Hochempfindlicher flexibler Dehnungssensor mit Poly(vinylidenfluorid)-Piezoelektrischem Film

Zusammenfassung

Wir demonstrieren ein 4 × 4 flexibles Sensorarray, bestehend aus 16 mikrokapazitiven Einheiten, gefertigt aus einem 50 µm dicken Poly(vinylidenfluorid) (PVDF) piezoelektrischen Film. Optische Bildgebung und Piezoresponse-Kraftmikroskopie (PFM) bestätigen eine scharfe PVDF/Elektroden-Grenzfläche und robuste piezoelektrische Domänen. Das Array liefert ein ultrahohe Signal-Rausch-Verhältnis, mit einer Ausgangsspannung, die linear proportional zum angewendeten Druck bei 12 mV kPa⁻¹ ist. Die transiente Erholung erfolgt in unter 2,5 µs, was die schnelle elektromechanische Leistung unterstreicht. Theoretische Simulationen zeigen, dass Signalübersprechen zwischen benachbarten Zellen unter 178 kPa vernachlässigbar ist, was die Skalierbarkeit des Designs bestätigt.

Hintergrund

Poly(vinylidenfluorid) (PVDF) ist ein chemisch stabiles piezoelektrisches Polymer, bekannt für seine pyroelektrischen, piezoelektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften [1, 2]. Seine beeindruckende mechanische Robustheit – Elastizitätsmodul von 2.500 MPa und Zugfestigkeit nahe 50 MPa – macht PVDF-basierte Drucksensoren hochflexibel und ermüdungsfest [3, 4]. Im Vergleich zu konventionellen ferroelektrischen PZT-Sensoren bietet PVDF eine ungiftige, biokompatible Alternative [5, 6] und überlegene Weichheit, die es ermöglicht, sich komplexen Geometrien anzupassen, die für fortschrittliche Dehnungsmessanwendungen essenziell sind [7, 8]. Jüngste Arbeiten demonstrierten PVDF-Sensoren, integriert in smarte Katheter für Echtzeit-Drucküberwachung [11], Pulswellenüberwachung der Fahrhand für Sicherheitsanwendungen [12] und künstliche Haut, die sowohl Druck als auch Temperatur erfasst [13]. Die meisten berichteten Geräte bieten jedoch nur Einzelpunktsensing mit begrenzter räumlicher Auflösung.

In realen Szenarien – wie tragbaren Biosensoren, die Druckverteilungen am menschlichen Körper abbilden – besteht ein klarer Bedarf an multipunktfähigen, hochflexiblen und ultraempfindlichen Sensorarrays [14–16]. Hier präsentieren wir ein 4 × 4 flexibles Sensorarray basierend auf PVDF-Film, das eine Empfindlichkeit von 12 mV kPa⁻¹ und eine Ansprechzeit von 2,5 µs erreicht. Wir kartieren auch die Druckverteilung eines menschlichen Fingers bei gängigen Bewegungen, was das praktische Potenzial des Arrays demonstriert.

Design und Experiment

Design und Fertigung des Sensorarrays

Der Sensor nutzt eine Sandwich-Architektur: ein 50 µm dicker PVDF-Film (Jinzhou Kexin Inc., China) ist auf beiden Seiten mit 20 µm dicken Aluminium-Elektrodenschichten beschichtet. Abbildung 1a illustriert das Design, bei dem 16 Mikrokondensator-Einheiten in einem 4 × 4 Gitter angeordnet sind, wobei jeweils vier Einheiten einen gemeinsamen Ausgabedraht teilen, um die Verdrahtungskomplexität zu minimieren.

Abb. 1. a Schematisches Diagramm des Sensorarrays. b Physikalisches Bild des fertigen Geräts.

Die Fertigung erfolgt auf einem PDMS-beschichteten Glassubstrat als steife Unterlage. Der bereits metallisierte PVDF-Film wird auf dem Substrat positioniert und anschließend mit einer 3000 U/min Photoresist-Schicht für 40 s beschichtet. Photolithografie gefolgt von Nassätzen des Aluminiums über einen Maskenaligner (ABM, Inc., USA) ergibt das 16-Einheiten-Muster. Das fertige Array wird vom Substrat gelöst, und jeder Kondensator wird mit Silberleitlack an Leiterbahnen angebunden. Zur Gewährleistung der Biokompatibilität wird die gesamte Baugruppe in PDMS eingekapselt und 12 h bei 60 °C ausgehärtet. Abbildung 1b zeigt den fertigen, flexiblen Sensor, der um einen Zylinder gebogen ist.

Piezoelektrische Eigenschaften des Sensorarrays basierend auf PVDF-Film

PFM-Messungen (Seiko, Inc., Japan) wurden auf der PVDF-Oberfläche unter 2 V AC-Vorspannung über einem 2 × 2 µm² Bereich durchgeführt. Der resultierende Phasenkontrast bestätigt gut definierte piezoelektrische Domänen und eine klare Grenzfläche zu den darunterliegenden Elektroden.

