基于多高度微金字塔的压力传感器，具有可调的传感特性，适用于机器人和步进跟踪应用

精确的压力传感对于各种机械和电气系统都是必不可少的。最近出现的柔性压力传感器实现了新的应用，如人机界面、软机器人和可穿戴设备。具体来说，压阻式传感方案由于简单、测量灵敏度高、稳定性好，广泛适用于柔性压力传感器。压阻式压力传感器的传感性能主要取决于材料和界面处的接触形貌。提出了一种测量灵敏度和检测范围可调的多高度微结构柔性压力传感器。这种可调性是由于不同高度的微型金字塔的顺序接触。多层微金字塔结构的PDMS层与邮票涂层的多壁碳纳米管(MWCNTs)作为导电活性层，金交错电极(IDE)图案聚酰亚胺(PI)层作为底部电极。该传感器的灵敏度为0.19 kPa⁻¹，快速响应速度为20 ms，检测范围可达100 kPa。该传感器应用于机器人夹持器进行物体识别，并集成到鞋子中跟踪行走动作。

柔性和可穿戴压力传感器由于能够检测各种生物力学运动、机械系统驱动和环境因素而备受关注[1，2，3.，4］．柔性压力传感器结构薄、机身柔软，测量灵敏度高，足以检测人体脉搏和声带振动[5］．近年来，耐用、高传感范围的压力传感器的出现，使得集成机器人系统和可穿戴设备的压力传感器得以发展。这种压力传感器模仿人类的感觉系统，可以实现复杂的人机界面和电子皮肤。

在各种传感机构中，压阻式传感器具有耐久性高、安装简单、材料选择范围广等优点[6，7，8，9］．在压阻式传感器中，导电微结构接触面积的压力相关变化引起电阻的位移[10，11，12，13］．微结构的材料和形貌决定了传感器的性能，如灵敏度和检测范围。多孔结构、微圆顶、微金字塔、微纤维等各种微结构，证明了压力传感器的测量灵敏度[12，14，15，16，17，18，19］．使用模板成型的微结构制造可实现快速和直接的制造[17，20.，21］．研究人员使用砂纸、荷叶和蚀刻的硅片作为模具来创建微结构[17，18，20.，21，22，23，24，25］．在大多数情况下，检测范围与灵敏度成反比，限制柔性压力传感器的使用只有几个kPa范围[17，21，23，25］．此外，许多研究采用相同设计的微结构，使用多高度微结构的效果并没有很好地理解。

本研究提出了一种基于多高度微金字塔的压力传感器，以调整灵敏度和检测范围。为了制作模具，氢氧化钾(KOH)湿法蚀刻硅不同开口产生不同高度和基宽的微金字塔腔。所研制的压阻式压力传感器由三种不同尺寸或高度的微结构组成，并对其传感性能进行了分析。该传感器应用于步进跟踪，并集成到机器人夹持器系统中，展示了该多高度压力传感器可能的应用领域。

模具和压力传感器制造

数字1a给出了多高度微金字塔结构KOH蚀刻硅模具的制作过程。最初，6英寸< 100 >硅晶圆与200纳米氮化硅(Si_3.N₄)是通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备的。采用光刻工艺对光刻胶(AZ GXR 601)进行刻印，然后采用反应离子蚀刻(RIE)制硅_3.N₄KOH蚀刻掩模。用丙酮去除PR后，a- 200nm厚的Si_3.N₄是沉积在晶圆背面的PECVD，以保护晶圆不受KOH湿腐蚀。KOH各向异性刻蚀时间为36 min，最大高度为42.4 μm (h)的微金字塔结构(底部宽度60 μm，w)，然后用缓冲氧化蚀刻(BOE)去除硅_3.N₄．通过控制开口的大小，可以调节微金字塔的最终高度。最后，在多层微细金字塔结构的图案硅片上涂覆聚二甲苯- c，以降低PDMS在成型和剥落过程中的附着力。

