雙級微結(jié)構(gòu)對柔性壓力傳感器性能的提升

摘要：

以2種不同的模板設(shè)計方案，采用注射壓縮成型制備單級和雙級微柱陣列的熱塑性聚氨酯柔性薄片，經(jīng)裁剪、噴金后得到微結(jié)構(gòu)柔性傳感基片。將單級和雙級微結(jié)構(gòu)柔性傳感基片分別與平整柔性傳感基片面對面封裝成柔性壓力傳感器1和傳感器2。模擬結(jié)果表明，受壓后微柱頂面上邊緣區(qū)域接觸應(yīng)力較大。單級和雙級微柱受壓后縱截面分別呈“碗”和“花苞”狀結(jié)構(gòu)；雙級微柱在較小壓力作用下即可發(fā)生形變，且其受壓后與平整傳感基片的接觸形變和接觸面積較大。因此，相比傳感器1，傳感器2具有較高靈敏度（0.53 kPa-1，0～1 kPa）、較短響應(yīng)時間/松弛時間（100 ms/80 ms）和較低檢測限（約58 Pa）。微柱較高的耐壓性使傳感器 2具有較寬的檢測范圍（0.058～600 kPa），能在4000次的循環(huán)壓縮/釋放測試（峰值壓力約500 kPa）中保持較穩(wěn)定的壓阻響應(yīng)。傳感器 2可準(zhǔn)確檢測人體脈搏、發(fā)聲和運(yùn)動，表明其具有應(yīng)用于智能可穿戴領(lǐng)域的潛能。

關(guān)鍵詞：柔性壓力傳感器；表面微結(jié)構(gòu)；靈敏度；熱塑性聚氨酯；注射壓縮成型

中圖分類號：TP182

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.011

Performance Improvement of Flexible Pressure Sensors by Dual-level Microstructure

ZHOU Danyan1 HUANG Hanxiong1 LUO Duyu2

1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Technique and Equipment for Macromolecular Advanced

Manufacturing，South China University of Technology，Guangzhou，510640

2.Guangdong Engineering Polytechnic，Guangzhou，510520

Abstract： The flexible thermoplastic polyurethane sheets with the single- and dual-level microcolumn arrays were rapidly prepared by using injection-compression molding with two different template design schemes. The microstructured flexible sensing substrates were obtained after cutting the sheets and spraying gold layer on them. The flexible pressure sensors were prepared by assembling the sensing substrates with the single-/dual-level microcolumns and the flat sensing substrate face-to-face， which were denoted as sensor 1 and sensor 2， respectively. The simulated results show that higher contact stress appeares around the edges on the top surfaces of the microcolumns under pressure. The longitudinal sections of the single- and dual-level microcolumns under pressure exhibit" “bowl” and “bud” geometries， respectively. The dual-level microcolumn can be deformed under lower pressure， and the contact deformation and contact area with the flat sensing substrate under pressure are larger. Therefore， compared to sensor 1， sensor 2 exhibits a higher sensitivity（0.53 kPa-1，0～1 kPa）， shorter response time/relaxation time（100 ms/80 ms）， lower detection limit（about 58 Pa）. Sensor 2 has a wide detection range（0.058～600 kPa）and maintaines a relatively stable piezoresistive response in 4000 cycles of compression/release tests（under a peak pressure of about 500 kPa）， which is ascribed to higher pressure resistance of the microcolumn. Sensor 2 may accurately detect human pulse， vocalisation and movement， demonstrating its potential for smart wearable applications.

Key words： flexible pressure sensor； surface microstructure； sensitivity； thermoplastic polyurethane； injection-compression molding

收稿日期：2022-06-20

基金項目：

國家自然科學(xué)基金（52073096）；廣東省普通高校重點(diǎn)領(lǐng)域?qū)ｍ棧?020ZDZX2069）

0 引言

近年來，可穿戴設(shè)備越來越多地應(yīng)用于人機(jī)交互、人體健康監(jiān)測和人體運(yùn)動監(jiān)測等領(lǐng)域［1-3］，使得柔性壓力傳感器逐漸向輕量化、高靈敏度和高穩(wěn)定性等方向發(fā)展［4-6］。根據(jù)工作原理，可將柔性壓力傳感器分為壓阻、壓容、壓電和摩擦發(fā)電型。其中壓阻型柔性壓力傳感器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度較高和響應(yīng)時間較短的優(yōu)點(diǎn)，成為柔性壓力傳感器的理想選擇。

