Высокочувствительный гибкий датчик деформации на пьезоэлектрической пленке поли(винилиденфторида)

Аннотация

Представлен гибкий сенсорный массив 4×4, состоящий из 16 микроконденсаторных элементов, изготовленных из пьезоэлектрической пленки поли(винилиденфторида) (PVDF) толщиной 50 мкм. Оптическая визуализация и пьезореспонсная сила микроскопия (PFM) подтверждают четкий интерфейс PVDF/электрод и надежные пьезоэлектрические домены. Массив обеспечивает ультравысокое отношение сигнал/шум, с выходным напряжением, линейно пропорциональным приложенному давлению при 12 мВ/кПа. Временная характеристика восстановления менее 2,5 мкс, что подтверждает быструю электромеханическую производительность. Теоретические моделирование показывает, что сигнальные перекрестные связи между соседними ячейками пренебрежимо малы при давлении ниже 178 кПа, подтверждая масштабируемость конструкции.

Введение

Поли(винилиденфторид) (PVDF) — химически стабильный пьезоэлектрический полимер, известный своими пироэлектрическими, пьезоэлектрическими и ферроэлектрическими свойствами [1, 2]. Его выдающаяся механическая прочность — модуль Юнга 2500 МПа и предел прочности на растяжение около 50 МПа — делает датчики давления на базе PVDF высокогибкими и устойчивыми к усталости [3, 4]. По сравнению с обычными ферроэлектрическими датчиками на PZT, PVDF предлагает нетоксичный, биосовместимый альтернативный вариант [5, 6] и превосходную мягкость, позволяя ему соответствовать сложным геометриям, необходимым для передовых приложений деформационных датчиков [7, 8]. Недавние работы демонстрируют интеграцию PVDF датчиков в умные катетеры для мониторинга давления в реальном времени [11], мониторинг пульсовой волны руки водителя для приложений безопасности [12] и искусственную кожу, чувствительную к давлению и температуре [13]. Однако большинство сообщаемых устройств обеспечивают одноточечное чувствительное измерение с ограниченным пространственным разрешением.

В реальных сценариях — таких как носимые биосенсоры, отображающие давление по телу человека — существует четкий спрос на многоточечные, высокогибкие и ультрачувствительные сенсорные массивы [14–16]. Здесь представлен гибкий сенсорный массив 4×4 на базе пленки PVDF, достигающий чувствительности 12 мВ/кПа и времени отклика 2,5 мкс. Также отображено распределение давления человеческого пальца при обычных движениях, демонстрируя практический потенциал массива.

Конструкция и эксперимент

Проектирование и изготовление сенсорного массива

Датчик имеет сэндвич-архитектуру: пленка PVDF толщиной 50 мкм (Jinzhou Kexin Inc., Китай) покрыта с обеих сторон слоями алюминиевых электродов толщиной 20 мкм. Рис. 1а иллюстрирует конструкцию, где 16 микроконденсаторных элементов расположены в сетке 4×4, каждая группа из четырех элементов имеет общий выходной провод для минимизации сложности маршрутизации.

Фабрикация выполняется на стеклянном подложке с покрытием PDMS для обеспечения жесткой основы. Металлизированная пленка PVDF размещается на подложке, затем наносится слой фотолечиваемого слоя при 3000 об/мин в течение 40 с. Фотолитография с последующим мокрым травлением алюминия через маск-алигнер (ABM, Inc., США) дает структуру из 16 элементов. Готовый массив отделяется от подложки, и каждый конденсатор подключается к проводникам с помощью серебряного клея. Для обеспечения биосовместимости вся сборка инкапсулируется в PDMS и термоустойчивается при 60 °C в течение 12 ч. Рис. 1b показывает готовый гибкий датчик, изогнутый вокруг цилиндра.

Пьезоэлектрические свойства сенсорного массива на базе пленки PVDF

Измерения PFM (Seiko, Inc., Япония) проводились на поверхности PVDF под переменным напряжением 2 В на площади 2×2 мкм². Полученный фазовый контраст подтверждает четко определенные пьезоэлектрические домены и ясный интерфейс с базовыми электродами.

Калибровка сенсорного массива

Калибровка включала нанесение контролируемых давлений к массиву с помощью электромеханической платформы, подключенной к National Instruments DAQ-USB6008. Выходное напряжение датчика регистрировалось при изменении давления, что позволило построить калибровочную кривую напряжение-давление.

Результаты и обсуждение

Рис. 2а показывает поверхностную морфологию после травления под оптическим микроскопом, 드러на четкий контраст, указывающий на чистый интерфейс PVDF/алюминий. Рис. 2b и 2c показывают поверхность PVDF и ее PFM фазовое изображение соответственно; гладкая морфология и сильный фазовый сигнал свидетельствуют о надежном пьезоэлектрическом поведении.

Под постоянным давлением 98,1 кПа, приложенным к одному электроду, датчик выдает 123,1 мВ с пренебрежимым шумом, как показано на рис. 3а. Когда идентичное давление одновременно приложено к четырем электродам, каждый выдает ~190 мВ, демонстрируя отличную синхронизацию по массиву (рис. 3b). Линейная калибровка напряжение-давление от 60 до 150 кПа дает наклон 12 мВ/кПа со смещением –159,2 мВ (рис. 3c).

Тесты переходных процессов включали приложение импульсных давлений (~75,1 кПа) на частоте 90 Гц. Напряжение датчика нарастает и спадает в течение 2 мс, указывая на быстрый электромеханический отклик (рис. 4а). В диапазоне 60–150 кПа время отклика последовательно остается ниже 2 мс, а амплитуды выхода соответствуют линейной калибровке.

Перекрестные сигнальные связи между соседними электродами изучались через моделирование COMSOL Multiphysics. Площадь каждого электрода составляет 1,4 мм². Рис. 5b показывает распределение деформации при приложении давления к электроду А, с повышенной деформацией в соседних точках. Смоделированное интерференционное напряжение линейно меняется с приложенным давлением, с наклоном 0,028 мВ/кПа и пересечением 5×10⁻⁴ мВ (рис. 5c). Интерференция падает ниже 5 мВ для давлений под 178 кПа, что делает ее практически незначительной. Уменьшение площади электрода дополнительно снижает интерференцию, как подтверждено моделированием с электродами 1,2, 1,0 и 0,8 мм² (рис. 5d).

Для демонстрации практической полезности отображено распределение давления по большому пальцу во время трех обычных движений: сиацу, разминание и трение. Рис. 6 показывает, что при сиацу концентрированное пятно 76 кПа появляется в центре пальца, разминание дает более высокое давление на передней поверхности, а трение производит более равномерное распределение ~68 кПа. Эти результаты согласуются с предыдущими клиническими наблюдениями и подтверждают способность датчика улавливать тонкие давления при движении пальцев.

Подводя итог, изготовленный 4×4 сенсорный массив на базе PVDF обеспечивает гибкое, высокочувствительное обнаружение деформаций с быстрым временем отклика. Его продемонстрированная способность к картированию давления на человеческих пальцах указывает на сильный потенциал для носимых биосенсоров и робототехнических тактильных приложений.

Аббревиатуры

PFM:

Пьезореспонсная сила микроскопия

PVDF:

Поли(винилиденфторид)