聚二甲基硅氧烷-銅膜復合電極的壓力檢測研究*

孫長飛宋涵瓊盛澤良宋永欣*

(1.江蘇海事職業技術學院，江蘇 南京 211170；2.大連海事大學輪機工程學院，遼寧 大連 116026；3.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000)

傳感器在現代工業自動化和智能化進程中發揮了重要作用[1]。近年來，隨著現代科技的快速發展以及人們生活水平的提高，柔性壓力傳感器受到了學術界和工業界的廣泛關注，成為研究熱點之一[2-5]。柔性傳感器在人體健康監測、智能機器人、可穿戴電子設備和人機交互等方面[6-8]展現出較好的應用前景。

目前柔性傳感器主要有電阻式、電容式、壓電式以及摩擦起電式[9]。電阻式柔性傳感器通過在柔性基底中摻入石墨烯、碳納米管等材料可以制作較高精度以及靈敏度的柔性壓阻材料[10]，或者直接將壓敏電阻集成到柔性基底中制成壓敏元件[11]。但該方法需要外加電源，并且需要精密的電流檢測儀表，從而限制了其在電源受限或無法配置電源等場景的應用。

電容式柔性傳感器利用壓力改變平行板電容器電容的原理實現壓力檢測，較為常見的柔性電容傳感器以聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為介電彈性體[12]，電容的變化可以通過改變柔性基底表面的形態、結構及材料等來實現[13-15]，在電極層和介電層表面設計的微結構可有效提高傳感器的靈敏度[16]。此外，金屬層與PDMS層之間增加聚酰亞胺可以增強器件抗機械拉伸度及其電學性能的穩定[17]。雖然電容式傳感器具有性能穩定等特點[18]，但是制作工藝復雜并且需要復雜的檢測儀器。

壓電式柔性傳感器是利用壓電材料在應力作用下產生極化電場，從而產生電壓和電流信號[19-21]。柔性壓電式通常采用壓電聚合物[22]作為壓電材料，具有耐久性好、力學穩定性強等優點，但這些壓電材料通常需要進行極化處理，而且輸出信號的直流響應較差[23]。

基于上述分析，從發展結構更為簡單，能夠實現不同應用場景下的壓力檢測角度出發，本文提出了一種利用柔性材料(PDMS)與金屬薄膜在壓力作用下相互摩擦進行壓電信號轉換的方法，分析了其工作機理，實驗研究了其壓力檢測的性能和變化規律。

1 系統組成及工作原理

圖1示出了檢測系統的組成及工作原理。如圖1(a)所示，本系統主要由復合電極壓力傳感器、靜電計以及計算機組成。復合電極壓力傳感器自上而下分別為亞克力板(PMMA)、銅膜、PDMS和亞克力板。導線一端與銅膜連接，另一端與皮安表正極連接，皮安表負極接地，皮安表的輸出端與計算機相連，并通過LabView[24]程序采集和顯示檢測信號。

圖1(b)示出了該系統的工作原理。理論上看，任何物質都會自發帶電，對于復合電極壓力傳感器中的PDMS和銅膜來說，由于PDMS具有較強的電負性，因此PDMS表面會帶有一定量的負電荷，而與之接觸的銅膜表面會相應的帶有一定量的正電荷(q1)并具有一定的電勢(U1)，從而形成了雙電層電容(EDLC)。當有壓力施加在復合電極上方的PMMA時，由于PDMS為柔性材料，在壓力的作用下，PDMS會和銅膜發生橫向相對移動。根據摩擦起電原理，PDMS表面會帶有更多的負電荷，相應的，銅片表面會帶有更多的正電荷，即會有一定量的電子從銅電極轉移到接地端，此時，銅電極的電荷和電勢分別變為q2和U2。

圖1 檢測系統組成及工作原理

由于雙電層電容可表示為:

式中:q為雙電層的電荷密度，U為雙電層的電勢，ε0為真空介電常數，εi為介電層相對介電常數，λ為雙電層電容間距。對于雙電層電容，λ很小(30 nm～100 nm)且幾乎不變，當檢測電極的材料和尺寸一定時，該雙電層電容保持不變，銅膜表面的電勢正比于表面電荷密度。因此，當有壓力施加在檢測電極時，由于PDMS與銅膜摩擦產生了更多的電荷(表面電荷密度變大)，銅膜的電勢也相應增加，即會產生一個向上的電壓脈沖信號。理論上，施加的壓力越大，PDMS的形變也越大，相應的，產生的脈沖信號的幅值也越大。因此，通過脈沖信號的個數和幅值，可以判定外界壓力的變化情況，如頻率和大小等。

2 實驗

2.1 材料

實驗使用直徑為2 cm的圓柱形復合電極，其中亞克力薄片的厚度為3 mm，銅電極(AC-182000R，PYRALUX)厚度為18μm，其與PMMA接觸側表面有一層厚度為20μm的聚酰亞胺薄膜，與PDMS(Sylgard 184，Dow Corning，USA)接觸側無聚酰亞胺薄膜。

