一種柔性電容傳感器的壓力傳感特性及其機理研究*

李雪萍,楊曉鋒,卿新林*

(1 .中國商飛上海飛機客戶服務有限公司,上海 200241;2.廈門大學航空航天學院,福建 廈門 361112)

隨著現代工業的不斷發展,壓力傳感器被廣泛應用于航空航天、汽車系統、生物醫學、環境監控等重要領域[1-6]。傳統的硅壓力傳感器具有較高的靈敏度和線性度,并且經過幾十年的發展已經形成了成熟的生產工藝和有效的環境補償方法。但由于硅屬于脆性材料,發生較大變形時極易產生裂紋,甚至斷裂,導致傳感器失效[7-8]。

近年來,柔性電子傳感器發展迅速,由于具有體積小、靈敏度高,可承受變形大等特點,其在電子皮膚[9-10],生物檢測[11],可變形飛行器[12]等重要領域得到了很好的應用。根據傳感原理的不同,現有的壓力傳感器可分為三類,壓阻傳感器,壓力傳感器和電容傳感器。傳統的壓阻傳感器是利用硅壓敏材料在受到力的作用后,電阻率發生變化,通過測量電路得到正比于力變化的電信號輸出[7]。壓電傳感器是利用電介質在某一方向受力后發生變形,內部電荷極化在表面產生電荷的原理制成的傳感器,其穩定性好、靈敏度高,但是截至目前壓電傳感器只能用于動態壓力的檢測,還無法測量靜態壓力[13-14]。新型柔性壓阻傳感器主要利用碳納米管、石墨烯、金屬納米線、導電液體等新材料作為傳感材料,通過不同的制作工藝將傳感材料與聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅膠(Ecoflex)、聚偏氟乙烯(PVDF)等柔性高分子材料復合而成,制作工藝簡單、成本低且可承受大變形。但是上述傳感材料的靈敏度低、性能易受環境因素影響,制作成的傳感器可重復性差[15-18]。

柔性基體中添加少量的納米導電材料可以有效的提高材料的介電常數,且其在受到外力作用發生壓縮變形時介電常數增加,因此被用做傳感器的介電層以提高傳感器的靈敏度[19]。隨后,在柔性基體和導電納米材料中引入氣孔以降低其彈性模量提高傳感器的靈敏度[20]。但是和壓電傳感器相比,這兩種方法制成的電容傳感器靈敏度還是很低。因此,研究一種制作工藝簡單、重復性好、靈敏度高的壓力傳感器具有重要意義。

本文基于目前電容傳感器的局限性,提出一種基于聚氨酯海綿的柔性電容傳感器,研究了該傳感器的傳感特性、傳感機理及溫度對其傳感特性的影響。實驗證明,該傳感器靈敏度高,抗環境干擾能力強。

1 傳感器的傳感原理及制備方法

1.1 傳感原理

圖1 電容傳感器傳感原理圖

本研究提出的柔性電容傳感器的傳感原理如圖1所示。該傳感器包含聚氨酯海綿-碳納米管復合介電層和氧化銦錫-聚對苯二甲酸乙二醇酯復合導電膜(ITO-PET)兩部分。當外界壓力作用于傳感器時,傳感器上下電極之間的距離減小,吸附在聚氨酯海綿內部的碳納米管之間的距離減小,介電常數增大,傳感器電容增大。由于聚氨酯海綿-碳納米管復合介電層是一種多孔材料,其彈性模量低,微小壓力作用下能產生的較大的變形,使傳感器電容增加;同時當聚氨酯海綿受力壓縮后,吸附在聚氨酯海綿內部的碳納米管之間的距離減小,介電常數增大,傳感器的電容增大,基于上述兩種效應的疊加,該柔性電容傳感器具有較高的靈敏度。其次,聚氨酯海綿的彈性好,回復能力強,在外界壓力撤去后,其回復速度快,因此傳感器的響應時間短,可重復性高。

基于兩相體系的介電常數模型,傳感器電容值與外界壓力的關系可表示為[20-21]:

式中εa為真空介電常數;q0,εs分別為聚氨酯海綿-碳納米管復合介電層的孔隙率和介電常數;A為傳感器兩電極的正對面積;σ為作用于傳感器表面的壓力;d,E,v分別為聚氨酯海綿-碳納米管復合介電層的厚度、彈性模量和泊松比;n為碳納米管形狀因子。

1.2 制備方法

柔性電容傳感器的制備流程如圖2所示。

圖2 電容傳感器制作流程

①碳納米管溶液配制:將碳納米管和酒精按重量比1∶1 000的比例配制,常溫下進行超聲分散2 h使碳納米管均勻分散于溶液中。

②聚氨酯海綿-碳納米管復合介電層的制備:將聚氨酯海綿置于碳納米管酒精溶液中超聲20 min,隨后放入80 ℃恒溫箱中保溫0.5 h,將其取出置于純酒精溶液中超聲20 min以去除未能附著在聚氨酯海綿中的碳納米管并置于80 ℃恒溫箱中保溫干燥0.5 h,重復上述過程3遍。

