基于MEMS电阻式压力传感器的设计

杜 志，贺建波

(1.阿坝师范学院，四川汶川 623002；2.重庆市地质环境监测站，重庆 401120)

0 引言

在岩土工程中，岩土体结构的稳定性分析对于研究工程中安全，灾害防控问题具有重要的意义[1-2]。而压力传感器可以作为一种直接获取岩土体结构内部应力的常用手段[3]，其中电阻式压力传感器因其结构、制作简单和信号输出稳定等优点，广泛应用于实际工程中[4]。传统的电阻式压力传感器的核心组成部分为电阻应变计[5]，其缺点是：随着时间、外界环境的变化，容易产生较大的时间漂移[6]和温度漂移[7]；同时其基质材料为刚性材料，容易产生机械性破坏[8]。为此本文设计了一种新型电阻式压力传感器，采用高弹性体材料PDMS和导电性好、无毒的新型液态金属材料eGaIn[9]，使得传感器的适用性更广，重复性更好。

1 压力传感器的主要组成部分

1.1 压力传感器弹簧钢外壳

压力传感器的三维效果如图1所示，具体的实物图如图2所示，新型电阻式压力传感器主要由3部分组成：弹簧钢(50CrVA)外壳，硅胶过渡区，PDMS核心区。对于弹簧钢外壳，不仅可以作为压力传感器承担压力主要的结构，有利于减小压力传感器的尺寸，在实际对岩土体结构内部应力分布监测时，有效减小对岩土体体的扰动；同时在长期监测过程中，弹簧钢外壳可以减小外部环境因素(如温度和湿度等)对内部PDMS材料性能的影响，有利于保证压力传感器在长时间的实时监测过程中性能的稳定性。

选择硅胶材料作为压力传感器的缓冲材料，主要用于调节弹簧钢外壳传递的压力，使得施加在内部PDMS核心区的压力趋于均匀分布，传感器的电阻输出信号更加稳定，不会产生突变。

图1 压力传感器的三维效果图

图2 压力传感器的实物图

1.2 压力传感器核心区域介绍

基于液态金属新型电阻式压力传感器核心部分的实物图和三维效果图分别如图3(a)、图3(b)所示，选用的主要组成材料为高弹性体材料聚二甲基硅氧烷PDMS，该弹性体最显著的特点是具有良好的机械耐久性，其延展性可以达到1000%[10]。

(a) 压力传感器核心区实物图

(b) 压力传感器核心区三维效果图图3 压力传感器核心部分

在本实验中，压力传感器的PDMS核心区采用了分层式的布置方式。从图3(b)可以看出压力传感器核心区主要分为3层：上层区域为填充液态水的缓冲带；中间区域为PDMS薄膜层；底层区域为填充液态金属eGaIn的微流孔层。

1.3 压力传感器核心区制作流程

由于软光刻技术已经成熟，其制作流程只做简要介绍。如图4所示，首先将微流孔图形通过高分辨率打印而得到掩膜，然后通过光刻的方法将将该掩模的微流孔图形转移到涂有光胶的基底上，以Su-8负性光胶为例，曝光的部分发生聚合反应而得以保留，未曝光的部分被显影液溶解洗去，留下的图形就作为芯片复制的刚性模。然后，将PDMS聚合物倾倒在刚性模上，进行烘烤使得PDMS预聚体交联固化形成浇铸的图形，从图形的四周切下PDMS芯片并从弹性模上剥离起来，此时芯片管道已经在PDMS上形成凹槽。最后，在适当的地方打孔形成溶液的进出口，将带有图形的PDMS基片与另一片平面结合，进行可逆或者不可逆的封接，完成芯片的制作。

图4 传感器核心区微流孔制作流程示意图

1.4 压力传感器工作原理

基于液态金属新型电阻式压力传感器工作原理如图5所示，施加压力后压力传感器核心区的具体变化示意图如图6所示。当压力施加在压力传感器的表面即弹簧钢外壳时，压力经过弹簧钢材料50CrVA以及中间过渡区硅胶材料的传递，应力经过一定的折减施加在压力传感器核心区弹性体材料PDMS表面。由于压力传感器核心区底部为固定支撑以及上部加压设备为固定约束，引起弹性体两侧面横向变形和垂直方向的受压变形。经过上层PDMS材料的传递，压力间接施加在上层填充液态水的缓冲区，导致缓冲带内产生孔隙水压力，同时对上部的应力有一定的调整，使应力趋于均匀分布。通过中间薄膜层的传递，压力施加压力传感器核心区底部的微流孔层，引起填充在微流孔内部的液态金属电阻值的变化。

