基于模板法的可控微裂纹传感元件加工方法研究

戚宏梓 杨智航 王可军

苏州大学机电工程学院 江苏 苏州 215100

1 导言

裂纹从宏观的角度看确实会成为一种缺陷,众多的学者也曾潜心研究如何克服这种缺陷,尽力地去规避材料产生裂纹的情况,而近年来有学者从仿生角度发现了微观视角下的裂纹还可以有许多其他实际性的应用。路甬祥院士曾指出:“人的创造欲是科技创新的根本动力,自然和社会是我们认知和创新服务的对象,也是我们学习的最好老师”[1]为了适应自然界的各方面条件与需求,自然界的生物都进化出了具有独特功能的优秀结构,为人类科学技术革新带来了灵感。由聚合物基底和带有纳米裂纹的金属膜所组成的基于纳米裂纹的柔性应变传感器的理论依据是:宏观角度被视为材料缺陷的裂纹在微观角度可以实现有效的控制与图案化。当对传感器施加微小的应变时,由于量子隧穿效应,纳米裂纹边界的连接变化将导致应变传感器的电阻发生急剧变化,因此它具有极高的应变灵敏度系数。目前三种方法对裂纹进行控制和图案化是弯曲法,拉伸法与应力集中法[2]。上述方法都可解决裂纹的随机性问题。但所产生的裂纹的蔓延与传播都是由金属材料本身的性质与随机缺陷决定的,故很难精确控制裂纹位置、长度、密度等参数,这使得弯曲法与拉伸法都具有很大的局限性,对精度要求较高的领域就无法使用。而集中应力法可针对应力集中对裂纹进行精确的图案化控制,目前常见的应力集中手段是在基底上制作应力集中的微结构,虽然这种方法可以有效的控制裂纹位置、密度、长度等参数,但用于应力集中的孔槽结构制作难度较高,若遇到裂纹制作要求的面积较大的情况,更是要制作许多应力集中结构,这很大程度上增加了整体制作难度,因此这种方法主要用于较小尺寸与范围的裂纹制作,一般制作长度仅为几百微米。

2 相关理论的研究与分析

2.1 量子隧穿效应 在量子力学中,量子隧穿效应指可以穿越或穿入位势垒的微观粒子(例如:电子)的一种量子行为,就是使微观粒子的总能量低于位势垒的高度。在量子隧穿效应中,微观粒子的透射系数是会随着势垒高度的变化而急剧改变的,将该关系映射到裂纹与电子之间的关系,可以证实即使是特别微小的应变引起的裂纹参数细微的变化也会导致电子透过率的大幅改变,从而引起明显的电阻阻值变化[3],将该关系反映至应变传感器的灵敏度系数的公式中即为:GF=(R/R0)/ε式中R为电阻的阻值变化量,R0为初始阻值,(R/R0)表示应变传感器在受应变时的电阻变化率,ε为传感器所受应变量,两者相除可表示在承受应变时,应变传感器感应信号的灵敏度水平,若其值越高,传感器的灵敏度就越高。由量子隧穿效应中粒子与势垒高度变化的关系的特性,可以明确基于微裂纹的传感器在受到微小应变量时也能拥有很高的阻值变化率,即超高的灵敏度。

2.2 裂纹图案化方法与机理研究 本文采用的裂纹图案化方法为基于模板法刷涂环氧树脂控制中性层,大致过程为:使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜作为样片基底,再使用金(Au)和铬(Cr)相粘合作为样片金属层,利用激光切割的方法切割出环氧树脂形状所需模板,再利用模板进行环氧树脂的刷涂,最后再布线、封装、进行弯曲以产生通过环氧树脂控制好的裂纹图案。

分析本文所采用的基于模板法控制环氧树脂图形从而控制裂纹图案化的理论基础,此处对模板法进行了材料力学方面的分析得到相关公式为:

由于d1远小于d2,在使用相等曲率半径的圆弧进行弯曲的情况下,无环氧树脂层的金属表面所受拉伸应变ε1明显大于有环氧树脂层的金属表面所受拉伸应变ε2。若金属表面所受应变量超过其断裂应变量后便会发生断裂,并且产生裂纹,因此无环氧树脂覆盖的金属层较于有环氧树脂覆盖的部分更易出现裂纹,从而达到控制裂纹位置、密度等参数,实现裂纹图案化的目的,而且在后续实际操作过程中,实验的结果与上述材料力学分析的结果都基本吻合。在对本文提出裂纹图案化方法进行理论基础分析后,后续的实际操作和实验部分皆以上述理论为基础。

3 可控微裂纹传感元件的制备工艺

3.1 拉伸平台的搭建 本文所搭建平台的主要设计思路是,利用不同曲率半径的圆棒来满足圆弧面的要求,要固定圆棒的位置需要一个圆棒夹具体,本文设计的圆棒夹具体由夹具底座、刀片夹具座、圆棒夹具以及加强筋装配而成。圆棒上端的螺纹孔既可以用于圆棒的夹紧,也可以用于更换曲率半径略低于孔的公称半径的圆棒,制备时只需要将夹具体底座固定到实验台上即可完成对产生可控裂纹所需特定曲率半径的圆弧的固定。

