王鏡堯

摘 要：面對傳統(tǒng)傳感器在許多領(lǐng)域受限的情況，具有柔性，透明，便于量產(chǎn)等優(yōu)勢的傳感器亟待被發(fā)掘。本實驗測定了氧化銦錫（即ITO）薄膜的基礎(chǔ)性能，定性的研究了ITO薄膜的基礎(chǔ)屬性，通過ITO薄膜的單面導(dǎo)電性，設(shè)計出對壓力有高靈敏度的電極，制造了一種高柔性，透明，輕便，低成本，可以量產(chǎn)的傳感器，并通過將外電路短接的方式，體現(xiàn)了ITO作為傳感器將力電信號轉(zhuǎn)化的功能。

關(guān)鍵詞：ITO;傳感器;反應(yīng)系統(tǒng)

中圖分類號：TN151 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）09-0028-02

0 引言

在大數(shù)據(jù)時代即將到來的今天，數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)愈加被重視。但是傳統(tǒng)傳感器大多有著低靈活性，高重量，光學(xué)性能差等弊端。新式傳感器的研發(fā)已迫在眉睫。

ITO全稱Indium tin oxide，即銦錫氧化物。氧化銦錫材料具有較低的電阻率，是極有潛力的電學(xué)材料。其的靈活應(yīng)用在傳感領(lǐng)域有著深遠意義。觸屏正成為電器控制的主流，而在當今的觸屏市場上ITO觸屏占據(jù)著重要地位，這歸根結(jié)底是來源于ITO良好的性能。ITO具有著極強的柔性。柔性材料的傳感在機器人科技[1]和可穿戴電子技術(shù)[2]中都是重要的課題。傳統(tǒng)傳感器的低靈活性在許多方面上限制了現(xiàn)代科技的發(fā)展，因而柔性傳感的研究將成為打開新世界的大門。在柔性材料中，ITO又同時擁有高透光性和低生產(chǎn)成本的特點。隨著觸屏控制化成為電器控制的趨勢，ITO受到越來越多的關(guān)注。同時，ITO的質(zhì)輕和透明也將其引向可穿戴電子技術(shù)的核心。

傳感器的根本原理是將力電信號的轉(zhuǎn)化，主要方式基本是壓阻式、壓電式、電容式、摩擦方式等。主流傳感器主要有：（1）壓阻式：由于部分材料在受力時內(nèi)部粒子距離發(fā)生變化導(dǎo)致導(dǎo)電性能的變化，即電阻率變化，傳統(tǒng)的壓阻式傳感器有著工藝簡單，低成本的優(yōu)勢。（2）壓電式：因材料體積的變化，導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)生極化，將外界能量轉(zhuǎn)化為電能，進而體現(xiàn)受力情況。壓電系數(shù)與能量轉(zhuǎn)化效率正相關(guān)，因而可以實現(xiàn)高靈敏度，高精確度。（3）電容式：受力時，平行電容板間距離變化，電容發(fā)生變化。將力信號轉(zhuǎn)化為電容性能的變化，來實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)化過程?？梢赃_到高靈敏度，低耗能的效果。（4）摩擦式：這種方式的根本理論背景是摩擦電效應(yīng)。內(nèi)部材料發(fā)生摩擦，保存著電荷。受力會使材料發(fā)生位置變化，把電荷轉(zhuǎn)化為電流/電壓信號。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，可以用于肌肉的監(jiān)測[3]。

ITO薄膜傳感器的研發(fā)根本依靠的是ITO薄膜的單面導(dǎo)電性，因此可以將力學(xué)信號轉(zhuǎn)為電信號。當兩層ITO薄膜接觸時，等效體導(dǎo)電性能急劇變化，因而實現(xiàn)快速反應(yīng)。同時，ITO的輕質(zhì)與高柔性使其有著高靈敏度[5]的特點。

