質(zhì)層的有效介電常數(shù)可用以下公式表示：
其中：εair 和 εfilm是空氣和P(VDF-TrFE)膜的介電常數(shù)；Vair和Vfilm是空氣和P(VDF-TrFE)薄膜的體積分?jǐn)?shù)(Vair + Vfilm= 1)。采用傳統(tǒng)制備工藝的傳感器，壓力載荷下電容變化僅取決于介質(zhì)層被壓縮現(xiàn)象(d減小)，因此靈敏度較低，檢測(cè)范圍較窄。而采用本文制備工藝，兩電極間引入了空氣層結(jié)構(gòu)，使空氣層與膜介質(zhì)層二者協(xié)同作用。隨著壓力載荷的增加，空氣層體積分?jǐn)?shù)Vair減小，膜介質(zhì)層體積分?jǐn)?shù)Vfilm增加，介質(zhì)層相對(duì)介電常數(shù)εr會(huì)隨之增大；同時(shí)，由于空氣層和膜介質(zhì)層共同被壓縮現(xiàn)象，兩電極間間距(d)會(huì)隨著載荷的增加而減小。因此，傳感器εr和d兩方面共同變化，使傳感器電容變化范圍增大，致使傳感器靈敏度提高，檢測(cè)范圍擴(kuò)大。通過以上分析，本文所提出的將電極印刷在封裝層的制備工藝可以有效提高傳感器靈敏度，擴(kuò)寬傳感器檢測(cè)范圍。但是，由圖2(d)、圖2(e)可以看出，采用引入空氣層的制備工藝對(duì)傳感器靈敏度的提高能力有限，特別是在高應(yīng)力范圍內(nèi)靈敏度僅為0.058 MPa−1，無法保證傳感器高應(yīng)力范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性及對(duì)微小變化的識(shí)別能力。
2.1.2 傳感器復(fù)合介質(zhì)層的設(shè)計(jì)
為進(jìn)一步提高傳感器高應(yīng)力范圍內(nèi)的靈敏度，擴(kuò)大傳感器線性檢測(cè)范圍，我們嘗試在介質(zhì)材料中添加MWCNTs的方法制備復(fù)合介質(zhì)層。圖3(a)、圖3(b)分別展示了純聚合物膜和復(fù)合柔性膜的表面形貌，可以看出，MWCNTs在P(VDF-TrFE)中分布較均勻。其次，為進(jìn)一步確定不同質(zhì)量比樣品的晶相類型及結(jié)晶度，本文對(duì)不同質(zhì)量比納米復(fù)合材料進(jìn)行了XRD測(cè)試，從圖3(c)可以看出，所有樣品均在2θ≈19.8°位置出現(xiàn)明顯衍射峰，表明MWCNTs/P(VDF-TrFE)復(fù)合膜均以β相為主，根據(jù)結(jié)晶度計(jì)算結(jié)果可以看出，由于本文中介質(zhì)層膜均未進(jìn)行極化處理，復(fù)合膜β相結(jié)晶度差異較小，表明本文中P(VDF-TrFE)壓電電荷對(duì)測(cè)試結(jié)果無顯著影響。并且，隨著MWCNTs質(zhì)量比的提高，特征峰相比于純聚合物出現(xiàn)向右移動(dòng)現(xiàn)象，這主要?dú)w因于P(VDF-TrFE)與MWCNTs的結(jié)合使復(fù)合膜產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力[31]，并且隨著MWCNTs質(zhì)量的增加，膜內(nèi)部應(yīng)力有所增加。但即使MWCNTs質(zhì)量比達(dá)到1.0wt%，XRD衍射峰的偏移量也僅為0.3°，表明復(fù)合膜內(nèi)部應(yīng)力差異較小，導(dǎo)電填料的添加對(duì)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)無顯著影響。圖4(a)展示了不同含量MWCNTs對(duì)壓力傳感器檢測(cè)范圍及靈敏度的影響。相對(duì)于純聚合物膜，復(fù)合材料膜的線性檢測(cè)范圍從2~8 MPa擴(kuò)展至0.5~10 MPa，并且高應(yīng)力范圍內(nèi)的靈敏度相比于純聚合物也均有所提高，特別是MWCNTs為0.3wt%的復(fù)合膜在0.5~10 MPa測(cè)試范圍內(nèi)靈敏度為0.302 MPa−1，相比于純聚合物膜的靈敏度提高了近5倍。為了探究MWCNTs對(duì)復(fù)合膜傳感性能的影響，本文分別測(cè)試了不同含量的MWCNTs/P(VDF-TrFE)復(fù)合膜的楊氏模量和介電常數(shù)，如圖4(b)、圖4(c)所示。隨著MWCNTs填料的增加，復(fù)合膜的楊氏模量從1.404 GPa增加到1.748 GPa，50 kHz測(cè)試頻率下介電常數(shù)從11.625增加到13.138。根據(jù)廣義胡克定律，傳感器電容變化率與楊氏模量和介電常數(shù)的關(guān)系為
