纳米炭黑/硅橡胶柔性压力传感器的交流特性

冯建超, 夏 岩, 梅海霞, 张 彤

(吉林大学 电子科学与工程学院, 长春 130012)

纳米炭黑/硅橡胶柔性压力传感器的交流特性

冯建超, 夏 岩, 梅海霞, 张 彤

(吉林大学 电子科学与工程学院, 长春 130012)

在印有叉指电极的陶瓷衬底上, 制作纳米炭黑/硅橡胶复合导电材料的压力传感器, 并研究该传感器在交流驱动下的压敏特性.结果表明： 在1 kHz测试条件下, 该传感器呈正压阻效应; 随着测试频率的增加, 纳米炭黑/硅橡胶界面处的空间电荷极化强度减小, 器件的正压阻效应减弱; 当器件负载/卸载时, 传感器的响应和恢复时间均小于3 s； 当连续加载压力时, 传感器可分辨的压力为0.5 N.

交流; 正压阻效应; 频率; 阻抗; 空间电荷极化

压力传感器可将敏感体受到的力(压力、张力、拉力和应力等)转换为电信号的一类物理传感器, 其中采用金属应变计的测力传感器和采用n型半导体芯片的扩散型压力传感器在航空航天、石油化工、动力机械和地质地震测量等领域应用广泛.由于该类压力传感器与被测物体均为刚性接触, 因此很难满足一些特殊应用的需求， 如仿生智能手上的压力传感器要求压敏材料具有可弯曲的柔韧性及感受力的分布和大小.聚偏氟乙烯、硅橡胶、聚酰亚胺等作为模拟各类“人工皮肤”的压力传感器[1-3]和具有较好的柔韧性、导电性及压阻特性的炭黑/硅橡胶复合材料已引起人们广泛关注[4-5].文献[6]研究了炭黑粒径和表观密度对复合材料压阻特性的影响; 文献[7]研究了炭黑浓度对复合材料压阻特性、压缩应力松弛和电阻蠕变等特性的影响; 文献[8]研究了炭黑/硅橡胶复合材料的热稳定性; 文献[9]研究了炭黑在硅橡胶中的分散性与硅橡胶粒径和炭黑掺杂量间的关系.但对于在交流激励下导电橡胶的压阻特性研究较少.本文在印有碳叉指电极的陶瓷衬底上, 制作基于纳米炭黑/硅橡胶复合材料的压力传感器, 并研究压阻器件在交流下的压敏特性, 通过频率对器件压阻特性的影响、最佳频率下器件的阻抗、电阻和电容随压力的变化及响应恢复特性, 分析交流下压敏元件的工作机理.

1 实 验

单组份室温硫化硅橡胶(PDMS, 型号GD401)购于中昊晨光化工研究院, 纳米SiO2购于北京王用科技有限公司, 纳米导电炭黑(CB, 型号BP2000)购于南京先丰纳米材料科技有限公司, 正己烷购于北京化工厂.

器件制作流程如下： 将一定质量的CB和SiO2(w(CB)∶w(SiO2)=1∶2)加入正己烷中, 超声30 min使CB和SiO2均匀分散, 再加入硅橡胶(w(CB)∶w(PDMS)=1∶40)得到混合溶液.室温搅拌7 h后, 先将形成的黏稠溶液置于25 ℃真空烘箱中干燥30 min, 使正己烷快速挥发, 再将导电橡胶涂覆于印刷碳叉指电极的Al2O3陶瓷衬底上.由于硅橡胶通过空气中的水分反应而固化, 真空状态可阻止橡胶固化, 并加快正己烷挥发, 因此固化后的样品致密、均匀, 无气泡.制备的炭黑/硅橡胶压力传感器如图1(A)所示.通过数显推拉力计(HP-50型)测试负载压力, 采用智能LCR测量仪(ZL5型)提供交流电压并检测电信号的变化, 测试装置如图1(B)所示.

图1 压力传感器(A)和测试装置(B)示意图Fig.1 Schematic diagrams of flexible pressure sensor (A) and testing device (B)

图2 器件在不同频率下阻抗随压力的变化曲线Fig.2 Relation between impedance and pressure with frequency change

2 结果与讨论

2.1工作频率

器件在不同频率下的压阻特性如图2所示.由图2可见: 在0.1～100 kHz内, 器件的压阻效应随频率的升高逐渐减弱; 当频率为100 kHz, 压力为10 N时, 器件的压阻效应较差； 当频率为0.1,1 kHz时, 器件的正压阻效应较好.

频率对器件压阻特性的影响主要归因于介质内部的极化.在炭黑/硅橡胶复合材料中, 主要存在电子位移极化和空间电荷极化两种类型, 其中电子位移极化存在于任何介质中, 极化时间约为10-15s, 因此在测试频率0～100 kHz内, 极化强度不变, 材料的相对介电常数保持不变; 空间电荷极化主要存在于非均匀介质中, 极化时间为10-4～104s, 空间电荷极化主要发生在直流或交流低频条件下[10].在高频时, 空间电荷极化较弱, 介质的相对介电常数较小.

在炭黑/硅橡胶复合材料内部, 两相的界面聚集一定量的空间电荷.当测试频率较小(小于10 kHz)时, 由于空间电荷极化时间小于电场变化时间, 空间电荷发生极化形成一定强度的极化电场, 阻碍介质内部载流子通过, 因此材料的阻抗较大.随着频率的增加, 由于空间电荷无法极化, 因此材料的极化强度和阻抗逐渐减小, 即器件的压阻效应随频率的增加逐渐减弱.