数字1B为压力传感器制造过程。以0.15 mL/秒的速度将碳纳米管(0.5 wt.% MWCNT掺入IPA，外径5 ~ 15 nm，长度50 μm)喷涂在硅模上100 s。喷嘴与传感器基板之间30厘米的距离确保了高度均匀的碳纳米管层的形成。然后，将PDMS混合溶液(Sylgard 184，碱:剂= 10:1)以300转/分的速度旋转涂覆两次，然后进行30分钟的真空处理，以增强CNT和PDMS之间的粘附性。在150℃固化10 min后，PDMS/CNT层与Si模具分离，形成导电活性层。与传统的在基体上喷涂碳纳米管不同，该工艺在PDMS铸造和固化前喷涂碳纳米管。我们把这种方法定义为邮票涂层。在聚酰亚胺(PI, VTEC 1388)胶带上采用光刻和剥离工艺制备了底部交错电极(IDE)。该电极由10纳米的Cr附着层和100纳米的Au组成。传感器的尺寸为1 × 1cm²．

器件表征与实验

为了对材料和器件进行表征，进行了拉曼光谱(Nanobase XPER RF)研究和扫描电子显微镜(SEM, Hitachi S 4800)分析。Au线焊接到IDE接点的末端，形成与传感器的电气连接。传感器的电阻由一个数字万用表(Agilent 34401A)与一台带有LabView程序的PC相连进行监测。通用试验机(UTM)用于加载和耐久性测量。所有的测量都是在大气压力和温度为25°C的环境条件下进行的。

数字2a-e为不同设计的微金字塔的SEM显微图。提出的成型方法的结果在各种大小的微金字塔和尖锐的尖端。数字2a显示了大小和高度相同的原始PDMS微金字塔。数字2b-d显示了使用所提出的冲压涂层方法涂覆碳纳米管的PDMS微金字塔的各种尺寸。由于在PDMS固化前在模具上涂了一层CNT，很明显，CNT与PDMS微金字塔具有良好的共形粘附。此外，利用这种方法，微金字塔的顶端被碳纳米管完全覆盖。相比之下，传统的在PDMS微结构上喷涂CNTs的方法会导致剥落和表面覆盖不均匀，如图所示。2e.因此，所提出的碳纳米管在PDMS上的冲压涂层方法是稳健的，足以在三维微结构上形成导电层。拉曼研究验证了所提出的制备方法不会降低CNTs的质量。数字2f为获得的PDMS、涂覆前的原始CNT和CNT/PMDS复合膜的拉曼光谱。PDMS和CNT的实测拉曼峰与报道值一致。CNT/PDMS复合材料也表现出具有代表性的CNT峰(d -峰、g -峰、2d -峰)和PDMS。原始碳纳米管和碳纳米管/PDMS复合材料的d峰到g峰强度分别为1.030和1.038。

数字3.A为多高度微金字塔柔性压力传感器工作原理。在初始状态下，只有最高的微金字塔的顶端与底部电极接触。当施加压力时，较高的微金字塔的接触面积增加，导致传感器的电阻降低。随着施加压力的增加，小的微金字塔接触底部电极。这种顺序接触机构允许广泛的压力传感和提高测量灵敏度。表格1给出了多高度微金字塔压力传感器的设计参数。在这项工作中，多达3个不同大小的基于宽度的微型金字塔(w)的厚度分别为18、36和60 μm。对于具有单高度微金字塔的传感器w微金字塔的直径为60 μm。微金字塔高度分别为w = 18、60 μm和w = 18、36和60 μm时，设计了两种和三种不同微金字塔高度的传感器。

由于所研制的传感器由多个高度的微金字塔组成，因此在没有施加压力的情况下，只有最高的微金字塔才会接触，如图所示。3.b.在不施加压力的情况下，传感器的电阻随着最高微金字塔数的减少而减小。数字3.c分别为3-step、2-step和1-step传感器的空载传感器I-V曲线和测量电阻2180、1464和591 Ω。线性I-V关系证实了CNT/PDMS有源层与底部IDE之间存在保形和稳定的电接触。

在0 ~ 100 kPa的压力范围内进行压缩试验，分析压力传感器的压阻响应。数字4A为各传感器在不同压力下的电阻变化。测量灵敏度(传感器电阻变化百分比除以饱和值66.7%的施加压力)为0.0075 kPa⁻¹, 0.030 kPa⁻¹, 0.165 kPa⁻¹．1级、2级和3级传感器的检测范围定义为传感器响应达到饱和值90%的点，分别为23.8 kPa、13.2 kPa和3.5 kPa。由此可知，通过调节多高度微金字塔的大小和组成，可以调节测量灵敏度和检测范围。这种独特的特性允许构建具有可调传感特性的柔性压力传感器，用于目标传感应用。数字4B为不同尺寸组成的三步金字塔压力传感器的电阻响应。灵敏度为0.084 kPa⁻¹，对60、54和48 μm金字塔结构的检测范围为7.6 kPa:随着金字塔结构尺寸组成的变化，灵敏度增加，但检测范围减小。因此，利用不同尺寸的微金字塔组成可以对多高度传感器的传感性能进行微调。

