Khảo sát tác động của nhiệt độ tới cảm biến áp lực hữu cơ sử dụng vật liệu polyme

Đo lường – Tin học<br /> <br /> KHẢO SÁT TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ TỚI<br /> CẢM BIẾN ÁP LỰC HỮU CƠ SỬ DỤNG VẬT LIỆU POLYME<br /> Khổng Đức Chiến1,2,*, Lê Thị Trang3, Hoàng Văn Phúc1, Đào Thanh Toản4,5,*<br /> Tóm tắt: Cảm biến áp lực hữu cơ đang nhận được sự quan tâm nghiên cứu của<br /> nhiều nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước vì những ưu điểm mà vật liệu truyền<br /> thống không mang lại được. Đó là tính mềm dẻo, dễ sản xuất, tái sử dụng và chi chế<br /> tạo thấp. Trong công trình nghiên cứu gần đây, nhóm tác giả đã đề xuất phương pháp<br /> đơn giản chế tạo cảm biến áp lực hữu cơ có dải đo rộng lên tới 500 N, sử dụng vật<br /> liệu polyme và khảo sát đặc tính cảm biến. Trong bài báo này, chúng tôi tóm tắt quá<br /> trình chế tạo cảm biến, đồng thời đánh giá sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc tính<br /> đầu ra của cảm biến. Kết quả thí nghiệm cho thấy đặc tính đầu ra của cảm biến thay<br /> đổi theo nhiệt độ làm việc của cảm biến, đồng thời kết quả có thể làm cơ sở để tính<br /> toán các giải pháp bù khi phát triển các ứng dụng cụ thể cho cảm biến.<br /> Từ khóa: Cảm biến áp lực; Điện tử uốn dẻo; Ảnh hưởng của nhiệt độ.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Trong những năm gần đây, cảm biến áp lực hữu cơ đã được nghiên cứu phát triển<br /> mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong màn hình cảm ứng [1, 2], trong y học [3-5], tự<br /> động hóa [6, 7], và theo dõi sức khỏe các công trình xây dựng [8-10]. Nhiều các nghiên<br /> cứu đã tập trung vào phát triển các loại cảm biến có độ nhạy cao bao gồm: cảm biến điện<br /> trở [3, 5, 11], cảm biến điện dung [12, 13], cảm biến trên cơ sở dụng dụng OFET [7, 14],<br /> cảm biến dựa trên hiệu ứng áp điện [8, 15, 16].<br /> Hiện nay, nhiều hướng nghiên cứu, phát triển các loại cảm biến điện trở sử dụng vật<br /> liệu ống nanocacbon (CNT: Carbon Nanotube) và vật liệu Poly- Demethylsiloxane<br /> (PDMS) hoặc sử dụng kết hợp hai vật liệu trên [4, 7, 14, 16]. Bằng cách thay đổi cấu trúc<br /> 3D bề mặt của CNT ở mức độ micro, nano [3, 4, 7, 14-16] hoặc kết hợp tạo ra các khe hở<br /> không khí [17], nhiều hướng nghiên cứu đã công bố phát triển thành công các cảm biến có<br /> độ nhạy cao và thời gian đáp ứng tốt.<br /> Tuy nhiên, trong quy trình sản xuất các cảm biến này khá phức tạp, cần phải có thiết bị<br /> chuyên dụng để có thể tạo ra cấu trúc bề mặt cấp độ nano, micro của vật liệu ống nano các<br /> bon hoặc phải tiến hành các quá trình xử lý bề mặt, tạo màng phức tạp. Các kỹ thuật này<br /> rất khó thực hiện với điều kiện về kỹ thuật cũng như chi phí tại các phòng thí nghiệm<br /> trong nước hiện nay.<br /> Trong công trình nghiên cứu gần đây, chúng tôi đề xuất phương pháp sản xuất cảm<br /> biến áp lực đơn giản hơn bằng phương pháp ép nhiệt, sử dụng màng mỏng Polyurethane.<br /> Đặc tính hóa cho thấy, hóa cảm biến có thể so sánh với các nghiên cứu tương đồng khác<br /> đã công bố. Đồng thời qua khảo, cảm biến có độ dày 100m cho thấy có đặc tính cũng<br /> như độ nhạy tốt nhất trong bốn loại cảm biến 100m, 200m, 300m và 500m. Trong<br /> bài báo này, chúng tôi trình bày tóm tắt quá trình chế tạo cảm biến, đồng thời mô tả chi tiết<br /> phương pháp đánh giá sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc tính của cảm biến áp lực hữu cơ<br /> sử dụng vật liệu polyme có độ dày 100m. Kết quả thử nghiệm cho thấy đặc tính của cảm<br /> biến phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ.<br /> 2. CHẾ TẠO CẢM BIẾN ÁP LỰC HỮU CƠ<br /> Chi tiết về phương pháp chế tạo cảm biến áp lực hữu cơ bằng phương pháp ép nhiệt<br /> chúng tôi đã đề cập ở nghiên cứu trước [18]. Để thuận tiện trình bày, chúng tôi xin tóm tắt<br /> lại các bước chế tạo cảm biến có cấu tạo chi tiết như được thể hiện trên hình 1.<br /> <br /> <br /> 376 K. Đ. Chiến, …, Đ. T. Toản, “Khảo sát tác động của nhiệt độ … sử dụng vật liệu polyme.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> A<br /> <br /> Polyme nhạy áp<br /> (Thermal Polyurethane: TPU)<br /> εr d<br /> Điện cực<br /> (Aluminium foil)<br /> <br /> Hình 1. Cấu tạo chi tiết cảm biến áp lực hữu cơ.<br /> Các bước của quá trình chế tạo cảm biến bằng phương pháp ép nhiệt bao gồm: Chuẩn<br /> bị điện cực (hình 2), chuẩn bị màng vật liệu Polyme nhạy áp (Thermal Polyurethane: TPU)<br /> (hình 3) và gia công hoàn thiện cảm biến (hình 4).<br /> (a) (b) (c)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Chuẩn bị điện cực.<br /> Như được mô tả trên hình 2, các tấm điện cực bằng nhôm (Aluminium foil) sau khi<br /> đo, xác định kích thước phù hợp 7×7 cm (hình 2a) được cắt ra, vệ sinh, làm phẳng (hình<br /> 2b) và cuối cùng được nối với dây dẫn (hình 2c).<br /> (a) (b)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Chuẩn bị màng TPU.<br /> Hình 3 mô tả bước chuẩn bị vật liệu polyme, màng TPU 100 m được đo, xác định kích<br /> thước 8×8 cm (hình 3a), kích thước này được chọn lớn hơn kích thước của điện cực để tránh<br /> ngắn mạch, sau đó được cắt ra, vệ sinh làm sạch và gỡ bỏ phần vỏ bảo vệ (hình 3b).<br /> (a) (b) (c) (d)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Gia công hoàn thiện cảm biến.<br /> Cuối cùng là bước gia công, hoàn thiện cảm biến như được thể hiện trên hình 4. Tấm<br /> màng mỏng Polyurethane được đặt vào giữa hai điện cực (hình 4a), tổ hợp gồm điện cực<br /> và màng mỏng Polyurethane được đặt vào giữa hai tấm màng ép Plastic (hình 4b), sau đó<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 377<br />  Đo lường – Tin học<br /> hai tấm màng ép Plastic được liên kết với nhau sử dụng thiết bị ép tại nhiệt độ 80 C (hình<br /> 4c). Cảm biến sau khi hoàn thiện thể hiện trên hình 4d.<br /> Sau khi hoàn thiện chế tạo cảm biến, nhóm tác giả nhận thấy rằng trong các tham số<br /> ảnh hưởng tới đặc tính kỹ thuật của cảm biến thì tham số nhiệt độ đóng vai trò rất lớn. Vì<br /> vậy chúng tôi đã tiến hành thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc tuyến<br /> cũng như tham số độ nhạy của cảm biến. Chi tiết quá trình thí nghiệm được mô tả trong<br /> phần tiếp theo của bài báo.<br /> 3 ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TỚI CẢM BIẾN<br /> 3.1. Thiết lập thí nghiệm<br /> Hình 5 mô tả quá trình thí nghiệm đánh giá tác động của nhiệt độ tới cảm biến. Trong<br /> đó, cảm biến tạo được đặt trên thiết bị gia nhiệt SCILOGEX MS-H280-Pro. Thiết bị gia<br /> nhiệt có chức năng làm nóng và duy trì nhiệt độ của cảm biến ở các nhiệt độ cần khảo sát.<br /> Thiết bị nén thủy lực UH-500 kNI làm việc ở chế độ bán tự động, tốc độ hành trình 1<br /> mm/phút, được sử dụng để tạo lực nén tác dụng lên cảm biến trong quá trình thí nghiệm.<br /> Điện dung cảm biến trong quá trình thử được giám sát bởi thiết bị HIOKI 3522-50 ở chế<br /> độ xoay chiều, tần số 100 Hz - phù hợp với cảm biến hữu cơ có tần số đáp ứng thấp [19].