当压力p释放以后，由于高分子弹性体PDMS材料、硅胶材料以及弹簧钢材料接近于理想弹性材料，压力释放后无残余变形的积累，弹性体材料能恢复到原有的性能，即压力传感器在压力释放后能恢复到最初状态。

图5 电阻式压力传感器工作原理图

图6 压力传感器核心区变化示意图

2 实验加载及结果分析

2.1 实验布置及加载

试验过程中采用单轴压缩仪器(CMT 5504)施加压力，如图7所示。压力从0到60 kN逐渐增大；压力传感器输出信号电阻的变化值，通过传感器末端连接的直流低电阻测试仪(分辨率和基本精度分别为10 和0.1%)测量。试验重复加载卸载循环测量10次，每次测量的持续时间大约为2～3 min。

图7 压力传感器的试验加载装置示意图

2.2 分段式统计标定分析

通常压力传感器的输入信号输出信号之间并非呈完全的线性关系，而是非线性变化关系，如图8所示。而在实际工作中为了得到刻度均匀的压力传感器设备，通常采用拟合曲线近似地代表实际曲线，两者之间的偏差通过线性度衡量，传统上压力传感器的线性度可以定义为传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差(ΔRmax)与满量程输出(R)的百分比。然而这种评价方式容易受到个别奇异数据的影响，同时线性拟合度不高，因此在本文中采用分段统计学的拟合方式。

根据统计学中相关理论，假定存在测试点集G=G{g(xk,yk)|k=1,2,…,n},xk是压力的平均输入值，yk是电阻的平均输出值，并做如下假设：

x1

(1)

从统计学的角度，输入值是可控制的量而输出值为不确定的变量，因此yk与xk线性关系可以表示为

yk=a+bxk+εk

(2)

根据一元线性回归方程的理论，回归直线可以表示如下：

(3)

同时做出如下假设：

H0∶b=0H1∶b≠0

采用t检验法进行检测，显著性水平取α=0.05；

(4)

(5)

如图8压力传感器的压力电阻试验曲线分段式拟合结果所示，压力传感器在10次加载卸载循环试验中压力电阻之间的对应关系是非线性关系，然而压力传感器在实际工作过程必须具备均匀刻度。因此采用了三段式线性拟合曲线代替实际输出的非线性曲线，相对于传统的一段式拟合方式，三段式拟合曲线能获取更好的线性度及拟合度，同时最大程度地保留了压力传感器的固有特性。最终的拟合曲线方程和显著性分析结果如表1所示，注意到在第一阶段，当压力小于5.5 MPa时，压力值从0 MPa变化至5.5 MPa的过程中，压力传感器的输出信号电阻变化较小，因此在这个阶段可以得到高精度和灵敏度的拟合曲线，应用于低量程高精度领域。而在后2阶段，随着施加压力逐渐增大，压力传感器的输出信号电阻变化值越来越显著，这主要是由于随着压力的增加，微流孔的截面积急剧减小，内部填充的液态金属电阻急剧增大所致。

图8 传感器压力电阻试验曲线分段式拟合结果 (箭头方向分别表示加载、卸载方向)

表1 传感器3个阶段拟合方程和r值

3 结论

本文设计一种基于液态金属新型电阻式压力传感器，其原理是通过采用微流控软光刻技术在高弹性体PDMS中嵌入微流孔，同时填充新型液态金属eGaIn作为压力传感器的核心部分，在表面施加压力时弹性体会产生形变，引起微流层中电阻的变化；最终通过三段式统计学的标定方式获取压力传感器拟合曲线及拟合方程，主要结论如下：

(1)采用高弹性体PDMS和无毒、导电性良好的液态金属作为压力传感器的主要材料，压力传感器重复性、稳定更好，应用领域更广。

(2)压力传感器的核心区采用三层式布置方式：上部缓冲带，中间PDMS薄膜层，底部微流孔层，其中上层缓冲带的设计有效消除了底部微流孔周边的应力集中效应，同时对微流孔层的应力产生一定的折减效应。

(3)采用分段式统计学的标定方法，获得了拟合度和线性度更好的拟合曲线，同时更好地保持了压力传感器的固有特性。