一种快速响应的纳米裂纹应变传感器

宋晓圆 刘军山

摘要：为了在聚酰亚胺（polyimide ，PI ）基底上实现纳米裂纹的图案化，提出了一种利用不同金属薄膜在柔性基底上的延展性差异引导纳米裂纹可控分布的方法，制作出了一种具有快速响应能力的纳米裂纹应变传感器。在 PI 基底上先溅射了一层铬薄膜，对铬薄膜图形化后再溅射了一层金薄膜，制作了一种 PI基底-图形化铬中间层-金薄膜的结构。使用电子动静态万能材料试验机拉伸 PI基底，并使用扫描电子显微镜观察表层金薄膜纳米裂纹的产生情况，因为 PI 基底上的铬薄膜与金薄膜存在明显的延展性差异，金薄膜上的纳米裂纹仅在铬薄膜的存在区域内产生，产生方向与拉伸方向垂直，成功实现了金薄膜上纳米裂纹的可控分布。基于提出的纳米裂纹图案化方法，进一步在 PI 基底上制作了一种纳米裂纹应变传感器，并对制作的纳米裂纹应变传感器进行了测试。测试结果表明，制作的纳米裂纹应变传感器的响应时间短于16 ms ，具备快速响应的能力。

关键词：应变传感器;纳米裂纹;快速响应;聚酰亚胺

中图分类号：TP212                文獻标志码：A

文章编号：1009-9492（2021）12-0007-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

A Fast-response Nanocrack-based Strain Sensor

Song Xiaoyuan ，Liu Junshan ※

（ Key Laboratory for Micro/Nano Technology and System of Liaoning Province， Dalian University of Technology， Dalian， Liaoning 116024， China）

Abstract： In order to realize the patterning of nanocracks on polyimide （PI） substrates， a method to induce the controllable distribution of nanocracks  via  the  difference  in  stretchability  of  different  metal  films  on  a  flexible  substrate  was  proposed，  and  a  fast-response nanocrack-based strain sensor was fabricated. A chromium film was sputtered on a PI substrate， and a gold film was sputtered after patterning the chromium film. A PI substrate-patterned chromium intermediate layer-gold film structure was obtained. The PI substrate was stretched using the electronic dynamic and static universal material testing machine and the occurrence of nanocracks in the gold film was observed using the scanning electron microscope. Due to the obvious difference in stretchability between the chromium film and the gold film on the PI substrate， the nanocracks in the gold film were only occurred in the area supported by the chromium intermediate layer， the direction of the pattern was perpendicular to the stretching direction， and the controllable distribution of nanocracks in the gold film was realized. Based on the proposed nanocracks patterning method， a nanocrack-based strain sensor on the PI substrate was further fabricated and tested. The results showed that the response time of the nanocrack-based strain sensor was shorter than 16 ms， achieving a fast response.

Key words： strain sensor; nanocrack; fast-response; polyimide

0 引言

应变传感器是一种通过测量物体的相对变形量来获取对应物理量信息（应变[1-3]、压力[1， 3]、温度[4]、振动[1]等）的传感器，被广泛应用于生理信号采集[1， 3]、人机交互[5]等领域。其中，纳米裂纹应变传感器相对于传统金属应变片具有更高的灵敏度[6-7]。在柔性基底上实现金属纳米裂纹的精准、可控分布，能够极大地提升相应的柔性电子器件的性能，具有重要的科学意义和实际应用价值。目前，研究人员围绕纳米裂纹开展了许多方面的应用研究，但纳米裂纹应变传感器仍亟待开发。

纳米裂纹应变传感器的性能受到了表层薄膜裂纹图案的直接影响[7]。控制纳米裂纹应变传感器的性能，建立一种精确控制金属纳米裂纹图案的方法，一直是国内外专家学者研究的热点。2021年，大连理工大学的 Liu 等[8]提出了一种光刻辅助纳米裂纹图案化（Photolithogra? phy-assisted nanocrack patterning ， PAnCP）的方法，通过在聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane ，PDMS）基底上对光刻胶图形化，选择性地保护了 PDMS基底上的金薄膜，当以一定的曲率弯曲基底时，金薄膜只在无光刻胶保护的位置出现了纳米裂纹，从而实现了对裂纹的位置、密度、长度、形状等特征的有效控制。并且，该方法打破了对表层金属薄膜材料的限制，同样适用于 PDMS基底上铂、银和铜薄膜的纳米裂纹图案化[8]。