③傳感器電極的裝配:將ITO-PET導電薄膜粘貼于聚氨酯海綿-碳納米管復合介電層兩側,并分別在上下電極上引出測量導線。

1.3 顯微組織分析

圖3(a),3(b)為聚氨酯海綿-碳納米管顯微組織圖。從圖中可以看出,聚氨酯海綿中孔隙分布均勻,碳納米管均勻附著于聚氨酯海綿骨架上。圖3(d)為圖3(b)的碳元素掃描分析圖譜,紅色顯示的碳元素均勻分布在聚氨酯海綿的骨架上。圖3(d)為聚氨酯海綿骨架上的碳納米管分布圖,從圖中可以看出,碳納米管均勻地分布在海綿骨架上。因此,從聚氨酯海綿-碳納米管的顯微組織圖和元素成分分析圖可以看出,該處理方法可使碳納米管均勻分布于聚氨酯海綿骨架上。

圖3 聚氨酯海綿-碳納米管纖維組織圖

2 傳感器對壓力的響應

本研究通過電控伺服機和精密測力儀施加一個可控的力于傳感器表面,阻抗分析儀實時采集傳感器在不同壓力作用下的電容值,如圖4所示。將傳感器一側固定于一塊亞克力板上,壓力的大小為施加力的大小與傳感器橫截面積的比值。

圖4 壓力測量裝置圖

2.1 靜態壓力的響應

如圖5(a),5(b)分別為聚氨酯海綿介電層添加和未添加碳納米管電容傳感器的電容值與壓力的關系圖。擬合直線的斜率為傳感器的靈敏度。從圖5(a),5(b)中可以看出,電容傳感器電容值與外界壓力呈正相關關系。在0 kPa～5 kPa壓力范圍內,介電層添加碳納米管的電容傳感器靈敏度為1.88,介電層未添加碳納米管的電容傳感器靈敏度為0.26。通過對比圖5(a)和圖5(b)可以看出,在電容傳感器介電層中添加少量碳納米管不僅可以提高傳感器的基準電容值,提高傳感器的抗干擾能力,而且還可以有效提高傳感器的靈敏度。在測量范圍內,傳感器電容值與壓力之間的線性度較好。

圖5 添加和未添加碳納米管傳感器對不同壓力的靜態響應

圖6 添加和未添加碳納米管的傳感器對壓力的動態響應

2.2 動態壓力的響應

如圖6(a),6(b)分別為添加碳納米管和未添加碳納米管的傳感器對動態的觸覺壓力的響應圖。當觸覺壓力不斷增加時,傳感器電容值隨著壓力的增大而增大,且兩者的線性度較好。同樣當壓力卸載時,電容值能與壓力同步降回初始值。通過對比圖6(a)和圖6(b)可以看出,同樣大小的觸覺壓力作用于兩種傳感器上,介電層添加碳納米管的電容傳感器的電容值變化量大,采集到的信號信噪比高,而介電層未添加碳納米管的電容傳感器電容值,變化較小,靈敏度低,采集到信號的信噪比低。此外,圖6(a)所示,當保持一定壓力作用于傳感器時,介電層添加碳納米管電容傳感器電容值穩定。由于聚氨酯海綿的彈性性能好,所以上述兩種傳感器對動態壓力的響應好,回復時間短。

3 溫度對傳感器的傳感特性的影響

傳感器在實際服役過程中,環境的溫度總是隨時間不斷變化的,這就要求傳感器必須有一定的抗溫度干擾的能力。如圖7所示,為不同溫度下介電層添加碳納米管的傳感器電容值與測量頻率的關系圖。從圖中可以看出,在25 ℃～60 ℃溫度范圍內,傳感器電容值基本穩定,當溫度繼續增加超過60 ℃時,傳感器電容值隨著溫度升高而不斷增大。造成上述的原因可能是,聚氨酯海綿和碳納米管在受熱后膨脹導致聚氨酯海綿孔隙率降低,碳納米管之間距離減小,介電層的介電常數增大的原因。

圖7 電容隨溫度的變化曲線

6 結論

本文提出了一種靈敏度高、響應速度快、不易受環境因素干擾的基于聚氨酯海綿的柔性電容傳感器,并對其進行了靜態壓力、動靜態壓力響應和溫度影響的實驗測試,得到了如下結果:①在聚氨酯海綿介電層中附著碳納米管,能有效提高介電層的介電常數,從而顯著提高電容傳感器的靈敏度,聚氨酯海綿介電層附著碳納米管的電容傳感器靈敏度高(達到1.88)約為未附著碳納米管電容傳感器的7倍,且具有更好動態響應能力;②在25 ℃～60 ℃范圍內,傳感器電容值穩定,當溫度繼續升高時,傳感器電容值隨溫度的增加而增加;③該傳感器響應和回復速度快,制作工藝簡單,成本低,在電子皮膚、生物檢測、可折疊機翼等重要領域具有潛在的應用價值。