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

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