<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Nhả<br /> Nén<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Thiết bị gia nhiệt Thiết bị nén thủy lực Máy đo điện dung<br /> <br /> Hình 5. Thí nghiệm khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ<br /> tới cảm biến áp lực hữu cơ.<br /> Khi đó, sơ đồ mạch đo tương đương của cảm biến khi đo bằng máy đo điện dung<br /> HIOKI 3522-50 được thể hiện trên sơ đồ hình 6.<br /> Cảm biến<br /> <br /> <br /> <br /> Xử lý tín hiệu<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Sơ đồ mạch đo tương đương.<br /> <br /> <br /> 378 K. Đ. Chiến, …, Đ. T. Toản, “Khảo sát tác động của nhiệt độ … sử dụng vật liệu polyme.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> Theo sơ đồ hình 6, khi cầu đo cân bằng ta có mối quan hệ: Z Sensor / Z1  Z 3 / Z 2 hay<br /> Z Sensor  ( Z 3 / Z 2 ) Z1 . Vì vậy, giá trị điện dung cảm biến được thông qua các giá trị trở<br /> kháng phức Z1, Z2, Z3 đã biết. Thực tế các giá trị này được số hóa, tính toán tại khối xử lý tín<br /> hiệu (signal processing) và hiển thị. Quá trình này được thực hiện tự động bởi thiết bị đo<br /> HIOKI 3522-50, bởi các thiết lập phép đo.<br /> 3.2. Kết quả<br /> Sau khi hoàn thành thử nghiệm, các đồ thị đặc tính cảm biến tại các nhiệt độ thử<br /> nghiệm được thể hiện trên hình 7a. Có thể thấy được từ hình vẽ, các đồ thị đặc tính của<br /> cảm biến tăng dần đều theo giá trị nhiệt độ. Cụ thể đường đặc tính cảm biến ở 25 C thấp<br /> nhất với điểm đầu đặc tuyến ở giá trị khoảng 0,072 pF/mm2, đặc tuyến tăng nhanh ứng với<br /> giá trị áp lực trong khoảng (0-0,02) N/mm2, sau đó tăng chậm rồi có xu hướng bão hòa ở<br /> giá trị 0,16 pF/mm2. Các đặc tính nhiệt độ còn lại ở 40 C, 50 C, 70 C sắp xếp khá đều<br /> trên đường đặc tính 25 C theo khoảng gia tăng của nhiệt độ. Trong đó đường đặc tính<br /> cảm biến ở 70 C nằm cao nhất với điểm đầu đặc tuyến ở giá trị khoảng 0,082 pF/mm2,<br /> đặc tuyến tăng nhanh ứng với giá trị áp lực trong khoảng (0-0,003) N/mm2, sau đó tăng<br /> chậm rồi có xu hướng bão hòa ở giá trị 0,172 pF/mm2. Cùng với đó, các đặc tính ở nhiệt<br /> độ cao hơn có xu hướng tiến tới giá trị bão hòa nhanh hơn, tức là khoảng làm việc của cảm<br /> biến cũng bị thu nhỏ lại.<br /> (a) (b)<br /> 0,188 0,26<br /> P = 0,003 N/mm2<br /> 0,172<br /> 0,24<br /> §iÖn dung (pF/mm2)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0,156<br /> §é nh¹y (kPa-1)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0,22<br /> 0,141 25 C<br /> 40 °C<br /> 0,125 50 °C 0,20<br /> 70 °C<br /> 0,109 0,18<br /> <br /> 0,094 0,16<br /> 0,078<br /> 0,14<br /> 0,063<br /> 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 20 30 40 50 60 70<br /> Á p lùc (N/mm2) NhiÖt ®é (OC)<br /> Hình 7. Sự phụ thuộc của (a) đặc tính cảm biến và (b) độ nhạy theo nhiệt độ.<br /> Cũng theo hình 7a, ta có thể nhận thấy, đặc tính của cảm biến có thể được chia thành<br /> hai đoạn khá tách biệt: phần đầu đặc tuyến có độ dốc cao ứng với giá trị áp lực từ 0 tới<br /> khoảng 0,01 N/mm2 có thể phát triển các ứng dụng ứng với lực tác dụng lên tới 20 N; phần<br /> còn lại của đặc tuyến có độ dốc nhỏ hơn ứng với áp lực lớn hơn 0,01 N/mm2 có thể phát<br /> triển các ứng dụng với lực tác dụng trong khoảng 20 N tới 500 N.<br /> Cùng với đặc tính theo nhiệt độ của cảm biến, tham số độ nhạy cũng thay đổi theo<br /> nhiệt độ như được thể hiện trên hình 7b. Xét tại giá trị áp lực P = 0,03 N/mm2, độ nhạy<br /> cảm biến ở 25 C nhỏ nhất với giá trị 0,145 kPa-1, độ nhạy ở các nhiệt độ 40 C, 50 C, 70<br /> C tăng dần tương ứng với các giá trị 0,159 kPa-1, 0,218 kPa-1, 0,245 kPa-1.