一種可穿戴式的壓力傳感器

鄭 娜，劉國棟

（江西科技師范大學，江西 南昌330000）

電子傳感器技術和有機材料的迅速發展，引發柔性電子器件的重大突破，各種新型的柔性電子器件蜂擁而出。目前傳感機制包括壓阻式感應、壓電感應、摩擦感應、電感應和電容感應機制。其中電容傳感器靈敏、低成本、商業化背景好，本文提出了一種創新型的電容式壓力傳感器。

1 傳感器的介紹

傳感器分為兩大類。第一類是使用傳統半導體材料和集成電路技術，使用不同的微納米結構制造觸覺傳感器。第二類是有機半導體材料，納米材料，高分子材料，柔性觸摸的壓力傳感器。微機電系統技術MEMS，（Micro－Electro－Mechanical System），是集微傳感器、微執行器、信號處理、控制電路、通訊接口和電源等部件為一體的微型器件系統，它的誕生使壓力傳感器朝著微型化、集成化和智能化方向發展。

2 研究存在的問題

一直以來，中壓下的高靈敏度就是科研人員對柔性壓力傳感器的最主要追求目標，因為傳統的柔性壓力傳感器主要應用領域為觸覺感應。目前還沒有相關器件的性能指標能夠同時兼顧靈敏度、線性度和重復可靠性、響應時間。

3 結構設計

圖1為電容傳感器的結構：傳感器為典型的三明治夾層結構，上下兩層為金屬電極，中間為結構化的聚二甲基硅氧烷（Polyethylene，簡稱PDMS）組成的介電層。

其電容C為：

式中，c代表電容值；εr是介質的相對介電常數；ε0是真空介電常數；A是電極板的有效面積；d代表兩電極板之間的有效距離。式中含有三個變量ε、d和A，通常情況下固定材質的電容器的相對介電常數ε是定值，而A和d容易受外界力的作用而改變。電容式壓力傳感器的轉換機制是通過相應壓力改變電容兩極板間距，以此改變電容值，從而輸出相應的電信號。

圖1 電容傳感器的結構示意圖

4 微結構對傳感器的影響因素

為了提高傳感器的靈敏度，在介電層六角密度結構上進行優化，如圖2所示。小球的半徑為10μm PDMS的小球，小球之間的間距為70μm。當有壓力施加在傳感器的表面時，兩個極板距離d會減小，從而引起電容的變化。本文中靈敏度的提高基于兩點：第一，材料采用了PDMS，這種材料楊氏模量低，容易變形，且具有生物兼容性，化學惰性。第二，離散型六角結構不僅利用了空氣氣氛，保持了電容傳感器線性度的同時也使得結構容易變形。

圖2 介電層結構示意圖

電極采用金屬Au為電極材料，提高了傳感器的柔韌性和延展性。基板為聚酰亞胺（Polyimide，簡稱PI），PI具有低楊氏模量和高透明度，增強了器件抗機械拉伸度，保障了器件結構及其電學性能的穩定。

5 總 結

本文設計了一種電容式柔性壓力傳感器，該傳感器在低壓狀態下具有高靈敏度。通過優化六角密堆結構發現分散六角結構的PDMS介電層的彈性薄膜有低的彈性模量和高可變形性。PI材料透明度和柔性都很好、吸潮率低，適宜選擇作為電極片基底。本文中的傳感器制備成本低，沒有復雜的工藝。此項傳感器可應用于可穿戴式醫療設別中來檢測皮膚壓力的微小變化。壓力電容傳感器在信號代碼的形成、重量檢測等方面，也具有一定的實際應用意義。