在2、3.3和13 kPa三个不同的施加压力下监测传感器的响应，以验证传感器在不同负载下的性能，如图所示。4c.结果表明，所研制的传感器能够跟踪压力的变化，并在一致的负载下达到稳定的输出。响应和恢复时间也是压力传感器的重要参数。数字4D表示传感器在人的触摸脉冲加载下的响应。响应时间测量为20毫秒，恢复时间为40毫秒。由于实验条件的限制，采样时间被限制在10毫秒，但所开发的传感器可以跟踪施加压力的快速变化。数字4e显示了在2千帕、1.25循环/秒的速率下2500循环加载的耐久性测试结果。循环试验表明，传感器的响应没有漂移，表明该传感器是稳健的，适合在各种情况下的长时间运行。此外，经过如此长时间的操作后，传感器没有视觉损伤。

研制的多高度压力传感器可用于各种应用场合。数字5A-c为两个手指附着的机器人夹持器的压力传感器。通过精确控制手指夹角，定量分析抓握压力与手指位置的关系。海绵球作为物体，在不同的夹持位置施加不同的压力值，如图所示。5d.柔性压力传感器可用于医疗保健和人体运动跟踪。如图所示，传感器安装在鞋垫上，用于计算步数。5e.传感器响应足够快，可以跟踪用户的快速行走动作(~ 100步/分钟)。作为最后的应用，2 × 2阵列传感器不仅可以获取压力数据，还可以获取空间信息。数字5F显示传感器阵列和不同重量和形状的物体的放置。这种阵列集成允许使用已开发的传感器进行大范围的压力监测，空间分辨率低于厘米。

本工作介绍了由CNT/PDMS有源层和底层IDE组成的多高度压力传感器的设计、制作、表征和应用。活性层实现PDMS微金字塔使用KOH湿蚀刻硅作为模具制造。此外，碳纳米管的冲压涂层确保了碳纳米管层在PDMS微金字塔上的健壮和保形粘附。具有不同尺寸的微金字塔的传感器被制作和测试负载范围高达100千帕。结果表明，多高度微金字塔的集成影响了测量灵敏度和检测范围。研制的传感器具有良好的耐久性和20毫秒的响应时间。当连接到机器人抓手时，传感器可以测量抓手压力。此外，该传感器成功地跟踪了不同步速下的行走运动。本文研究了柔性压力传感器的多高度微结构优化组合，可在不更换传感器材料或改变传感方案的情况下微调传感器性能。

在这项研究中产生或分析的所有数据都包含在这篇发表的文章中。

不适用。

本研究得到韩国国家研究基金基础科学研究计划(NRF)的支持，韩国科学和信息通信科技部(2021R1C1C1011588)和韩国科学和信息通信科技部(DGIST)研发计划(22-RT-01;22-HRHR-05)。

作者指出

1. 作者吴东吉(donggik Oh)和徐忠渊(Jungyeon Seo)对这项工作做出了同样的贡献

作者和联系

1. 大邱庆北科学技术学院机器人与机电工程学系，韩国大邱达城郡显风邑科技中央大道333号，42988

   吴东吉克，徐俊妍，金恒谦，柳chaehyun，方相元，朴素镐和金可俊

2. dist机器人与机电一体化中心，韩国大邱42988

   Park Sukho & Hoe Joon Kim

贡献

DOh:实验、数据整理、形式分析、撰写原创稿;JS:形式分析，撰写原创稿;HGK, CR:数据策划，设备制造;某人:实验;SP:资源、撰稿、编辑;HJK:监督、融资、审稿和编辑。所有作者阅读并批准了最终稿件。

相应的作者

对应到金锄俊．

伦理批准和同意参与

不适用。

同意出版

不适用。

相互竞争的利益

作者声明他们没有竞争利益。

出版商的注意

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