壓阻型柔性壓力傳感器的基本工作原理是，對其施加壓力時，傳感基片內(nèi)部和接觸面處發(fā)生形變，使傳感器的電阻發(fā)生變化。在柔性壓力傳感基片表面形成微納結(jié)構(gòu)，有助于提高傳感器的靈敏度和檢測范圍。微結(jié)構(gòu)的類型主要有微柱［7-9］、微金字塔［9-10］、微圓頂［9，11］和仿生微結(jié)構(gòu)［12］等。其中微柱結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度，可承受較大的壓力，有利于提高柔性傳感器的檢測范圍。ZHANG等［8］將表面噴涂單壁碳納米管的熱塑性聚氨酯（TPU）薄膜置于多孔板上方，采用熱烘槍加熱TPU膜使其熔融后緊貼多孔板，在膜表面形成微柱結(jié)構(gòu)，由其封裝的傳感器具有較寬的檢測范圍（0～254.8 kPa）和良好的循環(huán)耐久性。PARK等［9］對比了3種不同表面微結(jié)構(gòu)（微柱、微金字塔和微圓頂）對壓阻型傳感器性能的影響，結(jié)果表明，在低壓區(qū)（0～1 kPa）微柱結(jié)構(gòu)傳感器的靈敏度要比另兩種微結(jié)構(gòu)傳感器的低。由以上文獻(xiàn)可知，雖然微柱結(jié)構(gòu)有利于拓寬傳感器的檢測范圍，但其對靈敏度提高的程度有限。

在傳感基片表面形成雙級微結(jié)構(gòu)可同時拓寬柔性壓力傳感器的檢測范圍并提高其靈敏度。MAO等［13］在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄片表面微柱陣列上旋涂銀納米線，制備雙級結(jié)構(gòu)的傳感基片，將兩片相同的基片互鎖封裝成的柔性傳感器具有較高的靈敏度。ZHAO等［14］制備了類花粉雙級微結(jié)構(gòu)的柔性薄片，由其封裝的傳感器靈敏度比單級結(jié)構(gòu)傳感器的靈敏度高。ZHU等［15］在PDMS薄片表面金字塔陣列上自組裝了垂直排列的金納米線，制備的雙級結(jié)構(gòu)傳感器響應(yīng)時間短且低壓區(qū)靈敏度較高。雙級結(jié)構(gòu)的傳感基片一般采用自組裝、光刻和犧牲模板法等方法制備，這些方法存在制備步驟繁雜和成本較高等缺點(diǎn)，因此，采用簡單方法制備雙級微結(jié)構(gòu)傳感基片以提高傳感器性能具有重要意義。

本文采用注射壓縮成型（injection-compression molding，ICM）快速制備單級和雙級微柱陣列結(jié)構(gòu)的TPU柔性薄片，將微結(jié)構(gòu)薄片裁剪、噴金后制備成傳感基片，并與平整TPU傳感基片封裝成柔性壓力傳感器，重點(diǎn)研究了雙級微柱結(jié)構(gòu)對傳感器靈敏度、響應(yīng)時間、檢測限和檢測范圍的改善效果。

1 實驗部分

1.1 原料與設(shè)備

原料：TPU（牌號Elastollan TPU 1180，聚醚型，邵氏硬度80 HA，密度1.10 g/cm3），德國巴斯夫公司生產(chǎn)；導(dǎo)電石墨膠液（牌號16053），美國Ted Pella公司生產(chǎn)。

設(shè)備：注塑機(jī)（型號KM80SP180CX），德國Krauss-Maffei公司生產(chǎn)；模壓機(jī)（型號QBL），無錫第一橡膠機(jī)械有限公司生產(chǎn)。

1.2 微結(jié)構(gòu)和平整柔性薄片的制備

本文采用的2種不同的模板設(shè)計方案如圖1所示。方案Ⅰ以不銹鋼多孔薄片A作為模板，其孔徑為260 μm、孔中心距為400 μm、厚度為150 μm；方案Ⅱ由多孔薄片A和合金模板B構(gòu)成雙級模板，模板B表面上排列有微褶皺帶，褶皺帶高度約8 μm，相鄰褶皺帶間距約9 μm。分別將方案Ⅰ和方案Ⅱ的模板固定在模具定模型腔表面，將干燥后的TPU粒料放入注塑機(jī)料斗中，采用ICM制備單級和雙級微結(jié)構(gòu)的TPU柔性薄片（厚度約0.7 mm）。ICM的模具壓縮力（120 kN）、注射速度（220 mm/s）、熔體溫度（190 ℃）、充模和脫模時的模具溫度（分別為80 ℃和40 ℃）保持不變。

