王硯璞，林樹靖，王 菲，陳 迪

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

近年來，可穿戴式電子設(shè)備由于其便攜性、功能高度集成化越來越受到人們的重視[1-2]。應(yīng)變傳感器在人體健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)測(cè)量、人機(jī)交互、電子皮膚等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力[3-4]。電阻式應(yīng)變傳感器由于具有良好的穩(wěn)定性、工作范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，成為應(yīng)變傳感器主要采用的機(jī)理[5]。應(yīng)變傳感器的性能指標(biāo)主要包括靈敏度、拉伸范圍、可拉伸次數(shù)。通常，高靈敏度與寬拉伸范圍難以兼得，需要根據(jù)實(shí)際需求，在靈敏度與拉伸范圍兩者之間尋找平衡[6-7]。

應(yīng)變傳感器主要由可拉伸基底與敏感導(dǎo)電材料結(jié)合組成，兩者材料的選擇對(duì)于傳感器的性能十分關(guān)鍵。當(dāng)前應(yīng)變傳感器可拉伸基底多采用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)，PDMS有一系列優(yōu)點(diǎn)：具有一定的拉伸性能、透明、生物相容性良好。但使用PDMS作為基底制備的應(yīng)變傳感器通常拉伸范圍不夠大(50%)，當(dāng)材料存在微小裂紋的損傷時(shí)，在應(yīng)力作用下易產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的不可逆性破壞，硬度較大可能會(huì)影響佩戴者的舒適感[8-10]。為了解決這一問題，本文選用加成型雙組份硅橡膠(silicon rubber，SR)作為可拉伸基底。該材料具有良好的拉伸性能(>100%)和韌性，不會(huì)輕易發(fā)生損壞，材料硬度較小，可以隨人體皮膚自由變形。常用的納米導(dǎo)電材料包括碳基材料(例如碳黑、碳納米管、石墨烯等)、金屬納米顆粒、金屬納米線以及導(dǎo)電聚合物等[11-15]。本文選用碳黑作為敏感導(dǎo)電材料，該材料具有導(dǎo)電性能良好、化學(xué)性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。此外，本文使用MEMS技術(shù)制備了應(yīng)變傳感器的柔性電極，電極的柔性化降低了人體皮膚貼合該傳感器的不適感[16]。

本文使用碳黑作為敏感導(dǎo)電材料，加成型雙組份硅橡膠作為可拉伸基底，并使用柔性電極，制作了三明治結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)變傳感器。對(duì)該應(yīng)變傳感器進(jìn)行多種拉伸應(yīng)變測(cè)試，并進(jìn)行人體應(yīng)變信號(hào)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明該應(yīng)變傳感器具有拉伸范圍大、響應(yīng)快、穩(wěn)定性良好的優(yōu)點(diǎn)，可用于人體大小應(yīng)變信號(hào)的測(cè)試。

1 試驗(yàn)

1.1 原料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中采用的原料與試劑包括：導(dǎo)電碳黑(conductive carbon black，CB)，平均粒徑為23 nm，比表面積為125 m2/g; S600加成型雙組份液體硅橡膠(two-component silicon rubbers，SR)，硬度為8 C，抗拉強(qiáng)度為1.6 MPa；無水乙醇(AR); 丙酮(AR);銅箔(厚度為45 μm)。

實(shí)驗(yàn)中采用的儀器設(shè)備包括：高精度萬用表(DMM7510 7 1/2 Digit Multimeter)，電子天平(FA2004)，移液槍(Eppendorf Reference 2)，熱板(HP-2020)，真空干燥箱(DZF-6020)，自動(dòng)拉伸平臺(tái)(使用57步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、高精度滾珠絲桿自行搭建)。

1.2 CB/SR彈性應(yīng)變傳感器的制備

CB/SR彈性應(yīng)變傳感器制備流程如圖1(a)所示，具體可分為應(yīng)變傳感器基底、柔性電極、敏感材料的制備及傳感器封裝過程。

1.2.1 應(yīng)變傳感器基底的制備

用電子天平稱量S600硅膠A膠和B膠各5 g置于一次性容器中，充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌暇鶆?，預(yù)抽真空，取混合膠液6 g加入4英寸(1英寸=2.54 cm)塑料培養(yǎng)皿中，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)皿使得膠液在培養(yǎng)皿中實(shí)現(xiàn)均勻涂覆，置于真空烘箱中抽真空除氣泡，設(shè)置溫度70 ℃，熱固化2 h得到應(yīng)變傳感器基底。在基底上粘貼透明膠帶，留下10 mm×40 mm長(zhǎng)方形空白用于轉(zhuǎn)移柔性電極和滴加敏感材料。

