高灵敏度柔性电容传感器设计开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1.1目的及意义

电容式传感器具有良好的动态响应、高灵敏度和较高的分辨力等优点,且其所需输入力和输入能量极小,广泛用与于测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等方面。高精度、高分辨率和高灵活性是电容式传感器研究的热点。三个特点如何兼容是当前研究的重点。一般的电容式传感器微电容的三层结构,可通过减少电极宽度和减少两极板之间的距离来增加分辨率,但这将降低电容容量且造成较低的信噪比。同时由于受到电线、电路板等各种电噪声的影响,测量微小压力将变得更加困难。而金属流体[1]作为可变形电极板具有高灵活性、耐弯折和不易疲劳等特性,能够弥补一般电容式传感器的不足。该结构还具有易于制造、低成本、鲁棒性和可重复测量等优点,大大提升了传感器的柔韧性,相比于传统的固定式金属结构,基于液态金属的柔性电容传感器大大降低了电极断裂的风险,提高了整个传感器的稳定性与可靠性。在一定程度上解决了高精度、高分辨率和高灵活性三者之间的兼容性因此,本论文拟设计基于液态金属的柔性电容传感器,这对柔性电容传感器广泛用于电子皮肤具有重要的理论指导意义。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 柔性电容传感器的国内外研究现状

近年来,随着现代电子产品的不断升级,可穿戴电子产品[2]的快速发展已经引起消费电子产品的范式转变,其新兴发展为电子系统开辟了新的应用领域[3]。传感器作为可穿戴电子产品主要的核心部件之一,将影响可穿戴设备的功能设计与未来的发展。传感器是感知、获取与检测信息的窗口,可用于测量光强、温度、位移、磁场、PH值等,是自动检测和自动控制的信息来源。而力测量传感器广泛应用于汽车、工业和医疗等领域。近年来,电容式传感器在这些领域引起了广泛的关注,因为这些传感器众所周知具有温度灵敏度低、功耗低和结构坚固[4]等优点。

电容传感器是将被测非电量变换转化为电容量变化的传感器,由绝缘裁量隔离的两块平行金属板组成,如下图1所示,广泛用于压力、差压、振动、加速度与湿度等方面的测量[5]。理想电容器的电容量由绝缘材料介电常数ε,平面板面积A和距离d确定,当任何一个参数发生变化时,电容量就会随之变化,依据所变化参数的不同,电容器可分为变介质型、变面积型和变节距型。一般采用以下两种方法来产生电容的变化以实现外力的感测[4]:1改变极板之间重叠的面积;2改变两极板之间的距离。使用方法1可以得到具有恒定灵敏度的传感器;使用方法2可以得到极板重叠面积和电极层距离之间的非线性关系,其灵敏度随着电极层间的距离的减少而降低。方法1的输出特性是线性的,灵敏度为常数,这对传感器而言是很有利的特性;与方法2相比,它的测量范围大。方法2结构简单,便于设计和改进,但灵敏度小,非线性大。

设计触觉传感器时,需要考虑各种特性,例如动态范围、灵敏度、空间分辨率、重复性、响应时间和鲁棒性。其中动态范围、灵敏度和空间分辨率对于实现大范围、灵敏和精确的力感是最重要的。在这些类型的传感器中,电容式触觉传感器适用于类人机器人和微创手术领域[6],因为这种传感器通常具有较大的动态范围、高灵敏度和良好的空间分辨率。

一般的柔性电容式触觉传感器通常通过测量极板间距变化造成的电容量变化,从而测得外界压力[7-12]。这些传感器的一个特点是电容变化量很小。因此,一般的柔性电容式触觉传感器通常需要使用复杂的接口电路来抵消其固有的低分辨率。此外,柔性电容试传感器,金属电极层和导线因其和基底柔性材料的刚度差异,容易在拉伸或弯折过程中出现开裂,影响了传感器的使用寿命。

为了克服一般电容式触觉传感器的这些问题,已经进行了大量的研究。例如,在2002年,为了获得高灵敏度,Sun等人开发了一种使用横向梳状驱动器的多轴电容式传感器,该传感器利用梳状物的可变重叠电极面积测量电容;然而,该传感器的动态范围小,制造过程复杂[13]。在2010年,来自美国斯坦福大学的鲍哲南等人通过光刻等微加工工艺得到了带有金字塔和线性的微结构,并将此结构应用到电容传感器的介质层中。该电容传感器的灵敏度为0.55 kPa,显示出非常小的滞后,可以重复循环数千次[6]。在2010年,Cheng等人开发了一种利用浮动电极电容机制的触觉阵列。由于这种类型的传感器在柔性薄膜上没有长的金属薄片痕迹,这种方法可以有效地减少疲劳问题;然而,它的动态范围很小(例如小于1.5 pF)[10]。在2011年,鲍哲南等人开发了一种将碳纳米管喷涂至柔性衬底PDMS上的阵列透明电容式传感器,可同时测量压力和应变[14]。为了克服疲劳问题,在2012年,Wong等人开发了一种用于触觉反馈的柔性微流体法向力传感器皮肤,它使用液态金属作为电极;然而,该设备的动态范围很小[15]