圖3
圖4
其中：△C為壓力載荷下器件的電容值C與初始電容 C0的差值；εr0和εt分別為介質(zhì)層初始介電常數(shù)和壓力載荷下的介電常數(shù)；P為外加載荷；E為介質(zhì)層楊氏模量。傳感器靈敏度與楊氏模量和介電常數(shù)的關(guān)系為
由于P << E，于是
由式(3)、(4)可知，傳感器靈敏度與介質(zhì)層初始介電常數(shù)，壓力載荷下介電常數(shù)及介質(zhì)層楊氏模量有關(guān)。在介質(zhì)材料中添加導(dǎo)電顆粒后，復(fù)合膜中會(huì)形成由導(dǎo)電顆粒MWCNTs和絕緣基體P(VDF-TrFE)組成的微電容器，致使復(fù)合膜介電常數(shù)增大，如圖4(b)所示。當(dāng)施加壓力載荷后，復(fù)合膜會(huì)發(fā)生較大壓縮形變，膜中MWCNTs間距將減小，根據(jù)電容計(jì)算公式，電容器電容值與電極間距成反比，因此導(dǎo)電顆粒間間距減小，微電容器電容值將增大。而相對(duì)介電常數(shù)計(jì)算公式為εr=Cx/C0，其中Cx為介質(zhì)層材料在介質(zhì)中的電容，與微電容器電容值有關(guān)；C0為介質(zhì)層材料在真空中的電容，為一個(gè)定值。因此，壓力載荷下，相對(duì)介電常數(shù)會(huì)隨著微電容器電容值的增加而進(jìn)一步增大，從而進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度。
由公式(4)可知，傳感器靈敏度與壓力載荷下介電常數(shù)成正比，與介質(zhì)層楊氏模量成反比。因此，靈敏度會(huì)在隨著介電常數(shù)增大過程中出現(xiàn)峰值，且出現(xiàn)在復(fù)合膜初始介電常數(shù)與楊氏模量比值最大處。由表1可知，當(dāng)MWCNTs含量為0.3wt%時(shí)，復(fù)合膜初始介電常數(shù)相比于純聚合物膜提升了7.794%，楊氏模量提升了17.165%，初始介電常數(shù)與楊氏模量比值最大，為7.618。而當(dāng)MWCNTs含量大于0.3wt%時(shí)，復(fù)合膜初始介電常數(shù)相比于純聚合物膜提升了8.378%，楊氏模量提升了24.501%，復(fù)合膜楊氏模量增長(zhǎng)幅度較大，使復(fù)合膜初始介電常數(shù)與楊氏模量比值減小。因此，當(dāng)MWCNTs含量等于0.3wt%時(shí)，傳感器靈敏度最高，達(dá)到了0.302 MPa−1；而當(dāng)MWCNTs含量大于0.3wt%時(shí)，傳感器靈敏度出現(xiàn)下降現(xiàn)象。
表1
2.2 電容式柔性壓力傳感器的傳感性能表征
進(jìn)一步，對(duì)MWCNTs含量為0.3wt%柔性壓力傳感器檢測(cè)極限范圍、最小分辨率、穩(wěn)定性等傳感性能進(jìn)行了測(cè)試。如圖5(a)所示，本文所設(shè)計(jì)的柔性壓力傳感器測(cè)試極限可達(dá)到12.668 MPa，遠(yuǎn)超目前已報(bào)道壓力傳感器的檢測(cè)極限。并且，柔性壓力傳感器線性檢測(cè)范圍分為0.1~0.5 MPa和0.5~10 MPa兩段，靈敏度依次為1.673 MPa−1、0.302 MPa−1，重要的是，0.5~10 MPa測(cè)試范圍內(nèi)傳感器線性相關(guān)系數(shù)為0.985，呈現(xiàn)出優(yōu)異的線性度。