2.2 復合電極的加工

實驗過程中使用了三種不同厚度PDMS薄膜(100μm，1 mm和1 cm)。為制備100μm厚度PDMS薄膜，首先將銅膜電極用雙面膠固定載玻片上，然后將液體PDMS與固化劑按照質量比10∶1混合并經抽真空1.5 h后，使用旋涂機(Specialty Coating Systems USA/G3p-8)進行旋涂。旋涂機的轉速為800 r/min，旋涂時間50 s。然后將表面旋涂有PDMS的載玻片置于80℃的烘箱(Fisher Scientific，Pittsburgh，PA，USA/Isotemp model 280A)內加熱1.5 h～2 h。對于厚度1 mm和1 cm的PDMS圓片，將除氣后的液態PDMS(包括固化劑)直接倒入由PMMA制成的圓筒形模具，然后置于80℃的烘箱(Fisher Scientific，Pittsburgh，PA，USA/Isotemp model 280A)內加熱1.5 h～2 h。最后，根據圖1(a)所示復合電極的結構組成，按順序依次放置PMMA薄片、銅膜及PDMS薄片，并用膠帶進行固定。

2.3 實驗內容

本文采用在復合電極上方放置玻璃燒杯(直徑47 mm，高60 mm)并在燒杯中加注不同體積純水的方法，來定量模擬施加在電極上壓力變化情況。實驗過程中，主要進行靜載荷和動載荷兩種壓力實驗。靜載荷實驗是將燒杯中加入一定體積的純水后，直接置于復合電極上，然后測量系統電壓信號的變化情況。動載荷實驗是指盛有一定容積水的燒杯置于復合電極后，然后使用注射泵以不同的速率往燒杯中加注10 mL的水。最后，使用注射泵將注入燒杯中的10 mL水抽出，然后重新注入，進行重復實驗。上述的實驗均使用皮安表記錄系統中電壓的變化情況。

3 實驗結果與討論

3.1 靜載荷典型檢測信號

圖2示出了PDMS厚度為1 mm、靜載荷65 g條件下測得的典型信號圖，點S n表示載荷加載到檢測電極上的時刻，點F n表示檢測電壓開始穩定的時刻，點R n表示開始撤掉載荷的時刻(下標n代表第n次)。由圖2可以看出，系統施加壓力后，銅膜電極的電壓會立刻上升至一定的數值，然后電壓繼續緩慢上升；撤掉壓力后，銅膜電極的電壓急劇下降[25]。比如第一次施加壓力前，系統的電壓值穩定在-3.38 V；施加載載荷后(點S1)，電壓立刻上升點F1所在處(電壓為-3.1 V)，并在此后一定時間內緩慢上升。施加壓力電勢后急劇升高的主要原因是由于PDMS在壓力的作用下發生形變并與電極摩擦，增加了電極表面的電荷，由式(1)可知，銅膜電極的電勢會相應升高。施加載荷后出現電壓緩慢上升階段(點R與點F時刻之間)則是由于PDMS在壓力作用下繼續形變造成的。當撤掉載荷后，PDMS收縮導致其與銅膜間隙變大，從而使電極表面電荷不斷消失。

應當注意的是，壓力撤掉后，圖2中最低點電壓與未測量時并不相同，其主要原因是:和未施加壓力相比，施加壓力使PDMS與銅膜摩擦后，PDMS表面的狀態有一定的改變，導致表面電荷與未施加壓力前有一定的差異，從而導致最低點電壓與未測量時也有一定的差異。

圖2 連續三次施壓產生的典型檢測信號(65 g載荷，1 mm厚PDMS)

由于施壓后系統有一個非常明顯的電勢急劇上升特征階段(F n與S n時刻之間)，因此研究電壓變化量隨隨靜載荷的變化規律顯得尤為必要。圖3綜合示出了該階段的電壓變化量隨隨靜載荷的變化情況。由圖3可以明顯看出，隨施加在電極上載荷的增加，檢測信號變化量隨之變大。如當載荷為35 g時，檢測信號的電壓變化量為0.047 V；而當載荷增加到75 g時，檢測信號的電壓變化量增加到0.476 V。檢測信號變化量隨載荷增加而變大的主要原因是:隨著施加載荷的增加，PDMS的形變量也變大，PDMS與銅膜的摩擦距離隨之變大，摩擦過程產生的電荷也會越多，從而導致銅膜的電勢變大。由圖3還可以發現，檢測信號變化量隨施加的載荷是非線性變化的，這主要是由于不同載荷下摩擦產生的電荷不是線性變化所致。

圖3 檢測信號變化量隨靜載荷的變化關系(PDMS厚度為1 mm)

3.2 動載荷的檢測

圖4為當PDMS厚度為100μm，以30 mL/min的注水速率抽水10 mL時，系統檢測到的典型信號。注水前，燒杯中的水量為30 mL，注水后燒杯的水量為40 mL。A點表示開始注水的時刻，B點為停止注水的時刻，B點與A點間的時間代表注水持續的時間。由圖4可以看出，注水之前，系統的電壓處于一個穩定值(2.682 V)，開始注水后(A點)，電極的電壓開始上升直至停止注水(B點，3.107 V)，即電壓變化量為0.425 V。當停止注水后，系統的電壓開始緩慢下降至C點(2.682 V)。C點至D點則是將燒杯內的水位由40 mL降至30 mL過程中，信號的變化情況。

