基于微纳裂纹的可穿戴设备用MEMS柔性压力传感器

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可穿戴设备是一类具有特定功能的便携性消费电子产品,可用于人体健康(如心率、脉搏、睡眠质量等)的监测、机器人动作姿势的识别等领域,而这些功能的实现得益于其内部集成的各类柔性传感器。柔性压力传感器是可穿戴设备最核心的部件之一,因其具有轻质量、易加工、低成本等诸多优势,得到了广泛的关注,一般由柔性衬底、传感层、介电绝缘层和电极四部分组成,最核心的传感层决定了器件性能的优劣。灵敏度是柔性压力传感器性能优劣的重要判断依据,相应的工作范围决定了传感器的适用场景,响应时间反映了传感器对外界刺激的响应速度,而重复性则决定着器件的稳定性。为了提高传感器的灵敏度及相关性能,研究人员对传感层的结构设计和敏感材料选择做了诸多探索,有趣的是,其中部分研究利用了一向被视作缺陷的裂纹,传感器在受力后,结构层会产生微纳裂纹从而使电阻迅速增大,可实现较高的灵敏度。但目前报道的用于开裂的敏感层材料在成本或工艺复杂度方面存在一定的劣势,此外,在结构优化设计方面也有改进的余地。为此,本文采用传统的MEMS微加工技术,加工了两种基于微纳裂纹的柔性压力传感器,包括基于图形化的电镀镍(Ni)薄膜裂纹和基于光刻胶微纳裂纹中填充复合导电网络的柔性压力传感器。基于前一种形式制作的柔性压力传感器,测试结果表明其在30.84 kPa时的灵敏度达最大值24.2482 kPa-1,且能对外界压力做出快速的响应,响应时间约为18 ms,相比传统利用铂(Pt)薄膜开裂进行传感的柔性压力传感器具有更低的成本。在第二种形式柔性压力传感器的制备过程中,通过在正性光刻胶薄膜中引入带有尖端的图案,并利用骤然改变样品温度的方法实现了定向开裂,产生的微纳裂纹将孤立的图形基元彼此相连成微通道网络,微纳裂纹的宽度为300 nm600 nm。在此基础上,通过复合电沉积工艺在微纳裂纹中填充Ni和多层氧化石墨烯,形成“Ni/多层氧化石墨烯/Ni”的三明治结构作为传感导电网络层。当此传感器受到外力作用后,底层Ni网的应变效应、中间多层氧化石墨烯的滑移和位错、顶层褶皱的薄层Ni产生的纳米裂纹,可共同增强器件的阻变效应,提高其灵敏度。测试结果表明,此种形式的柔性MEMS压力传感器在52.27 kPa时可实现高达4953.15 kPa-1的最大灵敏度,且具有较快的响应速度(响应时间约为47 ms)。在11000多个循环后的重复性测试结果表明,该传感器具有良好的稳定性。最后,将制作的柔性压力传感器进行了应用演示,利用其进行了脉搏、微笑和吞咽等动作的检测,展示出其在可穿戴设备和健康监测等领域的较好应用潜力。
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