Kalibrierung des Sensorarrays

Die Kalibrierung erfolgte durch Anlegen kontrollierter Drücke auf das Array mittels einer elektromechanischen Plattform, gekoppelt an ein National Instruments DAQ-USB6008. Die Ausgangsspannung des Sensors wurde bei variierendem Druck aufgezeichnet, um eine Spannungs-Druck-Kalibrierkurve zu erstellen.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 2a zeigt die Oberflächenmorphologie nach dem Ätzen unter einem optischen Mikroskop, die einen deutlichen Kontrast aufweist, der auf eine saubere PVDF/Aluminium-Grenzfläche hinweist. Abbildungen 2b und 2c zeigen die PVDF-Oberfläche und ihr PFM-Phasenbild; die glatte Morphologie und das starke Phasensignal belegen ein robustes piezoelektrisches Verhalten.

Abb. 2. a Oberflächenmorphologie nach dem Ätzen. b PVDF-Oberfläche. c Phasen-PFM-Bild.

Unter konstantem 98,1 kPa Druck auf eine einzelne Elektrode erzeugt der Sensor eine Ausgangsspannung von 123,1 mV mit vernachlässigbarem Rauschen, wie in Abbildung 3a gezeigt. Wird identischer Druck gleichzeitig auf vier Elektroden angelegt, liefert jede ~190 mV, was eine hervorragende Synchronisation über das Array demonstriert (Abbildung 3b). Eine lineare Spannungs-Druck-Kalibrierung von 60–150 kPa ergibt eine Steigung von 12 mV kPa⁻¹ mit einem Offset von –159,2 mV (Abbildung 3c).

Abb. 3. Gefilterte Ausgangsspannungen: a einzelne Elektrode, b vier Elektroden, c Kalibrierkurve.

Transiente Antwortprüfungen umfassten das Anlegen von Impulsdrücken (≈75,1 kPa) bei 90 Hz. Die Sensorspannung steigt und fällt innerhalb von 2 ms an, was eine schnelle elektromechanische Antwort anzeigt (Abbildung 4a). Im Bereich 60–150 kPa bleibt die Ansprechzeit konsistent unter 2 ms, und die Ausgangsamplituden stimmen mit der linearen Kalibrierung überein.

Abb. 4. Halte- und Loslassantworten für Drücke: a 75,1 kPa, b 58,2 kPa, c 67,8 kPa, d 81,9 kPa, e 98,1 kPa, f 153,6 kPa. Inset: Antwort von blankem PVDF.

Signalübersprechen zwischen benachbarten Elektroden wurde durch COMSOL Multiphysics Simulationen untersucht. Jede Elektrode umfasst 1,4 mm². Abbildung 5b zeigt die Verformungsverteilung, wenn Druck auf Elektrode A ausgeübt wird, mit erhöhter Verformung an benachbarten Stellen. Die simulierte Störspannung variiert linear mit dem angewendeten Druck, mit einer Steigung von 0,028 mV kPa⁻¹ und einem Achsenabschnitt von 5 × 10⁻⁴ mV (Abbildung 5c). Störungen fallen unter 5 mV für Drücke unter 178 kPa, was sie praktisch vernachlässigbar macht. Eine Verringerung der Elektrodenfläche mindert Störungen weiter, wie Simulationen mit 1,2, 1,0 und 0,8 mm² Elektroden bestätigen (Abbildung 5d).

Abb. 5. a Simulationsgeometrie. b Verschiebungskarte. c Störspannung vs. Druck für 1,4 mm². d Ergebnisse für 0,8, 1,0, 1,2 mm² Elektroden.

Zur Demonstration der praktischen Nützlichkeit kartierten wir die Druckverteilung über einen Daumen bei drei gängigen Bewegungen: Shiatsu, Kneten und Reiben. Abbildung 6 zeigt, dass bei Shiatsu ein konzentrierter 76 kPa Fleck im Zentrum des Fingers erscheint, während Kneten höheren Druck auf der Vorderfläche erzeugt und Reiben eine gleichmäßigere ~68 kPa Verteilung ergibt. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren klinischen Beobachtungen überein und bestätigen die Fähigkeit des Sensors, nuancierte Fingerbewegungsdrücke zu erfassen.

Abb. 6. Finger-Druckkarten: a Shiatsu, b Kneten, c Reiben.

Zusammenfassend bietet das gefertigte 4 × 4 PVDF-basierte Sensorarray flexible, hochempfindliche Dehnungserkennung mit schnellen Ansprechzeiten. Die demonstrierte Druckkartierungsfähigkeit an menschlichen Fingern deutet auf starkes Potenzial für tragbare Biosensorik und robotische haptische Anwendungen hin.

Abkürzungen

PFM:

Piezoresponse-Kraftmikroskopie

PVDF:

Poly(vinylidenfluorid)