杨红波， 陈文东

(1.郑州科技学院 电子与电气工程学院，河南 郑州 450064; 2.郑州科技学院 信息工程学院，河南 郑州 450064)

0 引 言

目前，柔性压力传感器已在人体健康监测领域中应用广泛[1～4]。压阻式柔性传感器的结构复杂度较低，易于安装和应用，且可以高效实现信号处理，因此相对其他类型获得了更多的应用[5]。其常用的制备方法是采用电极和微结构之间接触形成的压阻效应[6]。在这些传感器中含有特殊的弹性体[7]，容易受到外部作用力的影响而形成一定的传导路径，致使电流发生变化，所以，只需要对电流信号进行检测即可得到压力信息。在此类传感器制备过程中采用了不同类型的材料，包括柔性衬底[8]、微圆顶阵列[9]、微槽[10]等。一些学者针对该类传感器进行了较多的研究，制备出不同的产品，其中,Ahmed E等人[11]制备了高灵敏度的传感器，在此过程中利用了仿生玫瑰花瓣翻模，然而，其制备的效率较低，成本较高，因此,不适合于进行批量化的生产。一些研究者针对上述问题进行了大量的研究，旨在于通过新的技术来制备微结构柔性，在长期的研究中取得了较多的成果。Kou H R等人[12]在柔性基底中添加一定量石墨烯，由此得到的传感器不仅响应速率快，同时具备了较高的稳定性，可用于多种环境条件下。陈楚奕[13]在研究过程中设计了一种检测范围较大的植物可穿戴茎流传感器。虽然上述传感器可用于压力检测，但是依然存在明显的问题，即灵敏度会受到压力的影响，特别是在压力较大时，受到接触应力不断积累的影响，最终会降低检测的灵敏度，难以保证检测结果的准确性。

本文对柔性压阻式压力传感器进行深入的分析，设计了一种新型制备方法，在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底中复制仿生白果叶表面微结构，为针对该传感器的应用效果进行了测试分析，通过对手指等部位的姿态检测，验证了其检测的准确性与稳定性，具备了较高的实用价值。

1 传感器制作与表征

1.1 传感器制备

首先，取适量白果叶，并对其洗涤、干燥处理；按照10︰1的比例混合PDMS前体、固化剂，并取适量置于叶片中；接着，进行加热处理，时间和温度分别为1 h，85 ℃；然后，通过剥离获得负PDMS模具，再溅射铜(厚度100 nm)，添加先前得到的混合物，经历固化、剥离后即可得到所需的PDMS膜，此时涂覆石墨烯油墨，依次设置转速为600，2 800 r/s，时间分别为10，25 s；修剪为矩形(2.5 cm×2.5 cm)之后，制作成电极，在此基础上即可制备得到所需要的压力传感器。

1.2 传感器表面形貌表征

首先对传感器的表面形貌进行表征，表征的结果如图1。图1(a)表明，白果叶表现为典型的平行脉结构，以线条形的细胞为主，而且具有规则的排列方式。图1(b)展示了高倍率下的形貌特征，可知，细胞形态以及尺寸存在显著的差异性，包括葫芦状、胶囊状等，可见不同的凸起结构存在。根据图1(c)可知，PDMS对于白果叶微结构的复刻效果较好，平滑度相对较高。图1(d)展示了涂覆石墨烯油墨后的效果，涂覆效果总体较好，均匀性较高。

图1 传感器表面形貌表征

2 传感器响应特性探究与应用

2.1 传感器响应特性实验测试

在实验过程中先设定合适的初始状态，将1 cm2硅片置于传感器上方位置，接着开始进行测试。实验结果如图2所示，在压强分别为0.4，3，8，14，25 kPa的情况下，I-V曲线始终表现出线性变化特征。另外，曲线斜率和压强表现出显著的正相关性，由此可以认为电阻和压强之间表现为负相关的关系。

图2 传感器在不同压强下的I-V特性曲线

针对不同压强下的传感器电学响应特性测试结果如图3所示。由图3(a)可知，在传感器中加载红豆(12.8 Pa，0.226 5 g)的电流变化总体稳定，同时，波形也没有出现显著变化，所以可以认为该传感器对于小目标的识别效果较好。而传感器电阻变化率(ΔR/R)，结合图中的信息可知，在压强变化时，电阻变化率表现出不同的变化特征，其中，处于12.8 Pa～25 kPa范围内时二者表现出显著的线性相关性。针对灵敏度S进行表征，即根据电阻变化率和压强之间的比值进行计算，具体可以表示为S=(ΔR/R)/p。其中，p为压强，ΔR/R为电阻变化率。根据上式可知，对于有、无白果叶微结构的传感器而言，在灵敏度上存在显著的差异性，二者分别为1.77，0.98 kPa-1，对应的压强范围均为12.8 Pa～25 kPa，可见前者具备了更高的灵敏度，由此可以得到,石墨烯/PDMS传感器(有白果叶微结构)在性能上具有显著的优势。

图3 传感器在不同压强下的电学响应特性

由图4可知，在压强改变的情况下，传感器电流变化量表现出显著的台阶特性，而且这种特性与压强大小直接相关，二者表现出一定的正相关性，即电流变化量随着压强的增大而变大。进行循环加载稳定性实验，总计次数为1 800，设置压强为4 kPa，结果如图5所示，在开始以及后期的波形总体是吻合的，由此验证了其具备了较高的稳定性。

图4 传感器在不同压强下的台阶特性

图5 传感器稳定性测试结果

针对传感器的响应时间进行测试，置于特定的压强条件下进行检测，测试的变化特性曲线如图6所示。传感器响应时间基本为26 ms，推测压力作用到PDMS产生形变时间为26 ms。

图6 传感器的响应时间

2.2 传感器应用

本文针对手指弯曲特性监测，在关节位置粘附传感器电极，由此得到的响应结果如图7(a)所示。在手指没有弯曲时，电流变化量基本等于零；而在弯曲的情况下，则表现出较大的电流变化量，进一步测试发现电流变化量和弯曲程度之间表现为正相关的关系，在多次测试时得到的波形保持了较高的稳定性。图7(b)展示了传感器在手腕弯曲的响应输出，可见相对于图7(a)的结果总体是吻合的，但是，由于手腕可以达到更高的弯曲程度，因此，对应着更大的电流变化量。

图7 传感器实际应用测试结果

3 结 论

实验结果表明：该传感器的灵敏度较高，响应速率快，稳定性强，检测范围大，体现出较高的适用性。另外，针对该传感器的压力监测效果进行了测试，置于人体手腕和手指2个位置，发现在这些部位弯曲时，电流变化量同样改变，总体表现为正相关关系，由此验证了该传感器对人体姿态变化的监测效果，适合于应用到各种可穿戴设备的设计中，显示出广阔的应用前景。