本文对夹持底座和夹具进行特殊设计,使得位移台可以产生一定频率的往复运动,砝码也保证了每一次弯曲的拉伸力度相同,从而达成了在金属样片上精确的产生可控裂纹的要求。

3.2 样片材料的选取 本文的样片制备采用的是以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜作为样片基底,在基底上镀一层金(Au)和铬(Cr)相粘合的金属层,再在金属层上利用模板法刷涂一层环氧树脂作为保护层,最后是旋涂一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为保护层。完整的样片是由这四层材料组成的。

3.3 传感元件的制作 本文提出的基于模板法制备的微裂纹传感元件,是以PET薄膜为基底,Au与Cr作为金属层喷涂于基底上,再根据所需裂纹密度和位置使用激光切割出环氧树脂模板并利用模板刷涂一层环氧树脂作为保护层,之后布上电极线,再使用PDMS进行封装,最后在拉伸平台上进行往复拉伸弯曲以产生可控裂纹。

4 对微裂纹应变传感元件的测试

4.1 传感元件的性能测试 本文所描述的模板法制备加工出的微裂纹应变传感器的性能主要依靠灵敏度、重复性、迟滞性来衡量,故对其进行此方面的测试。

4.1.1 灵敏度测试 灵敏度衡量了微裂纹应变传感器在受到应变时的阻值变化程度。从图4.1中可以直观的看到,在承受拉伸应变时,应变传感器的相对电阻值(ΔR/R0)随着应变的增加而呈指数拟合式急剧上升,GF也随之急剧增大,灵敏度极高。这对于实现微裂纹应变传感器高灵敏度要求方面的应用具有重要的指导性和实验依据。

4.1.2 重复性测试 重复性是反映应变传感器多次重复运行稳定性的重要性能之一,也是衡量微裂纹应变传感器实际使用价值的一项重要指标。此处主要考虑传感器样片在重复弯折时相对电阻(R/R0)的标准偏差和相对标准偏差。计算得知,采用模板法制备的微裂纹传感器样片在前20秒的724次循环拉伸实验中的STD值为0.2478,RSD值为6.6471%,即使在相对阻值波动最大的100-150s时间区间内,STD值也仅有0.5941,RSD值为13.5787%,可见利用本文提出的模板法制备出的微裂纹应变传感器具有良好的重复性。

4.1.3 迟滞性测试 为了准确定义微裂纹传感器的滞后性能,需要计算迟滞程度DH,如下公式所示DH=(AS-AR)/AS×100%

DH值越小代表微裂纹传感器的滞后程度越小,滞后性能越好,式中AS与AR分别代表着微裂纹传感元件加载和卸载过程中拟合曲线与横轴围成的面积,拟合曲线的表达式如图3.3所示,分别对两个拟合曲线进行定积分运算,可得AS=16.5455;AR=14.1878;从而计算出DH值为14.2498%,可见利用模板法制备出的微裂纹应变传感元件具有较好的迟滞性能,可以进行重复拉伸和释放实验。

4.2 人体信号的检测 本文描述的微裂纹传感器可以灵敏的检测人体的呼吸、脉搏等生理信号,这为微裂纹传感器的医疗监测,电子皮肤等的应用打下了实验基础。

4.2.1 呼吸信号的检测 呼吸是人体最重要的生理信号之一,呼吸所传递的信息很大程度上可以反映一个人的生理健康状态。当人体进行呼吸时,胸腔随着吸气膨胀;随着呼气收缩,进而导致紧贴于胸腔处的微裂纹传感元件产生拉伸应变,从而导致电阻发生剧烈变化。从而可以灵敏且实时的监测人体呼吸的频率、幅度等各方面呼吸信号,这也为其在未来智能的医疗器械的应用中打下了坚实的基础。

4.2.2 脉搏信号的检测 采用本文所提出的模板法制备的微裂纹传感器同样具有优秀的脉搏检测能力。

结束语

本文通过现有的传感器技术与微裂纹制备技术综合归纳出了一种以模板法为基础的可控微裂纹传感元件的加工方法,并且通过理论和实践角度证明了这个方法的可行性。实际采用基于模板法的可控微裂纹传感元件的加工方法进行了传感元件的完整制备;并对制备出的传感元件样片进行了各方面性能测试以证明基于本文提出的模板法制备出的传感元件具备了优异的性能和实用价值。其利用裂纹传感应变信号的特殊性与隧穿效应,再加上纳米级的尺度范围,使得基于可控微裂纹的应变传感元件往往具有超高的灵敏度,优秀的重复性能和迟滞性能,以及传统机械量传感器难以实现的小型化和可穿戴性;并且采用本文提出的基于模板法制备出的传感元件已经可以凭借其出色的性能实现实时且详细的监控人体生理信号的实用价值。