將干燥后的TPU粒料放入模具型腔內(nèi)，置于模壓機(jī)中加熱20 min（溫度為190 ℃），使TPU粒料熔融，在12 MPa的壓力下保持5 min，冷卻、脫模后獲得平整柔性薄片（厚度約0.12 mm）。

1.3 柔性壓力傳感器的封裝

從ICM制備的微結(jié)構(gòu)柔性薄片中裁出尺寸為10 mm×10 mm的基片，將微結(jié)構(gòu)基片貼于樣品臺的45°斜面上，置于小型離子濺射儀中，進(jìn)行一次離子濺射，然后將基片在樣品臺斜面上依次旋轉(zhuǎn)90°，180°和270°，各進(jìn)行一次濺射，每次濺射時間為120 s，制成的微結(jié)構(gòu)柔性傳感基片表面噴金層厚度約65 nm。從模壓制備的平整柔性薄片中裁出尺寸為15 mm×15 mm的基片，將銅箔對稱粘貼于基片兩對邊，通過掩模方式在其表面涂覆導(dǎo)電石墨膠液，制成平整柔性傳感基片。在微結(jié)構(gòu)和平整柔性傳感基片暴露面分別粘貼聚乙烯（PE）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）保護(hù)膜，進(jìn)行面對面封裝成傳感器（圖2）。將采用單級和雙級微結(jié)構(gòu)柔性傳感基片封裝的傳感器分別記為傳感器1和傳感器 2。

1.4 測試與表征

采用掃描電子顯微鏡（型號Phenom Pure）觀察微結(jié)構(gòu)TPU柔性薄片表面的形貌，觀察前對薄片進(jìn)行噴金。

將傳感器置于電動壓力試驗機(jī)（型號ZQ-990B，東莞市智取精密儀器有限公司）的載物臺上，對其施加壓力，使用靜電計（型號MT6514S，美國Keithley）測量傳感器受壓后的電阻值，分析得到傳感器的靈敏度、響應(yīng)時間和循環(huán)特性等性能。采用壓力機(jī)對傳感器施加壓力，并將其接入數(shù)字源表（型號2470，美國Keithley）中，設(shè)置階躍式均勻增加（跨度0.1 V）、范圍為-2～2 V的電壓值，記錄傳感器相應(yīng)的電流值，得到傳感器的電流-電壓曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 微結(jié)構(gòu)柔性薄片的表面結(jié)構(gòu)

圖3為單級和雙級微結(jié)構(gòu)柔性TPU薄片表面的SEM照片。由圖3可見，通過方案Ⅰ制備的單級微結(jié)構(gòu)薄片表面上均勻分布有微柱陣列，微柱的頂面較光滑，微柱的直徑、中心距和高度分別約260，400和152 μm。通過方案Ⅱ制備的雙級微結(jié)構(gòu)薄片表面上分布有與方案Ⅰ相同的微柱陣列，不同之處在于其微柱頂面上分布有微褶皺帶，褶皺帶的間距和高度分別約9 μm和8 μm。

2.2 傳感器的壓阻響應(yīng)性能及其機(jī)理分析

柔性壓力傳感器的靈敏度（S）由下式計算：

S=ΔR/R0Δp（1）

式中，ΔR/R0為傳感器在壓力差（Δp）作用下的相對電阻變化量，R0為其初始電阻。

圖4為本文封裝的2種微結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器的ΔR/R0-p曲線。可見，隨壓力增大，兩種傳感器的ΔR/R0均先明顯增大，然后緩慢增大。在低壓區(qū)（0～1 kPa），傳感器1和2的靈敏度分別為0.274 kPa-1和0.530 kPa-1，這表明微柱上分布的微褶皺帶有利于提高傳感器的靈敏度。傳感器 2的ΔR/R0飽和值（0.79）比傳感器1（0.52）的高，且達(dá)到飽和值對應(yīng)的壓力（約600 kPa）比傳感器1（約250 kPa）的高，即傳感器 2具有較寬的檢測范圍。傳感器 2在1～10 kPa壓力范圍內(nèi)的S為0.010 kPa-1，在高壓區(qū)仍有一定的壓阻響應(yīng)。

用鑷子分別夾取質(zhì)量為0.118，0.229，0.432和0.587 g的輕物置于兩種傳感器表面約30 s后拾取，重復(fù)2次，記錄傳感器的電阻值變化。結(jié)果表明，傳感器 2對放置的0.587 g輕置物有壓阻響應(yīng)，如圖5所示，即其具有較低的檢測限（約58 Pa）；而傳感器 1對這三種輕置物的壓力刺激均無壓阻響應(yīng)。

