仿生微结构柔性电容传感器设计及其性能研究_王建春.pdf

第 卷 第 期 年 月电 子 器 件 .项目来源：广东省普通高校青年创新人才类项目（）；广东省普通高校特色创新人才类项目（）收稿日期：修改日期：，（，）：，：，：；：；：仿生微结构柔性电容传感器设计及其性能研究王建春，郭 建（广州城市理工学院机械工程学院，广东 广州）摘 要：对柔性压力传感器进行了设计和研究，总体采用三明治式结构，介质层选择了复眼微结构的设计方式，电极层则需要在改性后的 表面溅射一层金属银。将制备的三层结构通过键合的方式组成响应速度和灵敏度均较高的传感器。该传感器的测试结果为：当传感器表面压力一定时，复眼结构的电容式压力传感器的灵敏度达到了 ，响应时间和恢复时间分别为 和 ，迟滞性参数均小于，经过 次的撞击实验，传感器仍然能保持稳定的输出。制备的传感器具有较强的响应特性、良好的恢复性和稳定性，能够适应柔性可穿戴电子器件的应用需求。关键词：电容式传感器；压力传感器；复眼结构；重复性测试；动态检测中图分类号：文献标识码：文章编号：（）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。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。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。柔性压力传感器可用于对压力进行有效的检测，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。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 等通过掺杂石墨烯制得性能良好的无线传感器，在无线检测方面具备一定潜力。等通过刻蚀工艺加工出“型”阵列微结构，具备良好的拉伸和稳定性能。等模仿玫瑰花瓣制得灵敏度为 的传感器，在电子皮肤的应用方面具有一定优势。陈楚奕等设计了一种检测范围较大的植物可穿戴茎流传感器。虽然上述传感器可用于压力检测，但是依然存在明显的问题，即灵敏度会受到压力的影响，特别是在压力较大时，受到接触应力不断积累的影响，最终会降低检测的灵敏度，难以保证检测结果的准确性。随着柔性压力传感器的发展，相关传感器结构将被深入扩展应用于其他领域。柔性压力传感器在医疗第 期王建春，郭 建：仿生微结构柔性电容传感器设计及其性能研究 健康检测、可穿戴智能设备、人机交互、柔性电子及仿生科技等领域具有很高的潜在应用价值。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。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，通过 工艺加工而成。通过对制作传感器的检测分析可得，其在性能上可以达到良好的效果。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 所示，在外部压力变化时导致电容改变。平行板电容（）表达式如下所示：（）式中：代表两极板间材料的介电常数；为空气介电常数（）；为相对介电常数；为极板间距；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。图 柔性传感器工作原理示意图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 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 薄膜，中间层是带有双面复眼结构的 薄膜，为介质层；第二层和第四层为电极层，经 处理后的 上通过纳米团簇溅射一层均匀的，将五层键合在一起形成复眼结构传感器。图 传感器基本结构示意图 柔性电容式压力传感器的制备 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 绘制复眼结构掩膜版，尺寸为 ，圆间距、直径分别是 、。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、去离子水清洗后干燥处理。具体的制作流程如下：匀胶。匀胶两次后将 涂覆在硅片上，然后烘干；烘干后再次涂覆，使得两层正胶达到 的厚度。光刻。在硅片上方放置掩膜版进行紫外线曝光。显影。配置 和 的体积比为 的显影液，然后放入硅片显影 后清洗、干燥。热熔。在烘台以 的温度对硅片热熔。倒模。将固化剂和 预聚物以体积比为 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。二次倒模。在副膜表面沉积 的派瑞林（），然后涂覆，进行烘干后得到单层复眼微结构。键合。通过背靠背模式将 键合，然后烘干得到介质层。工艺流程如图 所示。图 介质层工艺流程图图 介质层 表征利用扫描电子显微镜（，）对介质层的结构特性进行观测，如图 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 、。电 子 器 件第 卷 柔性电极层的制作本文柔性电极层的制作需在 表层溅射金属银。首先必须对 进行亲水改性处理，处理过程为：将 混合液以 的厚度均匀旋涂于硅片表面；经过 的干燥处理得到 薄膜；然后进行 的 处理；最后通过（）进行改性处理。