因此，傳感器總體檢測(cè)范圍為0.1~10 MPa，也是目前已報(bào)道柔性壓力傳感器達(dá)到的最寬檢測(cè)范圍，如表2所示，表明本文制備的柔性壓力傳感器可適用于超寬應(yīng)力范圍測(cè)試。圖5(b)展示了壓力傳感器電容變化率實(shí)時(shí)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)結(jié)果，傳感器電容變化率會(huì)隨著壓力載荷的變化而變化，并且傳感器在不同載荷下靜止測(cè)試20 s ，傳感器相對(duì)電容變化均小于1%，特別是當(dāng)壓力載荷大于10 MPa時(shí)，傳感器電容變化也小于1%，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，表明傳感器在超寬的檢測(cè)范圍也能保持穩(wěn)定的感測(cè)性能。同時(shí)，本文對(duì)傳感器可檢測(cè)最小分辨率進(jìn)行了測(cè)試，如圖5(c)所示，傳感器能夠檢測(cè)到38.571 Pa的應(yīng)力變化，表明傳感器不僅具有適用于超寬檢測(cè)范圍，還具有優(yōu)異的分辨率，可檢測(cè)微小應(yīng)力變化。
圖5
接下來，本文針對(duì)傳感器不同載荷重復(fù)性依次進(jìn)行了測(cè)試，依次反復(fù)加卸載1 MPa、5 MPa和10 MPa應(yīng)力，如圖5(d)所示。不同載荷下傳感器相對(duì)電容變化曲線均勻?qū)ΨQ，多次重復(fù)循環(huán)均未發(fā)生突變，傳感器相對(duì)電容變化曲線沒有明顯的疲勞，表現(xiàn)出良好的重復(fù)性。圖5(e)展示了循環(huán)測(cè)試10 MPa載荷下一組加卸載電容變化曲線，可以看出不論加載還是卸載過程，傳感器電容在相同應(yīng)力下獲得的輸出信號(hào)重復(fù)性較高，遲滯較小(4.707%)，進(jìn)一步證明了本文制備的壓力傳感器具有良好的重復(fù)性及可靠性。
最后，通過在柔性壓力傳感器上加壓(約68 kPa)來研究壓力傳感器的響應(yīng)及恢復(fù)時(shí)間，結(jié)果如圖5(f)所示，當(dāng)壓力加載到傳感器上時(shí)，電容值在19 ms內(nèi)快速響應(yīng)；當(dāng)壓力卸載時(shí)，電容值恢復(fù)時(shí)間為132 ms。相比于目前已報(bào)道的寬范圍柔性壓力傳感器，本文提出的柔性壓力傳感器具有較快的壓力響應(yīng)時(shí)間。此外，如表2所示，目前已報(bào)道具有微結(jié)構(gòu)化的柔性壓力傳感器厚度普遍均大于200 μm，無法滿足小型化、輕薄化應(yīng)用場(chǎng)景的需求。而本文所提出的傳感器厚度僅為140 μm，表明該傳感器更適用于小型化、輕薄化的電子產(chǎn)品中。
表2
2.3 電容式柔性壓力傳感器系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用
考慮到柔性壓力傳感器的實(shí)際應(yīng)用，需要讀取傳感器電容變化數(shù)據(jù)，并輸出對(duì)應(yīng)壓力值。但目前對(duì)于柔性壓力傳感器的研究大多局限于對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制備，對(duì)數(shù)據(jù)處理與采集系統(tǒng)的開發(fā)較少，且已開發(fā)使用的傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)精度與準(zhǔn)確性存在較大誤差。因此，在上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文開發(fā)搭建了一套傳感器數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，如圖6(a)所示。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集(Data acquisition，DAQ)電路板和數(shù)據(jù)處理程序組成。