基于微半球结构液态金属弹性体的柔性电容式压力传感器

钟雅琪，张东光，张兴芳，杨嘉怡

(1.太原理工大学化学化工学院，山西太原 030024；2.太原理工大学机械与运载工程学院，山西太原 030024； 3.西安科技大学计算机科学与技术学院，陕西西安 710054)

0 引言

近年来，可穿戴电子设备、柔性触摸屏、软体机器人等柔性电子领域发展迅速[1-3]。与传统的刚性传感器相比，柔性、可拉伸的传感器具有共形特性，可以有效测量曲面特征的力学、温度等敏感信号。因此，设计高灵敏度和高适应性的柔性压力传感器，在柔性电子领域具有较大的应用潜力。根据传感原理，柔性压力传感器主要分为电阻式[4]、压电式[5]、电容式[6-7]、摩擦电式[8]4种。其中，柔性电容式压力传感器因结构简单、动态响应好、稳定性高、功耗和成本低等显著优点始终是研究热点之一，但如何提高该类型传感器的灵敏度，也是困扰研究者的瓶颈问题。

目前，研究者主要通过设计介电层的微观结构来提高柔性电容式压力传感器的灵敏度。比如在介电层表面设计金字塔形[9]、泡沫状[10]、玫瑰花瓣[11]、荷叶表面乳突[12]、纳米线阵列[13]等微纳米结构。但是，制作这类微观结构通常需要使用光刻技术或直接复刻植物表面结构，存在工艺复杂、耗时长、成本高等缺陷。研究者进一步提出在柔性聚合物材料中添加高介电常数、低介电损耗填料的方法，改善介电层的介电性能，提高传感器灵敏度。通常选择的填料包括石墨烯[14]、还原氧化石墨烯(RGO)[15]、碳纳米管(CNT)[16]等碳基材料，以及金属纳米颗粒[17]、导电聚合物及半导体聚合物[18]等刚性填料。

本文提出一种基于微半球结构液态金属(liquid metal，LM)弹性体的柔性电容式压力传感器。采用模板法加工出具有微半球结构的介电弹性体；通过混合Ecoflex 00-30和镓铟锡液态金属(Galinstan)提高介电弹性体的介电常数。该传感器同时改变了介电层微观结构和介电常数，从而有效提高传感器的灵敏度。其中，液态金属作为柔性填料，一方面保持了金属特性(如导电性等)，另一方面解决了刚性填料在介电弹性体中的应力集中和弹性模量不匹配问题，显著提高了介电层的可压缩性和强度。将其用于氢燃料电池组气压泄漏检测，有望取得良好的实验效果。

1 柔性电容式压力传感器

1.1 传感机理分析

柔性电容式压力传感器等同于平行板电容器，呈现为典型的“三明治”结构，包括：顶部/底部电极和中间绝缘介电层。电容由式(1)表示为

(1)

式中:ε0、εr分别为真空、介电层的相对介电常数；A为上下极板重合面积，m2，d为两个极板之间的垂直距离，m。

传感器的电容变化主要通过动态改变介电层参数，包括共同改变d和εr的参数而实现。具体而言，通过设计介电弹性体表面微观结构，改变了极板之间的垂直距离d；混合液态金属改变了介电弹性体的相对介电常数εr；从而提高传感器的灵敏度。

综合以上效应，具有微半球结构的介电层在单位压力作用下，形变相对较高，极板之间垂直距离(d)易于在微小压力下发生变化。在压力作用下，微半球结构被压缩，上下极板间的空气被挤压出去，被具有高介电常数的液态金属弹性体代替，相对介电常数(εr)显著提高，如图1所示。

图1 微半球结构柔性电容式传感器原理

1.2 材料的选择

Ecoflex 00-30是一种铂催化的有机硅树脂，其A、B 2种组分按照体积比(1∶1)配比，充分搅拌后，发生交联和催化反应可生成具有低杨氏模量的弹性体，拉伸性能可达700%[19]。将该材料用作介电弹性体，可以保持良好的力学性能。

镓铟锡液态金属(Galinstan)合金凝固点为-1.4 ℃，镓(Ga)∶铟(In)∶锡(Sn)=67.3∶19.2∶13.5(质量比)，具有低熔点、低毒性、高导电性、高流动性等理化性质[20]。将该材料用作介电弹性体柔性填料，在压力作用下，液态金属液滴可始终保持离散状态。