1.2.2 應(yīng)變傳感器柔性電極的MEMS加工工藝

(1)使用熱釋放膠帶粘貼銅箔于玻璃片上，光刻負(fù)膠：旋涂PI負(fù)性光刻膠10 μm，轉(zhuǎn)速2 000 r/min，熱板100 ℃烘5 min，曝光40 s，熱板100 ℃烘1 min，顯影4 min，漂洗1 min，使用真空烘箱150 ℃烘3 h。

(2)熱板120 ℃加熱2 min熱釋放銅箔，將PI圖形面粘貼于玻璃片上。

(3)光刻正膠：旋涂4620正性光刻膠10 μm，轉(zhuǎn)速2 000 r/min，熱板50 ℃烘5 min，100 ℃烘3 min，曝光38 s，顯影3 min。

(4)濕法刻蝕：將1 000 mL 50 ℃去離子水加入燒杯中，添加PCB電路刻蝕劑至飽和，使用50 ℃熱板持續(xù)加熱刻蝕液，使用硅片夾加持經(jīng)上述工藝加工的載有銅箔的玻璃片，在刻蝕液中反復(fù)上下振蕩約15 min，將未被正膠覆蓋的銅箔完全刻蝕。

(5)使用丙酮浸泡5 min去除正膠得到柔性電極如圖1(b)所示，并將柔性電極轉(zhuǎn)移至應(yīng)變傳感器基底。

1.2.3 應(yīng)變傳感器敏感材料的制備

使用移液槍取1.5 mL無水乙醇，用電子天平稱量15 mg碳黑，并加入無水乙醇中，置于超聲清洗機(jī)中超聲處理使得碳黑在無水乙醇中完全分散。使用移液槍吸取無水乙醇-碳黑溶液，每次100 μL，分15次滴加至電極及兩電極之間的基底上，剝離透明膠帶，得到未封裝的CB/SR彈性應(yīng)變傳感器。

1.2.4 應(yīng)變傳感器的封裝

類似于應(yīng)變傳感器基底的制備過程配置S600硅膠膠液，取6 g涂覆在未封裝的應(yīng)變傳感器上方，置于真空烘箱中抽真空除氣泡，70 ℃條件下固化2 h，沿電極和含有碳黑的硅膠部分切割，得到CB/SR彈性應(yīng)變傳感器如圖1(c)所示，尺寸為10 mm×40 mm，厚度為1 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 CB/SR彈性應(yīng)變傳感器的性能分析

CB/SR彈性應(yīng)變傳感器靈敏度GF(gauge factor)是應(yīng)變傳感器在單位應(yīng)變下電阻的相對(duì)變化量，計(jì)算公式如式(1)～式(3)所示[17]。

(1)

ΔR=R-R0

(2)

(3)

式中：ΔR為應(yīng)變傳感器的電阻變化量，Ω；R0為應(yīng)變傳感器的初始電阻，Ω；R為拉伸后應(yīng)變傳感器的電阻，Ω;ε為拉伸后應(yīng)變傳感器的應(yīng)變;L為拉伸后應(yīng)變傳感器的長(zhǎng)度，m；L0為應(yīng)變傳感器的初始長(zhǎng)度，m。

為了評(píng)估CB/SR彈性應(yīng)變傳感器的靈敏度，對(duì)該傳感器相對(duì)電阻變化與應(yīng)變之間的關(guān)系進(jìn)行研究。傳感器采用CB作為導(dǎo)電敏感材料，由于CB納米顆粒為0維納米材料，CB納米顆粒之間難以形成直接的歐姆接觸，通常存在一定的距離。根據(jù)隧穿效應(yīng)，相鄰的納米材料相隔距離在一定范圍之內(nèi)，電子可以穿過兩者之間的絕緣層，形成隧道電流。根據(jù)Simmons的隧道效應(yīng)理論，相鄰納米材料之間的隧道電阻可以根據(jù)式(4)計(jì)算[17-19]：

