赵学峰,崔建利,高 飞,张志东,闫树斌*

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;2.陆军西安军事代表局驻咸阳地区军事代表室,陕西 咸阳 712000)



基于CNTs/PDMS介电层的柔性压力传感特性研究*

赵学峰1,崔建利1,高 飞2,张志东1,闫树斌1*

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;2.陆军西安军事代表局驻咸阳地区军事代表室,陕西 咸阳 712000)

提出一种基于MEMS工艺的柔性压力传感器制备方法。采用MEMS工艺制备柔性压力传感器模板,结合纳米压印技术、射频磁控溅射技术和PDMS软光刻工艺在PDMS柔性基底上制备了具有“V”型阵列微结构的Ag薄膜平行板电极,基于碳纳米管(CNTs)/PDMS聚合物的压电容特性,制备出电容式柔性压力传感器。针对不同尺寸的压力传感器进行对比测试,本文制作的压力传感器的灵敏度能够达到3.98% kPa-1,具有良好的重复性,在智能穿戴和电子皮肤等方面有着广阔的应用前景。

柔性压力传感器;“V”型平行板电极;MEMS;PDMS

传感技术是现今社会测量、测控和智能自动化系统的重要功能单元之一,传感技术的研究与发展成为了每个国家十分重视的发展领域[1-3]。近年来,柔性电子技术以其巨大的性能优势与快速的发展速度在世界范围内掀起一场技术革命[4-5]。柔性传感器的研究也成为研究人员面临的新挑战、新领域[6]。

从国内外对柔性传感器的最新研究来看主要为柔性压力传感器的研究,常用的柔性衬底材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂PET(Poly Ethylene Terephthalate)、聚偏氟乙烯PVDF(Polyvinylidene Fluoride)薄膜、聚乙烯二氧噻吩PEDOT(Poly ethylenedioxythiophene)导电聚合物[7-8]等,基于银纳米线[9-10]、碳纳米管[11-13]实现柔性压力传感器制备,但存在着金属材料与柔性衬底容易脱落、发生较大形变时金属电极容易断裂导致传感器失效的问题。

本文基于MEMS工艺技术制作了一种具有“V”型微电极结构的电容式柔性压力传感器。针对金属材料与柔性衬底粘附性差的问题,实验中选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性衬底材料,金属Ag作为电极材料,并利用plasma工艺对PDMS柔性衬底表面进行修饰处理用于增强金属Ag与PDMS的粘附性,设计的“V”型阵列微电极结构有效解决了柔性压力传感器在发生较大形变时金属电极产生断裂的问题,利用碳纳米管/PDMS聚合物作为介电层,改善了传感器的灵敏度。

1 实验部分

1.1 平行板柔性电极的制作

柔性压力传感器制备工艺流程如图1所示,工艺简单概括为:(1)氧化;(2)光刻;(3)湿法腐蚀;(4)纳米压印;(5)PDMS倒模;(6)溅射,封装。

图1 柔性压力传感器工艺流程图

在实验中,采用单面抛光4 inch<100>面N型氧化硅片(苏州锐才半导体有限公司),电阻为2 Ω～5 Ω,厚度为500 μm。在千级洁净室分别使用H2SO4(浓):H2O2=3∶1、SC1液、SC2液对硅片进行清洗,去除表面碳氢化合物、碱离子、金属污染物。为防止硅片表面吸附水在光刻胶中产生针孔和气泡导致光刻胶的漂移损坏光刻图形,光刻前将硅片放置到HMDS烘箱中135 ℃烘烤1 h进行表面活化,增强光刻胶与硅片的粘附性。在百级洁净室使用匀胶机(KW-4A)对正性光刻胶(MICROPOSIT S1800 G2 SERIES PHOTORESISTS)以3 000 rad/min的转速进行旋转匀胶,使用热板105 ℃进行前烘90 s。采用EVG-610型光刻机进行接触式曝光,曝光剂量135 mj/cm2,用配套显影液显影,显影时间40 s。热板115 ℃坚膜120 s,目的是去除显影后光刻胶中残留的溶剂,提高光刻胶的黏附力和抗腐蚀性。