柔性电极采用长、宽均为2 cm，厚度为500 μm的柔性印刷电路板(FPCB)。正面焊接2根导线用于传感性能测试，反面紧贴微半球结构弹性体的上、下表面，受压力作用传递传感器的电信号，如图2所示。

(a)柔性电极正面图

(b)柔性电极反面图

1.3 介质层结构设计与制备

采用模板法和混料法制备介电弹性体及其表面微半球结构，如图3所示。使用激光打标机以速度150 mm/s、功率100%在5 cm×5 cm×0.5 cm的铜模板上进行3次连续加工，形成半径为1 mm的7×7半球型阵列；使用1000目、3000目、5000目砂纸对铜模板表面进行抛光打磨；将铜模板依次置于1 mol/L稀盐酸、丙酮、无水乙醇、去离子水中进行超声清洗5 min；放入80 ℃鼓风干燥箱中干燥5 min，直至铜模板表面液体完全蒸发。待铜模板冷却后，在表面喷涂脱模剂，便于剥离铜模板与固化后的弹性体。

使用真空脱泡搅拌机将Ecoflex 00-30溶液的A部分和B部分以1∶1的体积比混合；在上述溶液中加入不同体积分数的镓铟锡合金溶液后持续搅拌，使液态金属液滴均匀分散在弹性体中。使用匀胶机将混合溶液以370 r/min的速度旋转18 s，在铜模板上表面形成厚度约为500 μm的介电弹性体。

图3 微半球结构柔性电容式传感器制备流程

在鼓风干燥箱中以80 ℃固化5 h后脱模，得到具有微半球结构的介电弹性体。将其切成2 cm×2 cm规格的正方形，置于柔性电极之间进行封装和测试。

2 传感器的表征与分析

2.1 介电弹性体表征

介电弹性体表面微半球结构的高度为1 mm，具有良好的柔韧性，能够完好地与曲面共形。通过扫描电子显微镜(SEM)观察可知，微半球结构均匀分布在介电弹性体表面上，如图4所示。

(a)微半球表面结构

(b)微半球结构SEM图

2.2 结果与分析

通过电子万能试验机(CMT6103)控制测试过程中施加的压力，在0～60 kPa的压力范围内进行测试；传感器极板引出的导线连接到LCR数字电桥(HIOKI IM3536)上，在1 V和1 MHz的信号下实时测量柔性传感器的电容值，使用远程接口模式连接到PC，并用于收集数据，传感器测试平台如图5所示。

图5 传感器测试平台

2.2.1 微半球结构对传感器灵敏度的影响

灵敏度是衡量柔性电容式压力传感器性能的重要参数之一，灵敏度S由式(2)表示：

(2)

式中：C0为传感器的初始电容值，pF；p为施加给传感器的压力，kPa；C为施加压力p时传感器的电容值，pF。

使用单一材料Ecoflex作为介电弹性体，研究弹性体表面微半球结构和平板结构对传感器灵敏度的影响。以1 mm/min的恒定速度将0～60 kPa压力施加于传感器表面。随着压力增加，传感器的电容变化率明显增大，电容变化率与压力之间的关系如图6所示。为便于分析，将图6中曲线分为较小压力范围(0～10 kPa)和较大压力范围(10～60 kPa)2个区域。由式(2)计算可知，在较小压力范围内，平板结构表面传感器的灵敏度为0.055 6 kPa-1，微半球结构表面传感器的灵敏度为0.216 kPa-1，灵敏度提高3.8倍。与平板结构相比，在整个压缩过程中，微半球结构发生弹性形变。当微半球结构受压时，弹性体填充结构间隙，减小极板之间垂直距离，增强电容变化量，提高了传感器的灵敏度。

图6 不同结构弹性体电容变化率-压力变化曲线

2.2.2 不同LM体积分数对传感器灵敏度的影响

在Ecoflex弹性体中添加体积分数为0%、10%、20%、30%和40%的液态金属，研究不同体积分数液态金属对具有微半球结构传感器灵敏度的影响，如图7所示。随着液态金属含量的增加，传感器灵敏度逐渐增大，如表1所示。