響應(yīng)時間表征傳感器迅速感受壓力刺激的能力。以0.5 mm/s的恒定速度對2種傳感器施加1 kPa的壓力，保持30 s后以相同的速度釋放壓力，重復(fù)3次，得到傳感器的ΔR/R0隨時間的變化曲線如圖6所示。可見，兩種傳感器在1 kPa壓力作用下均可保持較穩(wěn)定、可重復(fù)的電阻響應(yīng)，卸載后電阻可恢復(fù)至加載前的初始值；傳感器 1和傳感器 2的響應(yīng)時間/松弛時間分別為140 ms/110 ms和100 ms/80 ms，即傳感器 2具有快速響應(yīng)特性（約100 ms），滿足

柔性壓力傳感器的應(yīng)用需求。

下面對上述兩種傳感器的壓阻響應(yīng)性能差異進(jìn)行機(jī)理分析。圖7為本文封裝的柔性壓力傳感器的等效電路圖。封裝后微結(jié)構(gòu)和平整傳感基片的表面相互接觸，根據(jù)微結(jié)構(gòu)傳感基片表面上微柱的分布和數(shù)量（n），將傳感器接觸表面等分為n塊矩形區(qū)域，其中第i塊的表面接觸電阻（Ri）由下式計算：

Ri=RfiRmiRfi+Rmi" i=1，2，…，n（2）

式中，Rfi為第i塊區(qū)域?qū)?yīng)平整傳感基片的電阻，為定值；Rmi為第i塊區(qū)域?qū)?yīng)微結(jié)構(gòu)傳感基片接入電路中的電阻，它與受壓后傳感基片間接觸面積的變化量相關(guān)，隨壓力增大而減小。

通過分析單級和雙級表面微柱陣列受壓后的接觸形變過程可解釋上述兩種傳感器靈敏度的差異。采用ABAQUS有限元軟件對與平整傳感基片接觸的單級微柱陣列在1～5 kPa均布壓力作用下的形變進(jìn)行模擬，所得表面接觸應(yīng)力云圖見圖8a。可見，微柱頂面上的接觸應(yīng)力隨施加壓力的增大而增大；在各個壓力作用下，微柱頂面上的接觸應(yīng)力均呈中心區(qū)域較小、邊緣區(qū)域較大的狀態(tài)分布。結(jié)合仿真結(jié)果分析單級和雙級微柱受壓后的接觸形變。對于單級微柱結(jié)構(gòu)，微柱頂部邊緣的接觸應(yīng)力較大，可使微柱頂部發(fā)生形變，其直徑有一定的增大，而微柱根部的形變很小，這使得受壓后微柱縱截面呈“碗”狀結(jié)構(gòu)，如圖8b所示。對于雙級微柱結(jié)構(gòu)，受壓后除微柱頂部發(fā)生形變外，微柱頂面上寬度小的微褶皺帶也易于發(fā)生形變，尤其在微柱邊緣處；受壓后微柱和微褶皺帶的共同形變使雙級微柱縱截面呈“花苞”狀結(jié)構(gòu)（圖8c）。這樣，與單級微柱相比，雙級微柱受壓后與平整傳感基片的接觸形變和接觸面積較大，使傳感器2的電阻比傳感器1的小，即傳感器2具有較高的靈敏度。

傳感器 2受壓后雙級微結(jié)構(gòu)與平整傳感基片間初始呈線接觸，相比傳感器 1初始的面接觸，線接觸在較低壓力作用下即可發(fā)生形變，增大了接觸面積，從而呈現(xiàn)較低的檢測限。微柱的高徑比較小（0.58），其耐壓性較高，使傳感器1在較寬（0～250 kPa）的壓力范圍內(nèi)有壓阻響應(yīng)；對于傳感器2，微柱及其頂面上的微褶皺帶均可發(fā)生形變，其接觸區(qū)由線轉(zhuǎn)變成面，從而具有較寬的檢測范圍。

