新型MEMS壓力傳感器的設計與制造*

饒成明, 杜偉略, 蔣松昊

(1.無錫職業技術學院 物聯網技術學院,江蘇 無錫 214121;2.江蘇大學 無錫機電學院,江蘇 無錫 214121;3.蘇州研創自動化設備有限公司,江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

傳感器技術的發展推動了各種儀器的研究和應用,在諸多設備儀器中集成了不同的傳感器,用于采集所需要的信息[1]。當前對于傳感器的研究較多,市場中出現了多種類型的柔性壓力傳感器,例如有聲學式、壓電式等,此類傳感器在功能以及性能等方面優缺點不同,可用于不同的場景中[2,3]。在眾多的類型中,電容式傳感器的優勢比較顯著,例如結構復雜度較低,設計成本較小；靈敏度較高,檢測結果準確。正是由于具備了上述諸多優勢,無論在研究還是在應用領域中均吸引了大量的關注[4,5]。

柔性壓力傳感器可以用于對壓力進行有效地檢測,從原理上來看,壓力作用在傳感器時,則會發生形變,形變程度和壓力大小存在一定的相關性[6～8]。此類傳感器適用性較強,應用范圍較大,滿足了多種檢測場景的要求。目前針對柔性壓力傳感的研究持續增多,一些學者致力于通過不同的方式提升其響應,例如采用對襯底材料調整的方法,部分學者基于該方法進行了探討,取得了一定的成果,其中Kou H R等人[9]將適量石墨烯材料添加到柔性基底內,通過這種方式研制的傳感器表現出良好的性能,不僅穩定性較高,而且響應速度快,使用壽命長,適合于應用到一些可穿戴設備內。除了上述方法之外,可以對介質層結構進行調整。其中，Ahmed E等人[10]設計了一種不同的方法,主要通過仿生玫瑰花瓣翻模制作介質層,該方法的優勢在于成本較低、靈敏度較高,可以達到0.08 kPa-1。Cui J L等人[11]設計了一種基于PDMS襯底的“V型”陣列結構,使得傳感器的穩定性與靈敏度顯著提升。在柔性壓力傳感器不斷發展的同時,也開始應用到了人機交互以及醫療健康等領域中,總體顯示出廣闊的應用前景[12～14]。

部分生物中含有復眼結構,并且具備了大量的子眼。復眼的特性體現在靈敏度高等方面,基于該原理設計了多種類型的智能設備,并在多個領域中產生了實用價值[15]。有學者在研究中柔性傳感器時采用了這種復眼結構,例如用于對介質層設計,提升了傳感器的性能。

本文針對上述問題進行了分析,設計了一種電容式壓力傳感器,采用復眼結構,襯底材料為PDMS,制作過程采用微機電系統(MEMS)工藝等。針對設計的傳感器進行檢測分析,驗證了性能上可以達到預期效果。

1 柔性電容式壓力傳感器工作原理

如圖1所示,在外部壓力變化時導致電容改變。平行板電容(C)表達式如下所示

(1)

式中ε為兩極板間材料的介電常數；ε0為空氣介電常數(8.85×10-12F/m);εr為相對介電常數；d為極板間距；A為極板間的有效面積。本文采用變極距類型,微結構的應用有助于改善傳感器的靈敏度。

圖1 柔性傳感器工作原理示意

設計的中間介質層采用了半球體復眼結構,傳感器基本結構如圖2所示。整個器件分為5層,其中介質層是將兩PDMS層鍵合得到；電極層由金屬銀均勻濺射在PDMS中形成,針對各個層次進行鍵合,即可得到完整的復眼結構傳感器。

圖2 傳感器基本結構示意

2 柔性電容式壓力傳感器的制備

2.1 掩模版的設計

圓陣列采用特殊排列設計,通過CAD設計復眼結構掩模版,尺寸為1 cm×1 cm,圓間距、直徑分別為8,66 μm,具體結構如圖3所示。

圖3 掩模版基本結構

2.2 介質層的制作工藝

選擇硅片,再進行超聲清洗,依次采用去離子水、丙酮、乙醇、去離子水,清洗時間分別為12,18,14,11 min；再干燥處理,然后進行制作。具體的制作流程如圖4所示。

1)勻膠：需勻膠2次,使復眼高度達到要求。然后將AZ4620涂覆在硅片上,勻膠機轉速為1 200 r/min,時間為5 min。隨后對硅片烘干2 min；之后按相同的參數和工藝再次涂覆AZ4620,最終兩層正膠達到28 μm的厚度。

2)光刻：在硅片上方位置設置掩模版,設置1 000 mJ/cm2紫外線曝光,溶解白色區域,而圖案則有效保留。

3)顯影：配置AZ400K和H2O的體積比為1︰3的顯影液,保持較高的均勻性,置于硅片,顯影時間達到140 s時去除并清洗、干燥,此時可觀測到形成的圓柱體圖案。

4)熱熔：在烘臺中設置硅片,溫度為180 ℃,時間為30 min,熱熔結束后得到半球體。

5)倒模：首先將固化劑、PDMS預聚物以體積比為1︰10進行混合,持續攪拌1 h。待兩者充分混合后涂覆在硅片表面,并進行1 h的烘干處理,得到副模。

6)二次倒模：在副模表面空氣沉積厚度為180 nm的派瑞林(Parylene),然后涂覆PDMS,并進行烘干處理,溫度保持為68 ℃,時間為1 h,烘干后即得到對應的單層復眼微結構。