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Trong bài báo này, chúng tôi đã trình bày phương pháp chế tạo cảm biến áp lực hữu cơ<br /> sử dụng vật liệu Polyme, đồng thời đánh giá sự ảnh hưởng của tham số nhiệt độ tới cảm<br /> biến. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng, cảm biến áp lực hữu cơ chế tạo từ vật liệu<br /> Polyurethane có hệ số ảnh hưởng nhiệt độ dương. Tương tự như cảm biến áp lực bằng vật<br /> liệu PVDF [20], đặc tính đầu ra cảm biến tăng tương đối đều theo nhiệt độ làm việc. Tuy<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 379<br />  Đo lường – Tin học<br /> nhiên, mỗi cảm biến có các đặc tuyến phụ thuộc nhiệt độ riêng vì vậy khảo sát các đặc tuyến<br /> nhiệt độ với các vật liệu khác nhau là rất cần thiết để thực hiện các giải pháp bù nhiệt cho<br /> các mạch giao tiếp cảm biến. Hiện nay chúng tôi đang tiếp tục nghiên cứu khảo sát đối với<br /> các cảm biến có độ dày khác nhau cũng như phát triển các ứng dụng cho cảm biến.<br /> Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ<br /> Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 103.02-2017.34.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Y. Y. Lin, D. I. Gundlach, S. F. Nelson, and T. N. Jackson, "Pentacene-based<br /> organic thin-film transistors," IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 44<br /> (1997), pp. 1325-1331.<br /> [2]. B. Crone et al., "Large-scale complementary integrated circuits based on organic<br /> transistors," Nature, Vol. 403 (2000), pp. 521-523.<br /> [3]. C. Sekine, Y. Tsubata, T. Yamada, M. Kitano, and S. Doi, "Recent progress of high<br /> performance polymer OLED and OPV materials for organic printed electronics,"<br /> Science and Technology of Advanced Materials, (2016).<br /> [4]. T. Sekitani and T. Someya, "Stretchable organic integrated circuits for large-area<br /> electronic skin surfaces," MRS Bulletin, Vol. 37, No. 03 (2012), pp. 236-245.<br /> [5]. OE-A, “OE-A Roadmap for Organic and Printed Electronics,” (2016).<br /> [6]. O. Marinov, M. J. Deen, U. Zschieschang, and H. Klauk, "Organic thin-film<br /> transistors: Part I—Compact DC modeling," IEEE Transactions on Electron<br /> Devices, Vol. 56 (2009), pp. 2952-2961.<br /> [7]. M. Estrada et al., "Accurate modeling and parameter extraction method for organic<br /> TFTs," Solid-state electronics, Vol. 49 (2005), pp. 1009-1016.<br /> [8]. C. Kim, Y. Bonnassieux, and G. Horowitz, "Compact DC modeling of organic field-<br /> effect transistors: Review and perspectives," IEEE Transactions on Electron Devices,<br /> Vol. 61 (2014), pp. 278-287.<br /> [9]. L. D. Hung, N. D. N. Tam, B. T. Tu, "Parameter Extraction for EKV 2.6 MOSFET<br /> Model Based on Genetic Algorithm", Journal of Science and Technology, Vietnam<br /> Academy of Science and Technology, Vol. 52 (2014), pp. 46-56.<br /> [10]. T. T Ho, H. T. Pham, H. Sakai, T. T. Dao, "Fabrication and SPICE Modeling of a<br /> Low-voltage Organic Thin-film Transistor with PVC gate dielectric", Proc. of 3rd<br /> International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology (ICAMN),<br /> Hanoi (2016), pp. 308-311.<br /> [11]. H. T. Pham, T. V. Nguyen, L. Pham-Nguyen, H. Sakai, and T. T. Dao, "Design and<br /> Simulation of a 6-Bit Successive-Approximation ADC Using Modeled Organic Thin-<br /> Film Transistors," Active and Passive Electronic Components, Vol. 2016, (2016).<br /> [12]. Synopsys, "HSPICE - Reference Manual: MOSFET Models," Synopsys, Technical<br /> report (2012).