基于黑磷烯/氧化石墨烯双介质层的柔性电容式压力传感器*

聂 萌,郭安琪,陈佳琦,徐 峰

(东南大学MEMS教育部重点实验室,南京 210096)

近年来,随着柔性电子学的发展,可穿戴柔性压力传感器在医疗诊断、机器人、电子皮肤、和人体假肤等应用领域展示出其显著优势[1-6],如实时监测人体物理信号,包括体温、血压、脉搏和肢体运动等信息,可为疾病的诊断、治疗和康复提供各种有价值的参数信息。

根据工作原理不同,柔性压力传感器主要可以分成电阻式[1-3,7]、电容式[4-5,8-9]、压电式[6,10]等。其中,电容式压力传感器具有灵敏度高、功耗低、动态响应特性好等优点[11],得到国内外学者的广泛关注。中国电子科技大学全勇等[8]在传感器的结构上做了新的探索,以银纳米线(AgNWs)为电极材料,聚二甲基硅氧烷(PDMS)为柔性衬底,采用毛面玻璃和玻璃分别作为柔性衬底的制备模板,制备出具有微纳结构和平面结构的PDMS薄膜,光面具有电极微结构的 AgNWs/PDMS电容式复合薄膜传感器,其灵敏度为1.0 kPa-1;北卡罗来纳州立大学Yao等人[12]设计并制备了一种以PDMS为基底,AgNWs和脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)为电介质电容式柔性压力传感器,器件灵敏度达到1.62 MPa-1,响应时间约为40 ms,检测范围0～1.2 MPa;中国东南大学万树等人[13]提出一种石墨烯作为电极,氧化石墨烯(GO)泡沫作为介电层的电容式压力传感器,利用GO泡沫优异的弹性和高相对介电常数,传感器可以检测到0.24 Pa的微小压力,响应时间为100 ms,灵敏度为0.8 kPa-1,检测范围为0～4 kPa;韩国首尔国立大学Yunsik Joo等人[9]使用AgNWs嵌入PDMS制造多尺度结构的弹性体电极,通过将多尺度结构的弹性体电极层压到介电层/底部电极模板上制作电容式压力传感器结构,该压力传感器的灵敏度最大可达3.8 kPa-1,响应和弛豫时间小于150 ms,并且具有高弯曲稳定性和高循环稳定性。上述研究工作通过材料和结构的探索有效的提高了柔性电容式压力传感器的灵敏度、分辨率、响应速度等性能,但上述研究工作所制备的电容式柔性压力传感器一方面器件的制备工艺复杂,涉及制作模板等微纳加工工艺,成本高;另一方面,存在较大量程范围传感器灵敏度较低,而灵敏度较高的传感器量程范围相对比较小的问题。

本论文针对上面提出的高灵敏度和大量程不能兼顾的问题,提出了一种双层介质层的电容式压力传感器结构的解决方案,以聚对苯二甲酸类塑料(PET)为基底,氧化铟锡(ITO)为电极材料,黑磷烯(BP)/氧化石墨烯(GO)作为感压电容介质层,设计并制备了三明治式电容式柔性压力传感器,工艺简单,制作成本低,双层介质层极大地提高了电容式传感器性能,其量程可至25.0 kPa,灵敏度在0～3.12 kPa范围内达到了1.60 kPa-1,并且温漂小,有望用于医疗诊断,机器人等领域。

1 传感器的制备

1.1 黑磷烯的制备

用液相剥离法制备黑磷烯,制备流程如图1所示,从氮气真空管取出块状黑磷(先丰纳米有限公司,中国),用带密封盖的小试管量取0.2 g黑磷溶解在100 mL酒精中,超声24 h。取上述溶液10 mL,加 90 mL 酒精,继续超声分散至溶液呈浅黄色,离心处理 20 min,重复3次～5次,取出上层清液,得到稳定的黑磷纳米片分散液。