光刻后进行第一次腐蚀,首先以光刻胶作为掩膜使用BOE腐蚀SiO2,去除光刻胶后得到以SiO2为掩膜窗口的模板。KOH腐蚀平行板实验中,采用DF-101T-10L恒温水浴炉,温控精度为±1 ℃,保持反应温度恒定在80 ℃,腐蚀系统中KOH腐蚀液容积为1 000 mL,质量比为40 wt%,搅拌速度为1 500 rad/min保持腐蚀液浓度均匀,防止反应生成的络合物在硅片的腐蚀表面富集而阻止反应进行。腐蚀结束后再次进行RCA清洗,完成PECVD沉积SiO2层制备。SiO2制备完成后进行第二次光刻、腐蚀完成柔性压力传感器引出导线和平行板电极上的“V”型阵列微电极,在二次腐蚀中使用15 wt% TMAH+17 vol% IPA进行腐蚀22 min,最后去除SiO2完成柔性压力传感器硅模板的制作,如图2所示。

图2 柔性压力传感器硅模板表面形貌图

将制备出的硅模板和聚碳酸酯(PC)衬底放入纳米压印机样品台中,设置加热温度为150 ℃,压力大小为0.65 MPa,保温时间为5 min,保压时间为40 min,然后升温加热到PC的玻璃化温度以上使其软化,再加压使模板上的结构压入PC中保持40 min,自然冷却后完成进行脱膜完成纳米压印模板制作。把聚二甲基硅氧烷(PDMS)与固化剂按照质量比10∶1进行混合,充分搅拌后进行真空脱泡处理。脱泡完成后将PDMS均匀涂在纳米压印模板表面,通过匀胶机保持厚度为300 μm,进行二次真空脱泡处理。当气泡完全消失后,放入烘箱加热至90 ℃的温度下进行固化2 h。将固化后的PDMS脱膜,利用ION40等离子体系统(plasma)功率120 W,气流量150 SCCM,对PDMS进行表面处理20 s增强金属Ag与PDMS的粘附性,最后利用磁控溅射仪(Mantis Qprep Deposition System型)在腔体内基压维持在8.0×10-3Torr左右,功率60 W在PDMS表面进行金属Ag薄膜溅射工艺,溅射后得到未封装的柔性压力传感器平行板电极,平行板电极的尺寸为9 mm×9 mm,6 mm×6 mm,3 mm×3 mm,如图6(a)所示。

1.2 碳纳米管(CNTs)/PDMS聚合物的制作

制备CNTs 复合薄膜所需的原材料,主要有粒径尺寸为10 nm～20nm,长度为1 μm～3 μm的带烃基的碳纳米管(CNTs),胶状PDMS 聚合物及PDMS 固化剂。在千级洁净室制备CNTs复合薄膜,洁净室温度为20 ℃,相对湿度为60%。首先,称取一定体积分数的CNTs并倒入烧杯中,加入一定量无水乙醇后,在超声波清洗器中超声分散,超声时产生的局部高温或强的冲击波,可较大幅度地消弱纳米颗粒间的作用力,有效防止纳米颗粒团聚。温度控制在30 ℃下超声8 h,即可得到分散良好的CNTs悬浮液。然后,加入PDMS主剂,在150 ℃的烘烤机上加热,待无水乙醇挥发完全,冷却后加入一定比例的固化剂搅拌,再将烧杯放入真空烘箱中,抽真空脱除气泡约1 h。最后,将脱除气泡的混合物倒入模具中再抽真空,在烘箱中固化2 h(温度为70 ℃),至此制得体积分数为2%[13]厚度为50 μm的CNTs/PDMS 复合薄膜。如图3所示,体积分数为2%的CNTs/PDMS复合薄膜电镜图,从图3可以看出,碳纳米管均匀分散在PDMS中。