<br /> [13]. K. Kuribara et al., "Organic transistors with high thermal stability for medical<br /> applications," Nature Communications, Vol. 3 (2013), pp.723.<br /> [14]. P. Wobkenberg et al., "Low-voltage organic transistor based on solution processed<br /> semiconductos and self-assemble monolayer gate dielectrics," Applied Physics<br /> Letter, Vol. 93 (2008), pp. 13303.<br /> [15]. S. Kim et al., "Ink-jet-printed organic thin-film transistors for low-voltage-driven<br /> CMOS circuits with solution-processed AlOx gate insulator," IEEE Electron Device<br /> Letter, Vol. 34 (2013), pp.307–309.<br /> [16]. X. -H. Zhang, S. P. Tiwari, S.-J. Kim, and B. Kippelen, "Low-voltage pentacene<br /> organic field-effect transistors with high-K HfO2 gate dielectrics and high stability<br /> <br /> <br /> 380 K. Đ. Chiến, …, Đ. T. Toản, “Khảo sát tác động của nhiệt độ … sử dụng vật liệu polyme.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> under bias stress," Applied Physics Letter, Vol. 95 (2009), pp. 223302.<br /> [17]. L. Feng et al., "Unencapsulated air-stable organic field effect transistor by all<br /> solution processes for low power vapor sensing," Science Report, Vol.6 (2016), pp.<br /> 20671.<br /> [18]. Khổng Đức Chiến, Hoàng Văn Phúc, Đào Thanh Toản, “Chế tạo cảm biến áp lực hữu<br /> cơ sử dụng vật liệu Polyme, ứng dụng trong tự động theo dõi sức khỏe công trình xây<br /> dựng”, Tạp chí nghiên cứu khoa học và Công nghệ quân sự, chấp nhận đăng 07/2018;<br /> [19]. Toan Thanh Dao "Capacitance-voltage measurement and analysis of organic MIS<br /> capacitor nonvolatile memory", Journal of Military Science and Technology, Vol 49,<br /> pp.61-67, 2017<br /> [20]. Shirinov, A. V., and W. K. Schomburg. "Pressure sensor from a PVDF<br /> film." Sensors and Actuators A: Physical 142.1 (2008), pp.48-55.<br /> ABSTRACT<br /> INVESTIGATION OF TEMPERATURE DEPENDENCE OF<br /> PRESSURE SENSOR USING POLYMER MATERIAL<br /> Organic pressure sensors are receiving lots of research attention because of its<br /> outstanding benefits comparing with non-organic pressure sensors that includes<br /> mechanical flexibility, easily fabrication, reusable and low-cost. In our previous<br /> research, we presented a low-cost, easy method to fabricate pressure sensor using<br /> polymer material. In this paper, we summarized the synthesis process and<br /> investigated the influence of thermal on output characteristic of sensors.<br /> Experimental results indicate that output signal of the TPU pressure sensor is a<br /> strong function of temperature. Therefore, a temperature compensation of the<br /> output signal is important and needs to take into consideration while designing<br /> sensor applications.<br /> Keywords: Pressure sensor, Flexible electronics, Temperature dependence.<br /> <br /> Nhận bài ngày 01 tháng 7 năm 2018<br /> Hoàn thiện ngày 10 tháng 9 năm 2018<br /> Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 9 năm 2018<br /> <br /> <br /> Địa chỉ: 1Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật quân sự;<br /> 2<br /> Trung tâm Giám định Chất lượng, Cục Tiêu chuẩn-Đo lường-Chất lượng;<br /> 3<br /> Khoa Điện tử, Đại học Công nghiệp Hà Nội;<br /> 4<br /> Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Giao thông Vận tải;<br /> 5<br /> Trung tâm nghiên cứu và Phát triển Việt-Nhật (ViJARD), Trường Đại học Giao thông<br /> Vận tải.<br /> * Email: kchien.tdc@gmail.com; daotoan@utc.edu.vn.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 381<br />