此外，纳米裂纹应变传感器的性能也受到了聚合物基底材料性能的影响[7]。比如：常用的 PDMS基底由于其杨氏模量较低，很难实现纳米裂纹应变传感器的快速响应[7]，武汉大学的 Luo 等[4]在 PDMS基底上制作了一种纳米裂纹应变传感器，响应时间约60ms 。PI 薄膜的杨氏模量比 PDMS高4个数量级，会使 PI 基底的纳米裂纹应变传感器具有更快的响应[7， 9， 10]，韩国亚洲大学的 Kim 等[11]制作的一种 PI 基底的纳米裂纹应变传感器响应时间为5 ms 。PI 薄膜具有优异的柔性和热稳定性，常被用作柔性电子器件的基底材料。但是，目前在 PI 基底上实现纳米裂纹的图案化仍是一个挑战。

本文利用铬薄膜与金薄膜在 PI 基底上的延展性差异，将脆性的铬薄膜作为底层材料并对其进行图形化处理，制作了一种 PI 基底-图形化铬中间层-金薄膜结构。这种具有一定图案特征的铬薄膜，选择性地引导了具有高延展性的金薄膜在 PI 基底上产生纳米裂纹，在 PI 基底上实现了对表层金薄膜纳米裂纹图案的有效控制。利用该方法，本文制作了一种 PI 基底的纳米裂纹应变传感器，其响应时间短于16 ms ，具备快速响应的能力。

1 实验部分

1.1 PI基底制备

本文采用拉伸的方式来引导 PI 基底上的金属薄膜产生纳米裂纹。为了便于拉伸仪器对 PI 薄膜进行拉伸，本文选用厚度约为25μm的PI 薄膜（100HN Kapton Polyimide film ， DuPont ，美國）作为基底，将其切割为73 mm×23mm的长条形状，并将其平铺在载玻片上，利用 PI 胶带固定。接着，依次使用丙酮、乙醇、去离子水清洗 PI 基底各5min ，以减少 PI 基底表面粉尘和有机物颗粒的附着，保证后续沉积的金属薄膜的均匀性。

1.2 PDMS夹具制备

在拉伸 PI 基底的过程中，由于拉伸仪器的夹具表面具有凹凸不平的特点，使用这种夹具直接夹持25μm厚的 PI 基底，容易导致基底产生应力集中，在拉伸过程中致使基底的端部发生断裂。因此，本文使用 PDMS夹具对 PI 基底与夹具接触的表面进行保护。

PDMS 夹具的具体制作过程为：将 PDMS （Sylgard 184，Dow Corning Corporation ，美国）的预聚物与固化剂按照10∶1的体积比配备，在盛有 PDMS混合物的容器内充分搅拌均匀;使用保鲜膜密封容器，静置;待气泡基本消失后，将 PDMS倒进由铝箔胶带包裹好的玻璃基板上，上下左右摇晃，使得 PDMS混合物充满整片玻璃基板;将玻璃基板放置在调平的平台上，置于电热鼓风干燥箱（101-0AB 型，天津市泰斯特仪器有限公司，中国）中，在85℃的条件下加热2 h ，并随炉冷却;使用手术刀将固化后的 PDMS从玻璃基板四周边缘分离，然后缓慢撕下，使用保鲜膜封装保存;最后，将 PDMS裁切成30 mm×15 mm的小块备用。

1.3 纳米裂纹的制作

PI 基底上可控产生纳米裂纹的具体制作工艺如图1所示。

铬薄膜的溅射与图形化如图1（a）所示。首先，使用溅射台（JS3X-80B ，中科院微电子中心，中国）在 PI 基底上以150 W 的功率溅射一层厚度18 nm 的铬薄膜。接着，使用匀胶机（ KW-5，中国科学院微电子研究所，中国）在铬薄膜表面旋涂一层正性光刻胶（ BP212，北京化学药品研究所，中国），具体的旋涂过程为，先在600 r/min的条件下低速旋转9 s ，再在2500 r/min的条件下高速旋转30 s;将样片放置在85℃的热板上前烘35min，使用光刻机（MA/BA6， SUSS MicroTec ，德国）对光刻胶进行曝光，曝光剂量为350 mJ/cm2;将样片放入0.5%的 NaOH溶液中显影30 s ，放入去离子水中清洗样片表面残留的显影液，并吹干。然后，使用 H4CeN2O3、HClO4和 H2O 的混合溶液（对应的配制比例为10 g ∶9 mL ∶100 mL）腐蚀铬薄膜约20 s ，用丙酮去除样片表面及载玻片上残留的光刻胶。最后，依次使用乙醇、去离子水清洗样片和载玻片，并吹干。