图1 黑磷烯的制备流程图

图2 基于黑磷烯/氧化石墨烯双层介质层的柔性电容式压力传感器制造流程图

1.2 传感器结构的制备

传感器结构的制备流程如图2所示,取两片同样尺寸(30 cm×20 cm)的柔性基底PET/ITO(如图2(a)),将上述黑磷烯纳米片分散液滴涂在ITO面,放入真空干燥箱中65 ℃干燥,蒸干乙醇溶剂得到黑磷烯薄膜(如图2(b)),黑磷烯膜上滴涂氧化石墨烯分散液(先丰纳米有限公司,1 mg/mL,中国),放入真空干燥箱80 ℃干燥,得到氧化石墨烯薄膜(图2(c)),将两片覆有黑磷烯/氧化石墨烯双层膜的PET/ITO膜面对面封装,完成具有三明治电容的传感器结构的制作(图2(d))。最后在两端用导电银胶实现电引出。图3(a)是传感器结构中,单片附有黑磷烯/氧化石墨烯双层介质层的PET/ITO膜,氧化石墨烯表面形貌SEM图,图3(b)是剖面SEM图,可清晰看到下层为黑磷烯,上层为氧化石墨烯。

图3 传感器结构SEM图

2 传感器测试与分析

2.1 传感器性能测试与分析

测试系统示意图如图4所示,测试设备采用LCR(TH2826),高低温试验箱(OMEGA205)。将待测传感器样品放置于温箱中,压力测试时温度设置为25 ℃,压力测试范围为0～25 kPa;温度测试时保持常压,温度测试范围为25 ℃～75 ℃。传感器结构性能的压力、温度特性曲线如图5所示。

图4 测试系统示意图

图5 传感器结构性能

图5(b)给出了本论文工作与近年来的同类研究工作的比较,图5(b)中的各点,代表的是在横坐标每一个量程数值时,纵坐标灵敏度的数值。与灵敏度较高的同类研究工作如中国南昌航空大学信息工程学院肖娜等人[14]研究的基于多壁碳纳米管电极的柔性电容式压力传感器相比较,在灵敏度为1.33 kPa-1时,其量程为0～758 Pa,本论文传感器可在0～3.12 kPa量程范围达到此灵敏度,量程拓宽了4.12倍;与量程较高的器件,如北卡罗来纳州立大学Yao等人[12]制备的以AgNWs和脂肪族芳香族无规共聚酯(Ecoflex)为电介质电容式柔性压力传感器,在量程范围为0～1.2 MPa时,灵敏度为1.62 MPa-1,本论文传感器可在0～25 kPa量程范围可达0.06 kPa-1的灵敏度,灵敏度提升了一个数量级。

为了比较用黑磷烯/氧化石墨烯双层介质层和氧化石墨烯为单层介质层的压力传感器的性能,在室温下,分别测量了二者在不同弯曲应变下(-5%～-25%)的电容输出量变化。测试结果如图6所示,在不同的弯曲应变下,氧化石墨烯单层介质层的压力传感器输出电容相对变化量为9.25 pF,而黑磷烯/氧化石墨烯双层介质层的压力传感器电容随着弯曲应变,输出电容变化量达到629 pF。由测试结果可以得出,以黑磷烯/氧化石墨烯作为双层介质层的压力传感器可大幅度提高传感性能。

图6 不同弯曲应变下压力传感器的电容变化

3 结论

本文设计了一种基于黑磷烯纳米薄片与氧化石墨烯薄膜作为双层电容介质层,ITO为电容极板,柔性PET为基底的电容式柔性压力传感器,并设计了工艺流程进行传感器制作,通过性能测试分析可知该柔性压力传感器的灵敏度最高可达1.60 kPa-1,温度稳定性高。以上研究结果表明用黑磷烯/氧化石墨烯双层材料作为介质层可以有效的提高电容式柔性压力传感器的输出电容特性。