改性后在 表面通过纳米团簇沉积 的金属银薄膜，制备的传感器实物如图 所示。图 传感器实物图 传感器的性能测试 灵敏度测试灵敏度是评价传感器性能的重要因素。传感器的介质层由微结构和空隙组成，受到压力后介质表面的微结构会发生变形，进而空隙中间距会发生改变，从而使电容发生变化。传感器在加压后，测试的信号以相对单位变化时，所显示的测试结果改变值越大，就越能直观地观察信号改变量。图 两种结构传感器灵敏度测试结果本文对复眼结构与无微结构的两种传感器的灵敏度进行了测试，如图 所示。首先需要在传感器上方放置压力机，并与 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 可见，当压力处于 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 、，其中后者对于灵敏度的提升效果比较显著，大约为前者的 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 时，两种结构的灵敏度分别是 、。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 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 和，表明制造的传感器具有较快的响应速度。图 响应特性图 循环载荷下的电容输出响应 迟滞特性柔性传感器在循环载荷下的电容响应如图 所示。从图上可知，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 的计算公式为：（）式中：与 分别为同一载荷下加载和卸载的电容响应；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 和式（）可知，该传感器在 载荷范围内，迟滞性参数均小于，迟滞特性良好。第 期王建春，郭 建：仿生微结构柔性电容传感器设计及其性能研究 传感器的循环测试本次设计传感器的循环测试结果如图 所示。其中图（）展示的是整个测试平台，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地设置，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（）所示。根据图中信息可知，在循环次数为 次时，传感器的性能基本保持不变，保持了较高的稳定性。图 复眼传感器在检测中的应用图 复眼传感器测试平台以及循环测试结果图 传感器的应用对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，传感器对指尖施加的不同压力的响应，如图（）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（）所示，所研制的传感器还具有良好的重复性。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 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 弯曲到，然后再慢慢到，可以得到对应的检测结果，具体如图（）中所示。此外，为了评估传感器对重物的感知能力，将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 ，然后将其放下。图（）为杯子抓取过程的动态响应，空杯子、装半杯可乐的杯子的和装满可乐的杯子。复眼结构传感器的响应可电 子 器 件第 卷以识别杯子中可乐的状态。当抓取空纸杯时，电容值的相对变化最小，约为。通过增加可乐量，发现传感器电容的相对变化显著增大，当杯子装满可乐时，电容的相对变化达到 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。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。参考文献：胡宇涵，咸婉婷，刘志远，等 应用于手部关节运动的压电驻极体柔性传感器 传感器与微系统，（）：陈广州，陈刚，潘莉，等 基于 纳米复合薄膜的柔性压电传感器 微纳电子技术，（）：侯丽娟，秦会斌，胡炜薇 基于微结构的柔性电容式压力传感器设计与仿真研究 传感器与微系统，（）：周帅，刘茜 基于微结构提升柔性电容式压力传感器灵敏度的研究现状 微纳电子技术，（）：刘波，谢锐 电容式扭矩传感器的微小电容检测系统设计 传感器与微系统，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：，“”，（）：，（）：陈楚奕 非侵入式植物可穿戴茎流传感器研究杭州：浙江大学，叶天辰，段升顺，吴俊 基于 的柔性压力传感器制备及其表征 电子器件，（）：刘双斌，秦会斌 柔性阵列式压力传感器的制备研究 传感器与微系统，（）：常航，侯振德，屈川 柔性膜挤压式压力传感器的研制 传感技术学报，（）：刘雨晴 基多重响应柔性电子皮肤的研制 长春：吉林大学，王建春（），女，汉族，山东枣庄人，广州城市理工学院 机械工程学院，硕士，讲师，研究方向：电子仪器、智能设备改造、自动化设备等，；郭 建（），男，汉族，河南商丘人，广州城市理工学院 机械工程学院，讲师，硕士，研究方向：仿生机器人技术，移动机器人技术及应用。