王振明 陈经昊 徐巍
(北方工业大学机械与材料工程学院，北京，100144)
摘要：利用银纳米线（AgNWs）和聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作了一种三层膜结构的摩擦式柔性压力传感器，并对其压力传感特性进行了研究。研究测试结果表明，该压力传感器的最大开路输出电压约为9V，灵敏度约为0.31V/kPa。
关键词：摩擦；银纳米线电极；柔性压力传感器；PDMS；
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1.压力传感器的结构和工作原理
摩擦式柔性压力传感器共分为3层，分别是位于上下两侧PDMS柔性衬底和中间的银纳米线薄膜与铜箔。银是电的良导体，导电率高，电阻率低，与半导体电极材料相比大幅降低了能损，同时耐曲挠性，便于在测试过程中弯曲、拉伸以及扭转。PDMS是一种高分子有机硅化合物，其透明度高，柔性好和化学性质稳定，是充当柔性衬底的理想材料[1,2]。
摩擦式柔性压力传感器利用接触摩擦起电和静电感应的原理。初始时刻，皮肤与PDMS薄膜表面完全接触，由于PDMS薄膜具有比皮肤更高的表面电子亲和力，电子会从皮肤转移到PDMS薄膜表面。随着皮肤和PDMS薄膜间距的增大，PDMS薄膜表面上的负电荷在银纳米线薄膜的夹层中诱发出正电荷，驱使自由电子从银纳米线薄膜流向地电极，该静电感应过程向负载输出电压/电流信号。当皮肤与PDMS薄膜表面完全分离, 银纳米线薄膜上的诱发出的正电荷完全等于PDMS薄膜上的摩擦负电荷，信号输出停止。随着皮肤重新逐渐与PDMS薄膜表面接触，银纳米线薄膜上的诱发出的正电荷减少，电子从地电极流向银纳米线薄膜直至皮肤和PDMS再次接触，该静电感应过程向负载输出反向电压/电流信号。这就是单电极摩擦式柔性压力传感器的一个完整的压力检测周期。
2.压力传感器的制作工艺
首先在聚对苯二甲酸乙二酯(PET)上制作出银纳米线电极并在表面涂上PDMS(Dow corning Sylgard 184)溶液，其次将铜箔固定在银纳米线电极上，最后再用PDMS溶液将其均匀覆盖，固化后完成制作。
3.压力传感器的性能测试
采用铜箔作为摩擦式压力传感器的电极，采用激振器(JZK-2, Sinocera piezotronics Inc., China)测试压力传感器的压力传感性能，采用示波器(Agilent DSO-X 3024A，带宽200MHz，采样率4GSa/s)测量电学输出信号。
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图3-1 压强为40kPa时频率与开路电压的输出关系
如图3-1所示，随着频率的增大，压力传感器的开路电压先是缓慢升高，在频率为100Hz时达到峰值，其峰值约为9V；峰值之后，随着频率的增大，其开路电压逐渐降低。由此可知该压力传感器的最佳频率为100Hz。
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图3-2 不同压强下的开路电压动态输出曲线
当驱动频率为100Hz时，随着激振器对压力传感器施加压强的增大，摩擦式柔性压力传感器的开路输出电压峰值也随之增大。当达到最大压强60kPa时，该能量收集器输出的最大开路电压约为15V。
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图3-3 压强与最大开路电压输出关系
开路电压的峰值与压强几乎呈线性增加的关系，压强灵敏度Slope约为0.31V/kPa，这表明该器件的压力传感性能，稳定性与灵敏度较好，明显优于已报道的基于ZnO纳米线的能量收集器(最大开路输出电压和压强灵敏度分别约为0.7V和1.9×10-5V/kPa)[3]，具有良好的机械能收集和传感特性。
4.结论
本文设计并制作了一种基于银纳米线电极的摩擦式柔性压力传感器，对其工作原理和压力传感特性进行了研究。结果表明，摩擦式柔性压力传感器的工作原理是摩擦起电和静电耦合效应。压力传感器具有良好的灵敏度。该器件的最大开路输出电压约为9V，压强灵敏度约为0.31V/kPa。
参考文献
[1] T. Sekitani, H. Nakajima, H. Maeda, et al. Stretchable active-matrix organic light-emitting diode display using printable elastic conductors. Nature Materials, 2009, 8: 494-499.
[2] S. I. Park, D. S. Brenner, G. Shin, et al. Soft, stretchable, fully implantable miniaturized optoelectronic systems for wireless optogenetics. Nature Biotechnology, 2015, 33: 1280-1286.
[3] Y. Zhao, Y. Fu, P. Wang, L. Xing, X. Xue. Highly stable piezo-immunoglobulin-biosensing of a SiO2/ZnO nanogenerator as a self-powered/active biosensor arising from the field effect influenced piezoelectric screening effect. Nanoscale. 2015, 7: 1904-1911.