(a)CB/SR彈性應(yīng)變傳感器的制備流程

(b)柔性電極的照片

(c)CB/SR彈性應(yīng)變傳感器的照片

(4)

式中：Rtunnel為相鄰的納米材料的電阻，Ω;V為電勢(shì)差，V;A為隧道電流的橫截面積，m2;J為隧道電流密度，A/m2;h為普朗克常數(shù)，J·s;d為納米材料之間的距離，m;e為是電子的電荷量，C;m為電子的質(zhì)量，kg;λ為勢(shì)壘高度，J。

假設(shè)CB/SR彈性應(yīng)變傳感器的CB納米顆粒之間距離d與ε等比例變化，由于對(duì)于該傳感器，h，A，e，m，λ均為常數(shù)，故采用式(5)擬合該傳感器相對(duì)電阻變化與應(yīng)變之間的關(guān)系:

ΔR/R0=aεebε

(5)

式中：ΔR/R0為CB/SR彈性應(yīng)變傳感器的相對(duì)電阻變化;a，b為待擬合系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)式(5)擬合結(jié)果如圖2(a)所示，a=3.541，b=0.023，確定系數(shù)R2=0.999，佐證了CB/SR彈性應(yīng)變傳感器的主要應(yīng)變機(jī)理是隧道效應(yīng)。

通過式(5)對(duì)應(yīng)變?chǔ)胚M(jìn)行求導(dǎo)得到式(6)，對(duì)式(6)取極限得到式(7)：

ΔR′/R0=aebε(1+bε)

(6)

(7)

式中：ΔR′/R0為CB/SR彈性應(yīng)變傳感器的電阻相對(duì)變化量的導(dǎo)數(shù)。

由式(6)、式(7)可知，當(dāng)ε很小時(shí)，ΔR/R0與ε關(guān)系趨于線性，且ΔR/R0對(duì)ε的導(dǎo)數(shù)隨ε不斷增加。圖2(b)對(duì)CB/SR彈性應(yīng)變傳感器在0～20%應(yīng)變范圍內(nèi)進(jìn)行線性擬合，確定系數(shù)R2=0.988，該范圍內(nèi)相對(duì)電阻變化與應(yīng)變呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，GF=5.77。在20%～100%應(yīng)變范圍內(nèi)GF隨應(yīng)變的增加不斷上升，可達(dá)到143.14?？梢奀B/SR彈性應(yīng)變傳感器具有較高的靈敏度，電阻相對(duì)變化量與應(yīng)變實(shí)現(xiàn)了良好的擬合，易于標(biāo)定，方便了該傳感器的實(shí)用化。CB/SR彈性應(yīng)變傳感器的最低檢測(cè)極限為0.1%，最大工作范圍為100%，該傳感器同時(shí)具有高分辨率、寬工作范圍的優(yōu)點(diǎn)。

(a)0～100%應(yīng)變范圍

(b)0～20%應(yīng)變范圍

圖3為CB/SR彈性應(yīng)變傳感器在小應(yīng)變(2%、4%、6%、8%)及大應(yīng)變(20%、40%、60%、80%)循環(huán)拉伸中的相對(duì)電阻變化和30%應(yīng)變下3 000次循環(huán)拉伸中的相對(duì)電阻變化。由圖3可知：CB/SR彈性應(yīng)變傳感器在小應(yīng)變工作范圍和大應(yīng)變工作范圍內(nèi)均能保持良好的穩(wěn)定性。觀察圖3(c)可知CB/SR彈性應(yīng)變傳感器在3 000次循環(huán)拉伸周期中，相對(duì)電阻變化量基本保持平穩(wěn)，循環(huán)初期和末期相對(duì)電阻變化量差異較小，表明CB/SR在長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)下能夠保持良好的穩(wěn)定性。

