文 | 煜捷史馆
编辑 | 煜捷史馆
-＜复合薄膜与活性层＞-
压力传感器，包括电容式、压电式和电阻式，被广泛用于显示器、机器人和假肢。
对于显示器的应用，压敏触控板作为一种直观的互动界面，为用户提供触摸深度感知以及屏幕表面的传统接触定位。
目前应用于智能手机的压敏触控技术主要使用电容式压力传感器，如一些供应商提出的三维触控。
在施加压力的情况下，这种触摸板可以检测到由于传感器电极之间的距离减少而导致的电容的微小增加。
接下来，煜捷将为你讲述石墨烯复合薄膜应用于传感器活性层时，其自身具备怎样的潜力。
然而，由于寄生电容大，灵敏度低，对电子噪音的敏感度高，以及在柔性显示应用中由于弯曲可能导致的灵敏度变化等问题。
基于自供电压电压力传感器的压敏触控板也被报道。然而，它们通常不能支持静压和多压的检测，除了传统的电容式触摸传感器之外，还需要额外的压力传感器。
因此，电容式和压电式压力传感器可能不是柔性压敏触控板的最佳人选。
与电容式和压电式相比，电阻式压力传感器通过改变活性层的电阻来响应外加压力。
由绝缘弹性体和导电填料组成的复合材料，如碳纳米管和银纳米线，已经被开发出来用于制造电阻式压力传感器。
最近，微结构，如多孔、金字塔和三角形的形态，也被引入复合材料中，以提高压力传感器的灵敏度。
基本上，这些传感器是基于两种机制的。一种是使用压阻式弹性体，由于弹性体中导电填料的重新排列，其电阻率随施加的压力而变化。
这样的压力传感器通常具有低灵敏度、高滞后性和压力灵敏度的温度依赖性。
第二种机制是通过在弹性体或电极上制造微结构来增加施加压力时接触电阻的相对变化来实现高灵敏度。
然而，由于大量的导电填料，这两种传感器通常具有较低的透明度，阻碍了它们在触摸板中的应用。
最近，有人提出了一种利用电纺工艺制造的透明弯曲不敏感的电阻式压力传感器。
虽然可以获得高透光率，但该压力传感器仅在小于1千帕的压力体系中表现出高灵敏度，这不适用于压敏触控板。
此外，制造过程和所需的设备是复杂和具有挑战性的。最近，报道了一种基于渗流石墨烯薄膜的柔性透明电阻式压力传感器阵列用于触摸面板。
然而，由于其压敏特性依赖于石墨烯薄膜的可拉伸性，该传感器阵列可能会因弯曲而出现灵敏度变化。此外，它的制造过程是复杂和耗时的。
因此，我们开发了一种基于石墨烯/聚苯胺嵌入聚乙烯醇缩丁醛（GPANI-PVB）薄膜的电阻式压力传感器。
它具有超薄、高灵敏度、光学透明、各向异性导电、高度耐用、高度灵活和对弯曲不敏感等特点。制造过程简单，温度低，而且全部是基于溶液。
因此，该复合膜适合于制造低成本和大面积的触摸面板。接触电阻和压力敏感度的变化范围可以通过PVB中GPANI的浓度和复合膜的厚度来轻易控制。
基于该复合膜，制造了一种柔性压敏触控板，它支持多点触摸和多级压力检测。
-＜制造过程＞-
下图显示了GPANI-PVB复合膜的制造过程。将PVB粉末、GPANI微粒子和绝对乙醇的混合物搅拌4小时，随后在室温下再超声处理30分钟。
由于PVB溶于乙醇，而GPANI颗粒可以很好地分散在PVB-乙醇溶液中，该混合物最终成为一个均匀的溶液。
所得的溶液通过一个Mayer棒被涂在一个有图案的氧化铟锡涂层的聚对苯二甲酸乙二醇酯（ITO-PET）层上。
ITO和PET分别作为压力传感器的电极和基底，它们可以用其他合适的材料代替。湿的复合膜（用乙醇）的厚度约为68.6微米。
复合膜在80℃下退火15分钟后，乙醇蒸发，GPANI-嵌入的PVB膜被制作出来。
干燥的复合膜（不含乙醇）的厚度是由乙醇中的PVB浓度决定的。