7)鍵合：將兩PDMS進行鍵合,再烘干處理,溫度為80 ℃,時間為1 h,形成介質層。詳細的制作工藝如圖4所示。

圖4 介質層生產示意

用掃描電子顯微鏡(SEM),得到的觀測結果如圖5所示,可知,介質層表面保持了良好的均勻性。熱熔處理后,各個復眼結構尺寸顯著降低,進一步得到其尺寸,其中高度、直徑分別為18,66 μm。

圖5 介質層SEM表征

2.3 柔性電極層的制作

首先將PDMS混合液設置在硅片中,涂覆厚度為200 μm；然后進行干燥處理,時間為30 min,通過固化得到PDMS薄膜,接著對其進行氧等離子體處理,時間為100 s。在上述操作結束后通過SDS進行改性處理,然后退火30 min,溫度為150 ℃。最后,在PDMS表面沉積金屬銀薄膜,其厚度為1 μm,基于該方式提升導電性。在各項操作后,通過濺射得到電極層。制備的傳感器如圖6所示。

圖6 傳感器實物

3 傳感器的性能測試

3.1 靈敏度測試

復眼結構與無微結構傳感器靈敏度測試結果如圖7所示。傳感器上方位置設置壓力機,并與LCR測試儀進行連接,然后對復眼結構、無微結構的兩種柔性介電層開展試驗,記錄初始電容以及壓力加載測試結果。在此基礎上計算出電容變化率,計算方式是將各個壓力得到的電容與初始電容作差,然后計算該差值和初始電容的比值。由圖7可知,壓力在0～4 kPa之間時,無微結構、復眼結構的傳感器靈敏度明顯不同,二者分別為0.19,0.28 kPa-1,其中，后者對于靈敏度的提升效果比較顯著,大約為前者的2倍。在壓力變化時導致靈敏度改變,二者表現為負相關的關系。壓力在4～10 kPa之間時,兩種結構的靈敏度分別為0.022,0.041 kPa-1。

圖7 兩種結構傳感器靈敏度測試結果

3.2 動態測試

對傳感器進行動態測試,通過響應時間和恢復時間對傳感器的性能進行評價分析,最終的結果如圖8(a)所示。由圖可知,對于復眼結構傳感器,其響應時間和恢復時間分別為58，43 ms,表明制造的傳感器具有較快的響應速度。

對該傳感器的應用效果進行檢測,在手指中設置傳感器,與LCR測試儀進行連接，并對復眼結構傳感器進行彎曲檢測。手指在逐步彎曲然后伸直,從0°彎曲到120°,然后再慢慢到0°,可以得到對應的檢測結果,具體如圖8(b)所示。

實驗中將小釘設置在傳感器中,設置方式如圖8(c)所示,對傳感器的響應進行檢測,設備正確連接后開始采集數據。數據基本不變時用指尖施加不同的壓力,對電容的微小變化進行檢測,對應的響應的結果如圖8(c)所示。

圖8 復眼傳感器測試結果曲線

傳感器循環測試結果如圖9所示。其中，圖9(a)為測試平臺,先在平臺中設置傳感器,對相關的測試參數進行設置,包括電擊器頻率以及測試次數等,最終得到的測試結果如圖9(b)所示，結果表明,循環次數為1 600次時,傳感器保持了較高的穩定性。

圖9 復眼傳感器測試平臺以及循環測試結果

復眼結構傳感器鼠標點擊測試曲線如圖10所示,其中淺灰色曲線和深灰色曲線分別代表單擊、雙擊測試的結果。

圖10 復眼傳感器鼠標點擊測試結果示意

在測試過程中需要在鼠標上部設置傳感器,然后在傳感器感應位置設置手指,接著開始進行單擊和雙擊測試,設置合適的操作間隔,本次實驗中設置為10 s,通過手指的點擊即可檢測到點擊力等信息,從而分析電容變化和鼠標點擊之間的關系,確定點擊所產生的影響。根據得到的結果可知,本次設計的傳感器遲滯較小,保持了較高的響應速度。

4 結 論

對復眼結構柔性壓力傳感器進行了分析和設計,傳感器為電極層—介質層—電極層結構,基于自封裝方式實現。各個層次采用不同的材料和工藝制作而成,其中介質層為雙層復眼結構。電極層通過濺射金屬銀薄膜的方式制作。對該傳感器的應用效果進行了測試分析,研究結果顯示該傳感器能夠對瞬時信號進行檢測,并且穩定性與靈敏度較高,實用性較強。另PDMS具有明顯的柔性特征,便于對指尖感應進行高效檢測,穩定性良好。該柔性壓力傳感器應用到可穿戴設備設計中的優勢顯著,具備了較高的實用價值。