圖4 30 mL/min注水速率動載荷實驗信號圖(PDMS厚度100μm)

注水過程中，由于施加在復合電極上的載荷不斷增加，導致PDMS與銅電極持續進行摩擦，PDMS表面電荷累積，從而導致銅電極的電勢持續變大。當停止注水后，PDMS表面的電荷會隨時間不斷減少，從而導致銅電極的電勢逐漸降低至一個穩定值。抽水過程中(C點至D點)電極電勢的連續降低則主要是由于PDMS不斷收縮導致電極表面電荷不斷減少所致。將A-B段電壓信號放大可以明顯看出，連續注水過程中，電壓信號近似呈線性增加(線性相關系數(R2)為0.991)。

由于連續注水過程中存在信號幅值線性增加(電壓變化率)的特征階段(圖4中的A至B時刻之間)，圖5綜合示出了電壓變化率隨PDMS厚度以及注水速率的變化關系。由圖5可以看出，在PDMS厚度不變情況下，電壓變化率隨注水速率的增加而近似成線性增加(三條曲線的線性相關系數R2均大于0.97)。如當PDMS厚度為1 cm，注射泵速度10 mL/min時，電壓變化率為0.056 7，而當泵速增加至15 mL/min時，電壓變化率增加至0.0832。而當注水速率相同時，電壓變化率隨PDMS厚度的增加而降低。此外，1 cm與1 mm的PDMS薄膜在注水速率為10 mL/min時電壓變化率較為接近，其可能的原因是:10 mL/min的注水速率較小，而1 cm與1 mm的厚度又相對較大，因此，電壓變化率差別較小。其實，從圖5可以明顯看出:在10 mL/min的注水速率下，100μm厚度薄膜的電壓變化速率明顯大于1 cm與1 mm的厚度的薄膜。

從圖5還可以看出，按照曲線變化的趨勢，1 mm的PDMS薄膜的電壓變化率最終將超過100μm的PDMS薄膜的電壓變化速率，其可能的原因為:PDMS薄膜在不同注水速率下的形變量，即銅模的摩擦量與其厚度有關，這也可以從圖5中不同厚度薄膜的曲線斜率看出。由于100μm的厚度過小，其最大形變量也較小。在實際應用中，應根據不同的壓力范圍，選擇合適厚度的薄膜。

圖5 電壓變化率與注水速率的相關性

上述變化規律可從能量守恒的角度來理解。根據能量守恒原理:

式中:W為外界施加給檢測電極的機械能，ΔE為復合電極增加的電能，主要包括PDMS形變增加彈性勢能(ΔE1)以及摩擦起電增加的電勢能(ΔE2)，即:

PDMS在壓力作用下主要發生兩種形變:橫向延展與縱向壓縮。橫向延展會增加電極的電荷量，即增加系統的電勢能；而縱向壓縮主要增加PDMS的彈性勢能。理論上，PDMS越厚，縱向壓縮量越大，儲存的彈性勢能越多，相應的電勢能的增量越小。PDMS越薄，其橫向延展量與壓縮量的比值越大，因此系統電勢能增加的越多。

由于銅膜電極與PDMS可等效為一個電容器，其儲存的電勢能可表示為:

式中:C為PDMS-銅膜界面雙電層的電容，ΔU為雙電層電容的電勢差，即系統檢測到的電壓信號幅值。理論上，影響平行板電容大小的因素是極板的面積和極板間離(雙電層的厚度)，通常來說，雙電層的厚度為納米級別，可認為保持不變，即C為常數。當在PDMS上方施加壓力后，由于PDMS發生塑性變形，從而導致雙電層極板的面積發生改變(變大)，從而引起電容變化。因此，系統電勢能的變化越大，電壓變化量越大，即PDMS薄膜越薄，相同載荷產生的檢測信號幅值越大。

此外，由于摩擦產生的電荷不會持久的在界面存在，即隨時間的推移而逐漸緩慢消失。此外，每次施加壓力使PDMS與銅膜摩擦后，PDMS表面的狀態有一定的改變，導致表面的靜電荷與前一狀態有一定的差異，從而導致每次施加壓力前的極板電勢有所不同。因此，無法用檢測信號幅值(電勢，相對于參考電勢(零))來表征壓力變化。理論上來看，PDMS形變量相同時，摩擦產生的電荷量也應相同，即檢測信號的變化量也應相同。因此，本文建立了檢測信號的變化量和壓力變化的關系。

4 結論

本文報道了一種利用PDMS-銅膜復合電極進行壓力檢測的方法和系統。實驗結果表明:檢測系統輸出電壓的變化率正比于外加壓力的變化率，輸出電壓的幅值反比于PDMS薄膜的厚度。因此，根據檢測信號的幅值以及變化率可以判定外加壓力的大小以及變化率。本系統具有結構簡單、成本低以及檢測方法簡單方便等特點，有望用于水下機器人、水下潛航器狀態監測領域。