2.2阻抗特性

器件阻抗随压力的变化关系如图3所示.由图3可见: 随着压力的增加, 器件阻抗逐渐增大, 呈较好的正压阻效应； 在0～10 N压力下, 器件的阻抗为11～215 kΩ; 当纵坐标取对数时, 器件呈较好的线性.

交流下元件的阻抗包括电阻(R)和容抗(XC), 其表达式为

器件电阻和电容随压力的变化关系如图4所示.由图4可见, 在0～10 N压力下, 器件呈正压阻效应, 其电阻为11～210 kΩ; 器件电容随压力的增加逐渐减小, 呈负容敏效应.在0～10 N压力下, 器件的电容为3 500～8 nF.

图3 器件阻抗随压力的变化关系Fig.3 Curve of AC parameters vs pressure

图4 器件电阻和电容随压力的变化关系Fig.4 Curves of resistance or capacitance vs pressure

图5 导电橡胶敏感膜受压前后炭黑粒子间距变化的示意图Fig.5 Carbon black particle distances before and after pressure

电容是表征材料容纳电荷本领的物理量, 与介电常数(ε)、基板之间距离(d)和极板面积(S)有关, 其表达式为

（2）

本文使用的电极是印刷在Al2O3陶瓷衬底上的叉指状电极, 相当于平板电容器的电容极板, CB/PDMS复合材料作为电介质.当器件外界压力增加时, 电容器的电容减小.由于正、负电极间的距离和面积未发生改变, 因此器件的电容仅与介电常数有关, 而介电常数与材料内部电荷的极化有关.在CB/PDMS复合材料中, 炭黑硅橡胶界面的电荷在外加电场时发生极化[12], 外界压力可改变CB/PDMS复合材料中影响介电常数的导电物质CB粒子的排列分布, 因此器件电容随外界压力的变化而变化.当复合材料受力时, 若所受外力使导电粒子间的间距增加, 即相同电极间的电介质减少, 则复合材料介电常数减小; 若所受外力使导电粒子间的间距减小, 即相同电极间的电介质增加, 则复合材料介电常数增加.当CB/PDMS受力时, 水平方向上炭黑粒子间的间距变大, 使得电极间的电介质减少, 材料的介电常数减小; 在垂直方向上炭黑粒子间的间距变小, 使得电极间的电介质增加, 材料的介电常数增加.即当外界压力增加时, 器件的电容减小, 呈负容敏效应.因此, 器件受压时水平方向上的影响大于垂直方向的影响, 与电阻变化分析一致.

2.3响应恢复特性

响应恢复特性是压力传感器(对输入力信号的处理速度)的一个重要参数.响应(恢复)时间定义为器件阻抗达到阻抗稳定时的时间.器件在4 N压力下的响应和恢复特性曲线如图6所示.由图6可见, 器件的响应时间为3 s, 恢复时间为2 s.灵敏度定义为一定压力下的阻抗与初始阻抗的比值, 图7为器件在不同压力下的灵敏度.由图7可见： 器件对压力具有较好的灵敏特性, 在6～8 N压力下, 其灵敏度为5～10; 当连续加载压力时, 器件对不同的压力具有较好的分辨能力, 可分辨0.5 N的压力间隔.

器件快速的响应特性主要归因于硅橡胶基体材料的高弹性.本文使用的硅橡胶为脱肟型RTV-1硅橡胶, 是以聚二甲基硅氧烷为主链的弹性体, 由Si—O键重复链接构成, 分子链具有较好的柔顺性[13].在负载/卸载过程中, 橡胶分子链与炭黑颗粒迅速发生移动, 并恢复到初始状态.

图6 器件在4 N压力下的响应和恢复特性曲线Fig.6 Curve of response vs recovery under a pressure of 4 N

图7 器件在不同压力下的灵敏度Fig.7 Sensitivity under different pressures

综上, 本文研究了基于纳米炭黑/硅橡胶复合导电材料的压力传感器在交流下的压敏特性.结果表明: 器件在0.1～100 kHz下呈正压阻效应； 随着频率的增加, 空间电荷极化强度减小, 器件的压阻效应减弱； 在负载/卸载过程中, 器件具有快速的响应恢复特性.

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AlternatingCurrentCharacteristicsofFlexiblePressureSensorBasedonNano-carbonBlack/SiliconRubber

FENG Jianchao, XIA Yan, MEI Haixia, ZHANG Tong
(CollegeofElectronicScienceandEngineering,JilinUniversity,Changchun130012,China)

A pressure sensor of nano-carbon black/silicon rubber conductive composite was fabricated on the ceramic substrate with interdigital electrodes.Piezoresistive characteristics of the sensor were investigated under alternating current drive.The results demonstrate the sensor exhibited positive piezoresistive effect at a frequency of 1 kHz.The polarization intensity of space charges on the interface between nano-carbon black and silicone rubber decreased and the positive piezoresistive effect weakened as the working frequency increased.The response time and recovery time of sensor were within 3 s in the processes of loading and unloading.The resolution of the sensor was 0.5 N in the continuous loading process.

alternating current; positive piezoresistive effect; frequency; impedance; space charge polarization

2013-11-26.

冯建超(1988—), 男, 汉族, 硕士研究生, 从事柔性压力传感器的研究, E-mail： 536349187@qq.com.cn.通信作者： 张 彤(1966—), 女, 汉族, 博士, 教授, 博士生导师, 从事气体、湿度和压力传感器的研究, E-mail： zhangtong@jlu.edu.cn.

高等学校博士学科点专项科研基金(批准号: 20110061110041).

O59

A

1671-5489(2014)06-1311-05

10.13413/j.cnki.jdxblxb.2014.06.39

王 健)