在PVB浓度为2.5、5和10wt%的情况下，用表面轮廓仪测量的厚度分别为1.8、2.7和3μm。
复合膜的表面形态由三维光学轮廓仪[图(a)]和场发射扫描电子显微镜[FE-SEM，图(b)]来描述。
GPANI颗粒的尺寸主要在10-20微米之间[图(c)]，在PVB薄膜的不同位置，GPANI颗粒表现出高度的均匀性。
由于GPANI颗粒的尺寸比PVB薄膜的厚度大几倍，大部分GPANI颗粒被嵌入，甚至渗透到PVB薄膜中。
因此，复合膜在垂直于膜表面的方向上是导电的。
由于GPANI微粒子在PVB膜中的离散分布，复合膜在与膜表面平行的方向上是不导电的。
复合膜的各向异性导电性使其成为应用于触摸板的良好候选者，因为它不会将同一层的相邻电极电性连接。
由于PVB薄膜的高固有透光率和GPANI微粒子在PVB薄膜中的离散分布，GPANI-PVB复合薄膜显示出高透明度，这可以通过PVB薄膜中GPANI的浓度来控制。
在PVB薄膜中GPANI的浓度低于1wt%时，该复合薄膜在整个可见光波段（380-780nm）表现出96%以上的均匀透光率。
这种高的光学透明度是将该复合膜集成到显示器中的一个有用的特征。应该注意的是，GPANI颗粒的大小必须得到很好的控制，以使人眼不可见。
根据瑞利标准，在大于18厘米的观察距离下，也就是触摸面板的观察距离，人眼无法识别出尺寸小于25微米的颗粒，这意味着GPANI-PVB复合膜足以应用于触摸面板。
通过用挡板胶带将第二层ITO-PET层粘合在GPANI-PVB薄膜覆盖的ITO-PET上，使ITO面朝下，制作了基于复合薄膜的柔性压敏触控板。
ITO层之前已经被刻上了宽度为4.5毫米、间隙为0.5毫米的平行条状电极。两层带状电极垂直排列，形成一个10×10的电阻式压力传感器阵列。
作为比较，还制作了一个具有相同的两个ITO-PET层粘合在一起但中间没有GPANI-PVB复合膜的触摸面板。
-＜传感器性能＞-
挡板胶带在两层ITO-PET之间产生了超薄的空气间隙。在没有压力的情况下，由于空气间隙的存在，两层带状电极是电绝缘的。
如果一个像手指一样的橡胶头接触到面板，顶部的ITO层开始接触底部ITO层的GPANI-PVB薄膜，并建立起导电路径。
因此，在触摸发生的位置上可以检测到电阻。随着施加的压力从温和的触摸增加到硬压，由于接触面积的增加和GPANI颗粒与两个ITO层之间接触电阻的减少，检测到的电阻也随之减少。
图(a)说明了在PVB中不同浓度的GPANI的情况下，电阻的相对变化(ΔR/R )是施加压力的函数。
为了初始化GPANI颗粒和ITO层之间的接触，在3千帕的压力下检测到的电阻被定义为初始电阻。
尽管增加PVB中的GPANI浓度导致电阻下降，但电阻的相对变化（对应于灵敏度）保持稳定。
我们提出一个简化模型来解释GPANI浓度对灵敏度的影响[图(b)]。
假设GPANI颗粒是相同大小的球，压力传感器在压力下的电阻（R ）可由以下公式给出：
与电阻式压力传感器相比，所提出的压力传感器在超低压力体系（小于1千帕）中可能没有这么高的灵敏度。
但其在0-100千帕的压力体系中的高灵敏度、高透明度、超薄厚度、高稳定性和耐久性、低磁滞、快速响应，以及由于没有微结构而简化的制造工艺，使该压力传感器成为应用于触摸面板的良好候选方案。
-＜柔性触摸板的性能＞-
通过将两层图案化的ITO-PET薄膜直接粘合在一起，中间没有GPANI-PVB复合膜，制作了一个支持多点触摸检测的传统电阻式触摸面板。