2.3 雙級微結(jié)構(gòu)傳感器的力電行為和應(yīng)用

由上述結(jié)果可知，傳感器 2具有較高的靈敏度、較寬的檢測范圍和較短的響應(yīng)時間。下面對該傳感器在幾種不同加載方式下的力電行為進(jìn)行測試，結(jié)果見圖9a～圖9c。在0.4，0.7，1.0，2.0，3.0 kPa的階躍壓力作用下，傳感器 2的ΔR/R0隨壓力的增大較穩(wěn)定地增大，壓力維持階段電阻保持較穩(wěn)定且可重復(fù)的值（圖9a），這表明傳感器 2能穩(wěn)定地捕捉階躍信號。對傳感器 2以頻率分別為0.2，0.6，1.0，2.0 Hz的1 kPa的壓力依次進(jìn)行15次的循環(huán)加載/卸載測試，得到其ΔR/R0隨時間的變化曲線如圖9b所示，可見，傳感器2在不同頻率的壓力循環(huán)測試中均有穩(wěn)定快速的響應(yīng)和恢復(fù)。柔性壓力傳感器在長時間使用下保持輸出信號的穩(wěn)定性也是其滿足應(yīng)用需求的重要條件之一。對傳感器2在峰值壓力約500 kPa下進(jìn)行4000次的循環(huán)壓縮/釋放測試，得到其ΔR/R0隨時間的變化曲線如圖9c所示，可見，在4000次循環(huán)壓縮/釋放測試中，傳感器2的ΔR/R0基本保持穩(wěn)定，表明該傳感器具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性和耐久性。

為驗證傳感器2具有較高的靈敏度和較短的響應(yīng)時間，將其應(yīng)用于對人體脈搏和發(fā)聲的監(jiān)測。測試時將傳感器2接入靜電計記錄其電阻隨時間的變化，獲得傳感器2的ΔR/R0曲線。將傳感器 2貼于測試者頸部動脈處，測得的脈搏信號如圖10a所示。可見，傳感器2測得的脈搏頻率平均約78 min-1，且能準(zhǔn)確識別脈搏的2個特征峰，即收縮峰（P1）和舒張峰（P2）（見圖10a中的插圖），表明該傳感器可用于監(jiān)測脈搏跳動。脈搏波形可提供關(guān)于疾病（如心腦血管疾病）的有用信息［16］。將傳感器 2貼附在測試者喉結(jié)下方，連續(xù)說出“今天天氣很好”6個字，重復(fù)3次，獲得的ΔR/R0曲線如圖10b所示。可見，重復(fù)3次的波形相似度較高，表明該傳感器具有應(yīng)用于語音識別和輸入等領(lǐng)域的潛力。為驗證傳感器 2在較高壓力作用下仍有一定的壓阻響應(yīng)，將其置于測試者足弓處用于記錄人體在坐姿和站姿時的壓阻響應(yīng)，結(jié)果如圖10c所示。可見，測試者周期性替換站姿和坐姿時，傳感器 2均能實現(xiàn)穩(wěn)定且重復(fù)性良好的響應(yīng)，表明該傳感器可應(yīng)用于人體運(yùn)動監(jiān)測。

3 結(jié)論

本文提出了一種快速制備單級和雙級微柱結(jié)構(gòu)壓阻型柔性壓力傳感器（傳感器 1和傳感器 2）的方案。結(jié)合模擬結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明受壓后單級和雙級微柱縱截面分別呈“碗”和“花苞”狀結(jié)構(gòu)，后者在較小壓力下即可發(fā)生形變，與平面?zhèn)鞲谢g接觸區(qū)實現(xiàn)由線至面的變化，接觸形變和接觸面積較大。因此，傳感器2具有較高靈敏度（0.53 kPa-1，0～1 kPa）、較短響應(yīng)時間/松弛時間（100 ms/80 ms）和較低檢測限（約58 Pa）。由于微柱的耐壓性較高，傳感器 2具有較寬的檢測范圍（0.058～600 kPa），能在4000次的高壓力（峰值壓力約500 kPa）加載/卸載循環(huán)中保持較穩(wěn)定的壓阻響應(yīng)，呈現(xiàn)較好的穩(wěn)定性和耐久性。傳感器2可準(zhǔn)確識別人體頸部脈搏的兩個特征峰（收縮峰和舒張峰），且可成功實現(xiàn)對人體發(fā)聲、站姿和坐姿的監(jiān)測。

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（編輯 王艷麗）

作者簡介：

周丹硯，女，1996年生，碩士研究生。研究方向為高分子材料微納結(jié)構(gòu)制造及柔性壓力傳感器。

黃漢雄（通信作者），男，1963年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向為高分子材料加工設(shè)備與工程、高分子材料微/納結(jié)構(gòu)的先進(jìn)制造。E-mail：mmhuang@scut.edu.cn。