DAQ電路板包括一個(gè)高分辨率電容轉(zhuǎn)換模塊和一個(gè)串行接口模塊，如圖6(b)所示，主要負(fù)責(zé)從傳感器中采集電容數(shù)據(jù)，并上傳至電腦串口中。上位機(jī)(Personal computer，PC)數(shù)據(jù)處理程序采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)。程序主要分為兩部分，即校準(zhǔn)部分和測(cè)試部分。校準(zhǔn)部分用于采集、計(jì)算和保存?zhèn)鞲衅鞯男?zhǔn)數(shù)據(jù)，其中包括初始電容值、壓力值及與不同壓力值對(duì)應(yīng)的電容變化率。
圖6
測(cè)試部分主要用于檢測(cè)、輸出實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)。為確保壓力輸出的準(zhǔn)確性，該系統(tǒng)測(cè)試部分選用插值算法進(jìn)行壓力計(jì)算。根據(jù)插值理論[36]，采用3次插值與最近點(diǎn)插值相結(jié)合對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，傳感系統(tǒng)推算的壓力數(shù)據(jù)與數(shù)字測(cè)力計(jì)顯示數(shù)值偏差較小，如圖6(c)所示。整個(gè)程序可由用戶通過前面板進(jìn)行實(shí)時(shí)操作控制，并可通過上位機(jī)界面實(shí)時(shí)觀察電容、壓力等參數(shù)的變化，如圖6(b)所示，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)精確化和可視化的目標(biāo)。
為驗(yàn)證柔性壓力傳感器及其系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，將傳感器貼附在3D打印的曲面模型上，進(jìn)行加壓測(cè)試。如圖7(a)所示，電容式柔性壓力傳感器表現(xiàn)出良好的柔韌性，可完全共形貼附于曲面模型上，且表現(xiàn)出良好的電容響應(yīng)。此外，傳感測(cè)試系統(tǒng)推算結(jié)果與測(cè)力計(jì)數(shù)值之間偏差較小，如表3所示，0~60 N測(cè)試范圍內(nèi)最大絕對(duì)偏差僅為1.45 N，證明本文搭建的柔性壓力傳感器測(cè)試系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。為進(jìn)一步驗(yàn)證柔性壓力傳感器在多種應(yīng)用場(chǎng)景中的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，本文模擬電子設(shè)備，采用柔性電路板對(duì)傳感器進(jìn)行加壓測(cè)試，并對(duì)隨機(jī)3個(gè)傳感器樣品重復(fù)性進(jìn)行驗(yàn)證。如圖7(b)所示，當(dāng)柔性電路板對(duì)傳感器施加壓力(0~10 N)時(shí)，傳感器電容及時(shí)響應(yīng)，最大電容變化率達(dá)到73.142%，并且3個(gè)傳感器樣品測(cè)試重復(fù)性較高，1~10 N壓力范圍內(nèi)3個(gè)樣品測(cè)試相對(duì)偏差為7.259%，重復(fù)性較高，證明了采用將電極絲網(wǎng)印刷在封裝層及復(fù)合介質(zhì)層的簡(jiǎn)便工藝制備的傳感器可靠性較高，且具有大規(guī)模生產(chǎn)使用的潛力及在電子產(chǎn)品受力監(jiān)測(cè)中的巨大應(yīng)用前景。此外，為模擬微小壓力測(cè)試的應(yīng)用場(chǎng)景，將傳感器固定在塑料杯的外壁上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。如圖7(c)所示，電容式壓力傳感器可以通過識(shí)別杯壁微小壓力變化判斷杯中水量，當(dāng)杯中水量較少時(shí)，傳感器電容值相對(duì)變化約為4.050%；增加水量，傳感器電容相對(duì)變化明顯變大，當(dāng)杯中充滿水時(shí)，傳感器電容的相對(duì)變化達(dá)到13.130%，表明傳感器除了適用于大應(yīng)力檢測(cè)外，也適用于微小應(yīng)力檢測(cè)，例如水位監(jiān)測(cè)等，可為微小壓力檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)提供幫助。