金薄膜的溅射与图形化如图1（b）所示。首先，使用溅射台在图形化铬薄膜表面溅射一层厚度27 nm的金薄膜，溅射功率为150 W 。接着，使用与图1（a）相同的工艺图形化正性光刻胶。然后，使用 I2、KI 和 H2O 的混合溶液（对应的配制比例为1 g ∶5 g ∶50 mL）腐蚀金薄膜，腐蚀时间为15 s 。最后，使用丙酮去除残留的光刻胶，依次使用乙醇、去离子水清洗样片，并吹干。

拉伸制作纳米裂纹如图1（c）所示。首先，将先前制作的 PDMS夹具分别夹在PI 样片的两端。接着，将样片安放在电子动静态万能材料试验机（ E3000，Instron，美国）上，对样片进行拉伸，并使用红外非接触式视频引伸计实时监测 PI 薄膜的实际应变量，当显示的应变量达到设定值时停止拉伸，保持该状态约30 s后，释放样片。

2 结果与讨论

2.1 薄膜材料与结构设计

PI基底上的铬薄膜与金薄膜之间存在明显的延展性差异，PI基底-铬薄膜-金薄膜结构相对于PI基底-金薄膜结构，更容易在表层金薄膜上拉伸产生裂纹[12] 。本文利用铬薄膜与金薄膜在PI基底上的延展性差异，通过图形化铬薄膜的方法，制作了一种PI基底-图形化铬中间层-金薄膜的结构，在金薄膜与PI基底之间选择性地分布了具有特定图案的铬层。这种图形化的铬中间层，可对 PI 基底上金薄膜纳米裂纹的产生区域进行有效的控制，使得在较低的拉伸应变下，PI基底上的金薄膜仅在铬薄膜的存在区域内产生纳米裂纹。基于上述工艺制作的样片实物如图2所示。其中，本文制作的金薄膜图案为 5 mm×10 mm的长方形图案;制作的铬薄膜图案为10条宽度均为20 μm的长条阵列结构，阵列间隔为0.98 mm。

2.2 PI基底上纳米裂纹分布的控制效果

将图 2 所示的样片拉伸，最大的预拉伸应变约为 3%，使用扫描电子显微镜（SU8220，日本株式会社日立高新技术，日本）观察PI基底-图形化铬中间层-金薄膜结构的表层金薄膜纳米裂纹的产生情况，观察结果如图 3所示。由图可知，图形化的铬薄膜可对PI基底上金薄膜的纳米裂纹分布产生有效的控制，保证了金薄膜上纳米裂纹仅在铬薄膜的阵列图案内产生，产生的纳米裂纹具有一定的排列规律，排列方向与拉伸方向垂直。

2.3 PI基底应变传感器的响应时间

在金薄膜图案两端用导电银浆分别焊接上两根金导线，制作出了一种纳米裂纹应变传感器。使用电子动静态万能材料试验机对该种纳米裂纹应变传感器施加应变，施加的频率为0.2 Hz;使用红外非接触式视频引伸计实时监测传感器的实际应变量，测量的最大应变在2% 左右;同时，使用数字万用表（PXIe-4081，National In? struments，美国）实时监测传感器的电阻变化。得到的应变曲线和相对电阻变化曲线如图4所示，经计算得到该传感器的响应时间短于16 ms，说明本文制作的纳米裂纹应变传感器具备快速响应的能力。

3 结束语

本文基于铬薄膜与金薄膜之间明显的延展性差异，制作了一种 PI 基底-图形化铬中间层-金薄膜的结构，通过对该结构进行拉伸，该结构的表层金薄膜可产生具有一定分布规律的纳米裂纹，纳米裂纹仅在铬薄膜的阵列图案内产生，同时，纳米裂纹的排列方向与拉伸方向垂直。本文通过这种图形化铬中间层的方式对表层金薄膜纳米裂纹的图案进行了有效控制，实现了 PI 基底上表层金薄膜纳米裂纹的精确、可控制造。基于前述的 PI 基底纳米裂纹图案化方法，本文制作了一种 PI 基底的纳米裂纹应变传感器，并对该传感器的响应速度进行了测试。测试结果表明，本文制作的纳米裂纹应变传感器具有快速响应的能力，响应时间短于16 ms。

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第一作者简介：宋晓圆（1996-），女，湖南长沙人，硕士研究生，研究领域为柔性应变传感器。

※通讯作者简介：刘军山（1975-），男，研究员/博士生导师，研究领域为聚合物微纳制造。

（编辑：王智圣）