在没有压力的情况下，由边框胶带引起的超薄空气间隙也导致两层行程电极之间的电绝缘。
然而，一旦在触控板上发生非常温和的触摸，两层带状电极之间的电阻将急剧减少到一个非常低的值，这主要是ITO电极的电阻；即使施加的压力增加，电阻几乎保持不变。
因此，没有复合膜的电阻式触控板只能起到开关的作用，不能检测压力水平。此外，由于超低的导通电阻，触控板存在着高耗电的问题。
触摸板中的传感器阵列与GPANI-PVB复合膜之间，可以同时检测触摸位置和应用压力。
由于其高稳定性，阵列中每个压力传感器在3千帕的压力下的电阻被记录下来，并被设定为阈值。
当手指轻轻触碰某个压力传感器时，只有被触碰的压力传感器的电阻低于阈值，触碰位置才会被精确识别。
当手指用力按压压力传感器时，由于接触面积的增加，周围八个压力传感器的电阻也低于阈值，但电阻的相对变化没有超过中心压力传感器的电阻，可以精确得出施加的压力。
因此，触摸板支持多级压力检测[图(e)]。
测试是通过手动操作压力计，通过类似手指的橡胶头在触摸板上连续施加多级压力来进行的。
压力敏感触控板也支持多点触控检测[图(c)和(d)]，使用的是电阻相对变化的峰值所在的位置。
图(a)-(d)还从另一个角度证明，由于压力敏感度的高度统一，初始电阻的变化并不是一个问题。
-＜讨论＞-
对于实际使用，应考虑温度和湿度对触控板性能的影响。尽管湿度对性能的影响可以忽略不计，但温度的增加导致压力传感器的电阻几乎线性减少。
考虑到ITO-PET薄膜的电阻从-25℃增加到85℃只引起轻微的增加（2.1%），电阻的变化可能是由于温度的增加导致GPANI颗粒和ITO层之间的等效接触电阻减少。
然而，电阻的相对变化（代表灵敏度）保持稳定。
因此，如果我们在触控板上用给定的压力（如3千帕）制作一个基于GPANI-PVB薄膜的类似传感器，并测量其电阻作为阈值，就可以校准温度引起的电阻变化。
上图显示，在20-100千帕的压力范围内，由于接触面积几乎恒定和等效接触电阻的缓慢下降，压力传感器的灵敏度相对较低。
然而，如果我们使用电导率的变化，也就是电阻的倒数，来识别施加的压力，情况就会大大改善。
这种改善是由于压力传感器的电阻与施加的压力（20-100kPa）之间存在近似的反比例关系。
图(b)说明了一个利用电导率变化的测量电路。根据带负反馈的非反转运算放大器（OA）的原理，输出电压（Uo）可以表示为：
其中Ui表示输入电压，Rf表示反馈电阻，Rx表示待测的压力传感器的电阻。
在没有施加压力的情况下，Rx是无限的，Uo=Ui，随着施加压力的增加，Rx减少，Uo增加。
Rx=Rf时，Uo=2Ui，在高压下Rx=Rf/N时，Uo=（N+1）Ui。
因此，驱动电路将电阻变化的测量转化为输出电压的变化，这是压力传感器电导率的线性函数，提高了20-100kPa压力范围内的压力灵敏度。
此外，输出电压的变化可以通过模数转换器被后端数字电路方便地处理。
-＜结论＞-
GPANI-PVB复合膜的高灵敏度、高透明度、高柔韧性、高均匀性、低滞后性、快速响应时间、各向异性的导电性和弯曲不敏感，使其成为制造柔性互动电子设备的良好候选材料，如柔性显示器、透明电子皮肤和健康监测器。
这些设备可以为用户或机器人提供有关接触位置和应用压力的信息。
由于这些设备通过检测电阻而不是电容来工作，电磁干扰对测量结果的影响可以忽略不计，这意味着这些设备在恶劣的环境下，如在水中或强电磁场中，将显示出高可靠性和适用性。
这种简便的、低温的、基于全溶液的方法也使得低成本、大面积的交互式装置的制造成为可能。