图3 CNTs/PDMS 复合薄膜电镜图

2 测试与讨论

2.1 柔性压力传感器硅模板形貌测试

硅片通过清洗、匀胶、前烘、光刻、显影、坚膜、湿法腐蚀后制备出柔性压力传感器硅模板,如图2所示模板表面干净结构整齐清晰。光刻后使用光学显微镜观察光刻结果,如图4(a)所示。可以看出光刻出的“V”型微电极结构具有均匀的线条,并且光刻胶颜色一致,线条没有弯曲,说明光刻胶与硅片粘附性好,解决了因吸附水导致的漂胶问题。在湿法腐蚀中,由于存在硅的各向异性腐蚀,最终形成(111)晶面与(111)晶面夹角为70.52°的“V”型槽。腐蚀结束后使用场发射扫描电子显微镜观测表面形貌,观测结果如图4(b)所示。从观测结果可以看出制作出的“V”型微电极结构表面光滑,周期一致、均匀。

对制备出的硅片模板进行防粘处理后进行纳米压印,制作出与硅模板结构相反的PC模板如图5(a)所示。从图5(a)可以看出PC模板中的结构清晰,表面干净整洁,表明纳米压印脱膜成功。进一步使用激光共聚焦显微镜观察结构表面,如图5(b)所示,从图5可以看出,结构光滑,结构表面没有残留压印胶存留,说明纳米压印中防粘处理效果好。

图4 阵列图和SEM图

图5 平面图和三维表面形貌图

2.2 柔性压力传感器PDMS平行板电极形貌测试

将配置好的PDMS均匀涂在PC模板上制备出与硅模板相同结构的PDMS柔性衬底,使用磁控溅射仪在PDMS表面进行金属Ag电极制备,完成柔性压力传感器制备如图6(a)所示,可以看出整体金属Ag光滑致密。进一步通过SEM观察,如图6(b)所示,金属Ag电极均匀致密,结构周期一致,与PDMS柔性衬底粘附可靠,通过共聚焦观测的三维形貌“V”型结构高度一致,如图6(c)所示。

图6 形貌图和SEM图

2.3 柔性压力传感器测试

通过PDMS自身粘附力对压力传感器进行封装。如图7(a)所示为封装后的柔性压力传感器,图7(b)为传感器电容内部结构图。实验中封装了3种不同尺寸的有“V”型微电极平行板电容结构与混有碳纳米管的PDMS作介电层,并使用导电铜膜将制作出的引线与Agilent 4156C阻抗分析仪连接进行输出电容的测试,使用PACE5000压力控制器对传感器表面施加压力,施加压力过程中记录传感器电容的变化情况,测试平台如图7(c)所示。