1 實驗

（1）實驗用品：ITO薄膜，PET，萬能表，絕緣支撐物，1MΩ電阻。

（2）對ITO電極的測試：對于單位面積的單層ITO薄膜進行了光學(xué)測試和電阻測試，并在彎曲情況下對其進行光學(xué)測試和電阻測試。

（3）觸屏系統(tǒng)的制作：應(yīng)用ITO電極的的單面導(dǎo)電性[4]，將兩層導(dǎo)電面相向的ITO薄膜通過彈性絕緣支撐物制成電極，達到控制電路電阻率的效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 ITO薄膜的透光率

如圖1（a），ITO薄膜的透光率很高，接近透明[4]。而圖1（b）展示了ITO薄膜良好的柔性，在實際測量中可以彎折近180度，此時，ITO膜本身的透光性幾乎沒有發(fā)生變化，如圖1（c）。同時，其電阻率變化小，如圖1（d）是1cm2的ITO膜在被彎曲時的阻值隨彎曲角度的圖像。

2.2 ITO電極原理

將兩層ITO薄膜分別固定在兩層PET膜上，使它們的導(dǎo)電面向外，用支撐物將其連接，使導(dǎo)電面相對，如圖2（a）兩層ITO間的距離極小與ITO本身的柔性使之在受壓力時上下ITO導(dǎo)電面相互接觸，達到接通電極效果。自然狀況下，兩層ITO分開，達到斷開電極效果。圖2（b）中是ITO電極模型，是本次實驗測試所用的6×6cm2模型，遠大于實際的ITO電極，但具有等效的意義。

2.3 應(yīng)用ITO電極達到觸屏控制效果

引入一個固定電壓，在每對ITO電極與電源正極間接入一個1MΩ電阻和一個外電路，該電路會在感受不到電壓時輸出電信號。將電極另一端接地，因而在電極接通時便輸出電信號。如圖3所示電路原理圖。

2.4 實驗驗證效果

將電路接入CPU，啟動預(yù)設(shè)邏輯如圖4（a）的程序，進行感受器實驗。在觸摸電極任意區(qū)域時，對應(yīng)程序運行，得到如圖4（b）的實驗結(jié)果。

3 結(jié)語

本實驗定性的研究了ITO薄膜的基礎(chǔ)屬性，通過ITO薄膜的單面導(dǎo)電性，設(shè)計出對壓力有高靈敏度的電極，制造了一種高柔性，透明，輕便，可以量產(chǎn)的傳感器。

實驗過程中，應(yīng)注意維護ITO薄膜導(dǎo)電面的完好，如破壞了導(dǎo)電面的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，可能會引起電極的失效。支撐物的選擇直接決定了傳感器的靈敏程度和傳感的使用壽命，應(yīng)該在保持彈性和絕緣的情況下盡量切削較薄，但應(yīng)同時保證在不受壓時兩薄膜應(yīng)自然處在分離狀態(tài)，這是傳感器功能保持的前提?；椎倪x擇極為重要，既要保證不損害ITO的既有性質(zhì)，又要盡量體現(xiàn)保護功能，進而提升傳感器的使用壽命，保護ITO的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。在進行驗證實驗時，要注意電路的設(shè)計，加入保護電阻是因為ITO的導(dǎo)電性能極好，在面積極小時電阻也極小，在閉合時會產(chǎn)生極大電流。

參考文獻

[1] 蔡自興，賀漢根，陳虹.未知環(huán)境中移動機器人導(dǎo)航控制研究的若干問題[J].控制與決策，2002，17（4）：385-390，464.

[2] 滕曉菲，張元亭.移動醫(yī)療：穿戴式醫(yī)療儀器的發(fā)展趨勢[J].中國醫(yī)療器械雜志，2006，30（5）：330-340.

[3] 葉強.柔性力敏傳感在人體運動信息獲取和反饋訓(xùn)練中的應(yīng)用研究[D].2017.

[4] 馬勇，孔春陽.ITO薄膜的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用[J].重慶大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002， 25（8）：114-117.

[5] Sungwoo C， Yong C I， Wonkyeong S， et al. A Highly Sensitive Force Sensor with Fast Response Based on Interlocked Arrays of Indium Tin Oxide Nanosprings toward Human Tactile Perception[J]. Advanced Functional Materials，2018：1804132.