柔性电容式压力传感器制备及测量综合实验_王海珍.pdf
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1、ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 048柔性电容式压力传感器制备及测量综合实验王海珍a,李哲a,刘泽一a,郭立峰a,李德慧a,b(华中科技大学 a 光学与电子信息学院;b 武汉光电国家研究中心,武汉 430074)摘要:柔性电容式压力传感器可用于可穿戴器件和人体生理信号监测而受到广泛关注,为此设计了基于柔性电容式压力传感器制备与测量的综合实验。制备了基于金(Au)电极
2、,空气隙和二氧化硅(SiO2)为介电层,聚二甲基硅氧烷/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PDMS/PET)为基底的柔性压力传感器,并搭建一套可实现电容式压力传感器实时测量的装置,采用 LabVIEW 编程控制其测量过程,实现数据实时显示和存储,并对制备的柔性电容式压力传感器进行参数测量。该实验将压力传感器制备方法与微电子器件制造工艺及手段相结合,不仅可以激发学生的科研兴趣,也有利于提升学生的创新能力。关键词:柔性电容式压力传感器;制备与测量;创新型实验中图分类号:TP 212 2文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0247 05Comprehensive Experiment o
3、n Fabrication and Measurement ofFlexible Capacitive Pressure SensorsWANG Haizhena,LI Zhea,LIU Zeyia,GUO Lifenga,LI Dehuia,b(a School of Optical and Electronic Information;b Wuhan National Laboratory for Optoelectronics,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)Abstract:ecently
4、,flexible capacitive pressure sensors have received wide attention due to its unique applications inwearable electronics and human body health monitoring Therefore,we have designed a comprehensive experiment basedon flexible capacitive pressure sensors,which has been fabricated using Au as electrode
5、s,air gap and SiO2as dielectriclayer and PDMS/PET as substrates Besides,a new setup to realize real-time measurement of capacitive pressure sensorsalso has been developed,in which LabVIEW was utilized to control the whole measurement process to achieve real timemeasurement and data save Furthermore,
6、the as-fabricated flexible capacitive pressure sensors have been measuredusing this setup This comprehensive experiment can not only inspire studentsinterests in research,also is favorable forcreativity development of undergraduate studentsKey words:flexible capacitive pressure sensors;fabrication a
7、nd measurement;innovative experiment收稿日期:2022-02-19基金项目:华中科技大学 2021 年实验技术研究项目(校技改项目2021-32)作者简介:王海珍(1983 ),女,山东滨州人,博士,工程师,研究方向为柔性传感器与光电器件等。Tel:18062093167;E-mail:Wanghz hust edu cn0引言本科生实验教学是高校人才培养的重要环节,是学生课堂所学理论知识与实践结合的重要枢纽。当前国家大力提倡科技创新,加强本科生科技创新与实践能力的培养是人才培养的关键。因此在本科生实验教学课程中如何更好地推进实验教学与科学研究相结合,提高本