圖7
表3
最后，考慮到某些特殊應(yīng)用場(chǎng)景，如曲面智能顯示屏、微型測(cè)力計(jì)等，要求柔性壓力傳感器的感應(yīng)面積很小。因此，針對(duì)微小測(cè)試環(huán)境，設(shè)計(jì)并制備了2×2 mm2的超小面積電容式壓力傳感器，用于應(yīng)力檢測(cè)，如圖7(d)所示。在0~12 N壓力測(cè)試范圍內(nèi)，小面積壓力傳感器表現(xiàn)出良好的電容響應(yīng)，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的線性度，同一樣品3次測(cè)試相對(duì)偏差為2.901%，重復(fù)性較高，表明本文設(shè)計(jì)的柔性壓力傳感器在微小面積壓力測(cè)試環(huán)境中也具有良好的應(yīng)用前景。
結(jié)論
本文制備了一種具有超寬檢測(cè)范圍(0.1~10 MPa)，且具有較高靈敏度(1.673 MPa−1、0.302 MPa−1)和優(yōu)異線性度(0.985)的電容式柔性壓力傳感器。相比于目前報(bào)道的寬范圍柔性壓力傳感器，本傳感器的檢測(cè)范圍超過了絕大多數(shù)已報(bào)道壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了超寬壓力范圍檢測(cè)的目標(biāo)。具體結(jié)論如下：
(1)為解決壓力傳感器高靈敏度和寬檢測(cè)范圍相互制約的問題，本文提出在傳感結(jié)構(gòu)中引入空氣層及采用多壁碳納米管(MWCNTs)修飾聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)(P(VDF-TrFE))介質(zhì)層的方法?？諝鈱咏Y(jié)構(gòu)使壓力載荷下相對(duì)介電常數(shù)和電極間距同時(shí)變化；MWCNTs的添加，促使復(fù)合介質(zhì)層中微電容器的形成及楊氏模量的增大，致使傳感器性能得到大幅度提升；
(2)本文還設(shè)計(jì)開發(fā)了一套電容式壓力傳感器數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果證明，測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性達(dá)到95.0%以上；
(3)通過曲面測(cè)試、多樣品測(cè)試、多場(chǎng)景測(cè)試及小面積測(cè)試，證明柔性壓力傳感器具備良好穩(wěn)定性、重復(fù)性及可靠性，展現(xiàn)了傳感器及其系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力。
馬文俊, 張潔, 李長(zhǎng)江, 等. 利用空氣層結(jié)構(gòu)和碳納米管修飾實(shí)現(xiàn)復(fù)合柔性壓力傳感器超寬檢測(cè)范圍[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2024, 41(11): 6003-6013. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20240309.001
來源：復(fù)合材料學(xué)報(bào)
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