测试时压力值从0到10 kPa,在不施加压力时,测得压力传感器的电容初始值为3.62 pF,不同尺寸的压力传感器对施加压力的响应曲线如图8(a)所示。

图7 柔性压力传感器

图8 压力传感器电容变化曲线

结果表明,传感器的电容变化量随着外部载荷的增加呈增加的趋势,这是由于随着外部压力的增加,上极板的每一个“V”型电极与下极板“V”型电极之间的距离的减小,每一个“V”型电极之间的有效作用面积的增大;另外,均匀分散于PDMS内部的碳纳米管之间也会形成微小电容,随着外部压力的增加,碳纳米管之间的距离也会随之变小,CNTs/PDMS薄膜的压电容效应随之产生。但是,当压力增加到一定程度,薄膜电极会产生大的形变,薄膜边缘的高剪切力不容忽视,导致传感器电容与压力的非线性增加。此外,当传感器的平行板电极面积由3 mm×3 mm,6 mm×6 mm增加到9 mm×9 mm时,传感器的压力灵敏度由2.26% kPa-1,3.45% kPa-1增加到3.98% kPa-1,这是由电极薄膜膜片的挠度导致的。所以,在相同的外部压力下,尺寸较大,传感器的灵敏度相对较高。在实际应用中,传感器的稳定性即良好的重复性也是非常重要的。如图8(b)所示,分别对传感器进行100次,200次,300次弯曲后的电容值进行了测试;如图8(c)所示,对100次弯曲后的传感器进行了8次重复性的测试。分析结果300次的弯曲试验后,在相同的压力值时,传感器的变化率没有显著的改变;8次重复性测试结果都在合理的误差范围内。结果显示,制作的压力传感器具有很好的稳定性和良好的重复性。同时可以观察到,随着次数的增加,传感器的电容值会有相对的下降,这是由PDMS的迟滞效应导致。

3 结论

本文研究了一种基于CNTs/PDMS复合材料介电层以及“V”型阵列柔性电极结构的薄膜电容式压力传感器,通过MEMS工艺技术制作柔性压力传感器的硅模板,结合纳米压印、PDMS软光刻工艺和磁控溅射金属Ag的方法得到了性能稳定,重复性较好的柔性压力传感器。相对于带空腔结构的电容式压力传感器,这种具有微结构的柔性电极薄膜电容式压力传感器的工艺流程简单,压力灵敏度较高。此外,对柔性压力传感器、“V”型微电极的研究,从MEMS工艺上提供了柔性压力传感器制备的新方法。本文的研究工作为柔性微电容传感器的研究提供了新的思路。

致谢

本项目作者闫树斌特别感谢山西省留学归国人员择优项目,山西省教育厅中青年拔尖创新人才,中北大学杰出青年基金,以及河北省航天遥感信息处理与应用协同创新中心开放课题基金的部分资助。

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赵学峰(1993-),男,山西,中北大学在读研究生,主要从事柔性MEMS及光纤传感方向的研究;

崔建利(1990-),女,中北大学在读博士研究生,主要从事柔性MEMS方向的研究;

闫树斌(1975-),男,山西中北大学。博士、教授、博士生导师,主要从事微纳光学传感与微纳控制,目前研究兴趣在纳米光波导功能单元、光量子器件、微集成原子钟、基于高Q光学微腔的传感器件理论及系统集成等领域,shubin_yan@nuc.edu.cn。

The Characteristics Study of the Flexible Pressure SensorBased on CNTs/PDMS Dielectric Layer*

ZHAO Xuefeng1,CUI Jianli1,GAO Fei2,ZHANG Zhidong1,YAN Shubin1*

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Xianyang Office,Xi′an Military Representative Bureau,PLAGF,Xianyang Shannxi 712000,China)

A new method for MEMS technology of flexible pressure sensor is reported in this paper. The flexible pressure sensor mold are obtained by MEMS technology. The PDMS with“V”type Ag film parallel plate electrode was then made combining nano-imprinting technology,RF magnetron sputtering technique and PDMS mold. On the basis of the piezocapacitance effect of the CNTs/PDMSpolymersfilm,the capacitive pressure sensor was obtained. According to comparison test to the different size of pressure sensor,the developed sensor exhibits a maximum sensitivity of 3.98% kPa-1to capacitance,great durability over 300 cycles. This technique cannot only realize batch preparation of wafer level flexible pressure sensor,but have a broad application prospect in the flexible pressure monitoring and electronic skin.

flexible pressure sensor;“V”type parallel plate electrode;MEMS;PDMS

项目来源:国家自然科学基金项目(61675185);国家杰出青年科学基金项目(61525107);山西省自然科学基金项目(201601D011008);河北省航天遥感信息处理与应用协同创新中心开放课题基金项目(67-Y20A07-9002-16/17)

2017-02-21 修改日期:2017-05-05

TP212.1

A

1004-1699(2017)07-0996-05

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.07.004