(a)2%，4%，6%，8%應(yīng)變下循環(huán)拉伸相對(duì)電阻變化

(b)20%，40%，60%，80%應(yīng)變下循環(huán)拉伸相對(duì)電阻變化

(c)在30%應(yīng)變下循環(huán)拉伸3 000次相對(duì)電阻變化

響應(yīng)時(shí)間決定了應(yīng)變傳感器能否感知捕捉快速變化的應(yīng)變信號(hào)。圖4為CB/SR彈性應(yīng)變傳感器在0.1%應(yīng)變加載與釋放過程中相對(duì)電阻的變化，應(yīng)變加載階段響應(yīng)時(shí)間為73 ms，應(yīng)變釋放階段恢復(fù)時(shí)間為48 ms。73 ms的響應(yīng)時(shí)間小于大部分柔性應(yīng)變傳感器，適用于人體皮膚應(yīng)變信號(hào)的測(cè)量[12-13]。

圖4 CB/SR彈性應(yīng)變傳感器在0.1%應(yīng)變加載與釋放過程中的響應(yīng)時(shí)間及恢復(fù)時(shí)間

2.2 CB/SR彈性應(yīng)變傳感器對(duì)人體應(yīng)變信號(hào)的監(jiān)測(cè)

與傳統(tǒng)的金屬箔應(yīng)變片相比，CB/SR彈性應(yīng)變傳感器具有較大的應(yīng)變范圍(100%)，傳感器的柔性減輕了人體佩戴的不適感，該傳感器在檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)應(yīng)變信號(hào)方面具有應(yīng)用潛力。使用醫(yī)學(xué)膠帶將該傳感器粘貼在測(cè)試者指關(guān)節(jié)、腹部、手腕處，分別檢測(cè)手指彎曲、呼吸及脈搏的信號(hào)。

圖5(a)記錄了手指彎曲不同角度(5°、30°、60°)時(shí)CB/SR應(yīng)變傳感器的響應(yīng)曲線。當(dāng)手指彎曲5°時(shí)，最大相對(duì)電阻變化為33%;當(dāng)手指彎曲30°時(shí)，最大相對(duì)電阻變化為155%; 當(dāng)手指彎曲60°時(shí)，最大相對(duì)電阻變化為329%。CB/SR彈性傳感器的響應(yīng)隨手指彎曲角度的增大而增大，可滿足人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度監(jiān)測(cè)的需求。

圖5(b)記錄了呼吸測(cè)試中CB/SR應(yīng)變傳感器的響應(yīng)曲線，分別展示了慢速呼吸和快速呼吸下的傳感器響應(yīng)(不超過30%和17%)。由于每次呼吸深淺難以保持一致，腹部皮膚應(yīng)變變化存在不同，因此傳感器響應(yīng)出現(xiàn)了些許差異。

圖5(c)記錄了脈搏測(cè)試中CB/SR應(yīng)變傳感器的響應(yīng)曲線，該圖不僅記錄了主波波形，還可以測(cè)量到微弱的重搏波波形。經(jīng)過計(jì)算，測(cè)試過程中測(cè)試者脈率約為85次/min，相對(duì)電阻變化不超過2.5%，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變變化為0.3%，該傳感器具有測(cè)量微弱人體信號(hào)的能力。

(a)手指彎曲測(cè)試中CB/SR彈性應(yīng)變傳感器的響應(yīng)曲線

(b)呼吸測(cè)試中CB/SR彈性應(yīng)變傳感器的響應(yīng)曲線

(c)脈搏測(cè)試中CB/SR彈性應(yīng)變傳感器的響應(yīng)曲線圖5 CB/SR彈性應(yīng)變傳感器人體測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

本文以加成型雙組份硅橡膠作為柔性基底，碳黑作為導(dǎo)電敏感材料，并使用柔性電極，制作了可用于人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的CB/SR彈性應(yīng)變傳感器。CB/SR彈性應(yīng)變傳感器檢測(cè)極限低至0.1%，拉伸范圍達(dá)到100%，GF最大達(dá)到143.14，響應(yīng)時(shí)間低至73 ms，經(jīng)過3 000次循環(huán)拉伸釋放后仍能保持良好的穩(wěn)定性。使用CB/SR彈性應(yīng)變傳感器對(duì)指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、呼吸、脈搏起伏進(jìn)行監(jiān)測(cè)，滿足了對(duì)人體從大范圍到微弱的應(yīng)變信號(hào)的測(cè)量，具有廣闊的應(yīng)用前景。