一般柔性电容式触觉传感器的特性如表1所示。

表1 一般柔性电容式触觉传感器的特性

测量机制

空间分辨率/mm

动态范围/pF

灵敏度/(PF/N)

注释

H.-K.Lee等人[8]

极板间距

2

~0.31

~2.5

一个单元传感器由两个带有预埋铜电极的厚PDMS层、一个间隔层、一个绝缘层和一个凸点层组成。

M.Y.Cheng等人[9]

极板间距

8

~1.32

~4.32

两个传感电极和一个公共浮动电极。在柔性线路板上实现了信号扫描用的传感电极和金属互连,浮动电极在PDMS结构上形成了图形。

J.A.Dobrzynska等人[7]

极板间距

6~10

~1.7

~5.4

聚合物基柔性电容传感器

M.Y.Cheng等人[10]

极板间距

~4.5

~2.2

~1.2

传感阵列由两个微加工PDMS结构和一个带传感电极的柔性线路板组成。

H.-K.Kim等人[11]

极板间距

2

~10.8

36

用于触觉屏

Y.-C.Wang等人[12]

极板间距

~2

~1.2

1.9

互容式触觉传感器

D.-J.Won等人[16]

重叠面积

2

~100

~147

液态金属

1.2.2 液态金属电极的国内外研究现状

为了克服动态范围问题,在2010年,Bakhoum等人通过使用液态金属(水银)液滴开发了单电池压力传感器,其中两个直径为5毫米的水银液滴之间的重叠区域引起电容的变化,并且该传感器尺寸小,仅为几十毫米[17]。2012年,美国亚利桑那州立大学的R.D.P.Wong等人开发了一种使用液态金属合金作为其内部电路的电容式微流体压力传感皮肤。该传感皮肤由软光刻微加工技术制造而成,金属流体作为可变形电极板具有高灵活性、耐弯折和不易疲劳等特性[15]。此外,该结构还具有易于制造、低成本、鲁棒性和可重复测量等优点。在2015年,D.-J.Won等人利用液态金属液滴和平底电极之间的重叠区域引起的电容变化,得到有100pF的动态范围、147pF/N的高灵敏度和2mm的空间分辨率的电容传感器,但是分辨率不高且工艺十分复杂[16],见图2。

图2 基于液态金属的柔性电容传感器的相关研究成果

虽然柔性电容传感器具有广泛的应用,但是现阶段基于液态金属的柔性电容传感器并不多见,比如在2017年,来自首尔科技大学的董俊元等人,使用两个底部电极和一个水银液滴作为备用浮动电极。该装置比浮动电极式接触传感器具有更大的动态范围,甚至比传统电容式接触传感器的电极间距更大,证明了一种新型电容传感机制的可能性[18]

从目前相关报道可以看出,基于液态金属的柔性电容传感器由于其较大的动态范围,较好的空间分辨率以及更高的灵敏度,其在触觉传感[19],人体健康检测[6]等领域将具有广泛的应用前景。

1.2.3 微结构介质层的国内外研究现状

在2013年,美国斯坦福大学的鲍哲楠团队将孔洞微结构和棱状微结构应用在压阻型压力传感器中,如图 2.1 所示,极大得提高了传感器的灵敏度[20]。随着微纳加工工艺的提升,研究人员在柔性传感器中使用微结构修饰越来越多[21],而且具有金字塔形阵列微结构电介质层的电容式压力传感器具有很高的灵敏度。除此之外,长方体形微结构、圆柱形微结构[22]、圆锥形微结构[23]、丝绸微结构[24]和半球形微结构等都被用在了电容式和电阻式柔性压力传感器中[6]



2. 研究的基本内容与方案

2.1研究基本内容

本课题拟设计一种使用液态金属作为电极的柔性电容传感器,通过采用柔性基底和液态金属电极,增强传感器的柔韧性。在此基础上,通过在极板间制造仿生增敏结构,增加传感器的灵敏度。最后,将传感器集成化,实现大面积柔性电容传感系统的制造。

2.1.1仿生微结构的电介质层增敏机理的研究

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3. 研究计划与安排

第1-3周 完成外文文献翻译以及开题报告

第4-5周 完成传感器结构设计

第5-6周 完成具体工艺步骤(溅射,蒸镀,pecvd等)设计

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4. 参考文献(12篇以上)

[1

[1] cheng s,wu z. microfluidic electronics[j]. lab on a chip, 2012, 12(16): 2782-2791.

[2] sarwar m s,dobashi y, preston c, et al. bend, stretch, and touch: locating a finger on anactively deformed transparent sensor array[j]. science advances, 2017, 3(3):e1602200.

[3] wu h,huang y, xu f, et al. energy harvesters for wearable and stretchableelectronics: from flexibility to stretchability[j]. advanced materials, 2016,28(45): 9881.

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