图7 不同体积分数液态金属弹性体电容变化率-压力变化曲线

表1 LM体积分数与灵敏度关系

实验结果表明，在测试范围内，最大应变为70%，液态金属体积分数为40%时，电容变化率最大，灵敏度最高，达到0.721 kPa-1。与未混合液态金属的微半球结构弹性体传感器相比(灵敏度为0.216 kPa-1)，灵敏度提高到原值的3.3倍。将液态金属作为柔性填料，显著增加了电容变化量，提高了传感器灵敏度。

2.2.3 传感器性能测试

为了评估微半球结构液态金属弹性体柔性电容式压力传感器的实时响应特性，采用加载压力的方式检测响应时间，如图8所示。在50 Pa压力作用下，ΔC/C0在450 ms内从0.02变化至0.22，响应速度快，接近人体的响应时间。

图8 微半球结构液态金属弹性体传感器响应特性

为研究传感器在超低压力下的敏感性能和稳定性，依次将0.05 mL的水滴落于传感器上，一滴水相当于施加约为1.23 Pa的压力，如图9所示。当一滴水滴落于传感器时，电容变化超过0.9 pF，压力数据被传感器有效捕获。

图9 微半球结构传感器对超低压力的电容响应

对微半球结构液态金属弹性体柔性电容式压力传感器进行200次8 kPa加载/卸载循环测试，结果如图10所示。图10显示，在电子万能试验机1 mm/min的测试工况下，每个循环的电容响应值相同。经过200次压缩试验，在相同的压力值时，电容变化率没有显著改变，传感器性能稳定。

3 传感器应用测试

车载氢燃料电池的气体压力与安全性紧密相关。电池单体内部发生部件错位、密封圈失效等情况，会造成反应气体(氢气、空气)泄漏，诱发电池性能衰减，甚至发生起火爆炸等危险情况。在氢燃料电池连接处安装柔性压力传感器，对监测电池健康状态至关重要。

图10 微半球结构传感器的稳定性测试

3.1 气压泄漏测试装置的搭建

氢燃料电池组由3个单体电池组成，内部正常工作压力约为0.16 MPa。单体电池由端板、绝缘板、集流板、双极板和膜电极构成。通过空气压缩机、调压阀和PU气管控制压力，可以模拟氢燃料电池组工作时的气压泄漏情况。将微半球结构液态金属弹性体柔性电容式压力传感器安装在电池组连接处，由LCR数字电桥测量传感器的实时电容响应，如图11所示。

图11 氢燃料电池气压泄漏测试装置

3.2 氢燃料电池气压泄漏测试

调整氢燃料电池组密封性，气体将从双极板中泄漏。使用空气压缩机调节气压从0增加到0.5 MPa，通过PU气管传递给电池组，由传感器感知气体压力。每隔0.09 s记录采集的电容，多次测试后取平均值，气体压力和传感器电容变化关系曲线如图12所示。采用最小二乘法对电容数据进行拟合，可得电容值与气压的关系为

C=0.076p+3.485

(3)

式中：p为传感器表面受到的压力，kPa；C为传感器受到压力p时的电容值，pF。

图12 气体压力和压力传感器电容变化关系曲线

拟合曲线方程确定系数R2为0.99，曲线拟合效果较好，如图13所示。根据实际曲线与特定拟合直线之间的接近程度，计算实验输出数值与拟合曲线的最大偏差，对传感器进行非线性校正。拟合曲线与传感器实际测量曲线之间最大的偏差为0.023 3，经计算得到传感器的非线性度误差为0.06%。

图13 压力传感器压力-电容拟合曲线

图14 传感器初始电容值24 h变化曲线

为考察传感器初始电容的稳定性，在不施加任何压力的情况下，将电池组连接处的传感器放置24 h，每隔4 h记录1次电容值。实验结果表明，电容值波动不超过0.003 pF，传感器具有良好的稳定性和可靠性，如图14所示。

4 结论

本文提出了一种柔性电容式压力传感器，采用模板法和混料法设计制备了具有微半球结构的液态金属介电弹性体。微半球结构和液态金属填料显著增强了传感器的电容变化，使其具有灵敏度高(0.721 kPa-1)、响应时间短(<450 ms)、检测极限低(约1.23 Pa)、动态响应范围宽(0～8 kPa)和稳定性好(>200次)的优良特性。将该传感器应用于氢燃料电池气压泄漏检测，可以实现对气压变化(0～0.5 MPa)的实时响应。该传感器在氢燃料电池安全监测领域具有潜在的应用价值。