8、科生创新能力的培养,是目前高校本科生实验教学的目标之一。近年来,柔性压力传感器是因其优异的延展性在电子皮肤、软体机器人和人体生理信号监测方面有很大的应用前景,已成为电子器件领域的重要研究方第 42 卷向1-3。尤其是柔性电容式压力传感器,基于电容器为传感元器件,可把具有弹性材料的位移量转换成电容变化量,具有低功耗、高灵敏度和响应时间短等优点,成为可穿戴器件和医疗健康监测的新型电子器件4。因此,柔性电容式压力传感器近年来成为研究热点。在本科生实验教学中开设压力传感器制备及测量实验,不仅可将学生理论课所学的传感器知识和实际应用相结合,实现学研结合,更可激发学生的科研兴趣,锻炼学生的科研思维,并为相
9、关企业培养技术人才,具有非常重要的意义。柔性电容式压力传感器性能的评估可以通过测量其灵敏度、响应时间、可重复性、稳定性等来实现5-8。具有优异性能的柔性压力传感器,如灵敏度高、响应时间短和稳定性好,对实现实时测量和监测人体生理信号如脉搏等至关重要。为此,基于前沿科研成果,制备了以具有表面微结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为基底,金(Au)膜作为电极,空气隙和二氧化硅(SiO2)作为介电层的电容式压力传感器。并以实验室现有的LC 表为基础,采用 LabVIEW 编程控制其测量过程,搭建一套可实现电容式压力传感器实时测量的测试系统,用于测量电容式压力传感器各参数。以自制的柔性电容式压力传感器为例
10、,验证该测量系统的可行性,并进一步将此综合实验应用于本科生实验教学。此实验课程的设计,通过将科研内容转化为实验教学,极大地提高了学生的主动性,增强了学生的科研兴趣,从而培养学生的科研思维和创新能力。1柔性电容式压力传感器工作原理柔性电容式压力传感器本质上属于一种具有柔性极板的平行板电容器,主要由两个平行电极板和两电极之间的电介质组成,如图 1 所示9。传感器的衬底材料通常可以是一些高分子聚合物,如 PDMS,PET等,甚至一些衣物纤维以及纸都可以用于做衬底材料。其电极材料可以是导电性的金属,如 Au,银(Ag)等。目前,一些新型材料如碳纳米管和氧化石墨烯等也逐步被用于电极材料。传感器的电介质通
11、常是一些杨氏模量比较高的弹性聚合物材料,如 PDMS,脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)等,并逐渐通过掺杂一些其他材料制作成复合材料的电介质用于提高其灵敏度10-13。传感器的电容值为:C=0 xA/d(1)式中:0为真空介电常数;x为相对介电常数;A 为电极板面积;d 为两极板之间的间距。对于柔性电容式压力传感器,当器件受到外界压力作用时,极板面积以及极板之间的距离发生变化,从而导致其电容变化。图 1电容式压力传感器的工作原理示意2传感器制备与测量装置搭建2 1传感器制备(1)实验试剂。PET(厚度:0 2 mm),道康宁DC184 聚二甲基硅氧烷,厚度分别为 500 m 和 300n
12、m 的 Si/SiO2片,Au 颗粒(99 99%)(2)实 验 仪 器。光 刻 机(Mia 8),匀 胶 机(LAUELL WS-650MZ),电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器),电子束蒸发镀膜系统(Ohmiker50B),等离子增强化学气相沉积 PECVD(Oxford PlasmaPro800),显微镜(Olympus BX53M),扫描电镜(TescanSH3)(3)传感器制备过程。电容式压力传感器的制备流程如图 2(a)所示。传感器由上下两层组装得到。首先准备 PDMS 溶液,使用的试剂为道康宁 DC184,分为 A 剂(主剂)与 B 剂(固化剂)。将 A 剂与 B 剂以质量比为 1
13、01 混合并置于烧杯中,使用玻璃棒搅拌 30min 以上,得到浓稠的 PDMS 溶液。随后将 PDMS 置于真空箱中抽真空去掉 PDMS 中气泡。以经过光刻处理表面带有金字塔微结构的 Si 片或者 Si/SiO2作为模板 见图 2(b),以 3 000 r/min 的速度旋涂大约 60 s将 PDMS 溶液旋涂于模板上。在 PDMS 上面紧贴一层(a)制备流程(b)模板的 SEM 照片(c)具有表面微结构PDMS 的 SEM 图像(d)传感器实物图图 2电容式压力传感器的制备842第 1 期王海珍,等:柔性电容式压力传感器制备及测量综合实验PET 薄膜,放入真空干燥箱中,在温度为 70 下固化
14、3 h。把固化好的 PDMS 从模板剥离,得到表面具有凸起微结构的 PDMS 膜材料作为衬底。剥离后的 PDMS在扫描电子显微镜(SEM)下观察其微结构是否完整,然后采用电子束蒸发镀膜机蒸金,从而得到传感器的上层结构 见图2(c)。为了防止 PDMS 剥离破损,旋涂之前,带有微结构的 Si 片模板要放置在 100 L 的六甲基二硅胺烷(C6H19NSi2)溶液中浸泡约 1 h 进行疏水处理。传感器下层结构由 PET、Au 以及 SiO2组成。首先在 PET 衬底上蒸金,再蒸镀一层 SiO2作为电介质层。在上下 Au 电极采用导电银胶引出导线(0 1 mm的铜导线),用万用表测量导线和电极是否导
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