孫旭光，王春凱，劉 昶，孫建海，薛 寧

(1.中國科學院電子學研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院，北京 100190)

0 引言

近年來，隨著智能機器人的快速發(fā)展，柔性觸覺傳感器由于其在仿生皮膚、人機交互和醫(yī)療檢測等領(lǐng)域有巨大應(yīng)用前景而得到了快速的發(fā)展[1].這類觸覺傳感器的工作方式包括壓阻式、電容式、光學式、電磁式、壓電式等.這些傳感器中，壓阻式和電容式觸覺傳感器被廣泛采用[2-3].但是電容式觸覺傳感器會受到較大的遲滯效應(yīng)、雜散電容和復雜制造工藝的限制[4-5].相比之下使用壓阻原理，利用聚合物基復合材料作為敏感材料的觸覺傳感器具有較高的靈敏度[6]，且工藝簡潔，制造成本相對較低[7]，有利于大面積應(yīng)用.為了在低壓范圍(<10 kPa)實現(xiàn)高靈敏度，研究人員在壓阻敏感材料的選擇上做了大量工作.其中，納米導電材料和聚合物結(jié)合的復合材料因其高靈敏度和高彈性在觸覺傳感器領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[8-9].斯坦福大學的Pan和Bao等[10]研究設(shè)計的基于多孔球狀結(jié)構(gòu)聚合物材料的柔性壓力傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)超高的靈敏度.Li等[11]提出的一種利用碳納米管和微金字塔結(jié)構(gòu)的觸覺傳感器具有很好的穩(wěn)定性.然而，目前的觸覺傳感器件在空間分辨率和高靈敏度的結(jié)合方面仍然存在不足[12-13]，同時傳感器陣列對不同曲面的附著力也需要提高[14-15].

采用傳感器陣列的形式有助于進行大面積生產(chǎn)和覆蓋應(yīng)用.筆者提出了一種基于多壁碳納米管-聚合物和不規(guī)則表面結(jié)構(gòu)的全柔性觸覺傳感器陣列，該傳感器在觸覺低壓強范圍內(nèi)具有高靈敏度和較好的可重復性，并能夠通過陣列掃描系統(tǒng)實現(xiàn)對傳感器受力的實時顯示.

1 研究方法

1.1 工作原理

筆者研制的全柔性壓阻傳感器陣列如圖1所示.陣列由8行6列構(gòu)成，每個壓力敏感單元的尺寸為4 mm×4 mm，兩個相鄰元件之間的間隔為4 mm.每個單元中，在上電極和下電極之間夾有具有不規(guī)則上表面結(jié)構(gòu)和平面下表面的MWCNTs-PDMS復合材料作為壓力敏感層.為了避免由于上下電極層之間的接觸導致的短路，在上下電極之間的中間層使用與MWCNTs-PDMS復合材料相同表面結(jié)構(gòu)和相同厚度的PDMS材料作為中間隔離層和敏感單元固定層.上下電極由200 nm厚的Au層構(gòu)成.Au電極具有良好的延展性，能承受大的拉伸和彎曲，同時可以保持良好的導電性.為了提高Au電極與PDMS膜的黏附性，在濺射Au電極之前先濺射一層50 nm厚的Cr層.

圖1 壓阻傳感器陣列

中間層的復合材料具有不規(guī)則的表面結(jié)構(gòu)，同時結(jié)合PDMS硅橡膠良好的柔韌性、彈性和熱性能，使壓阻復合材料單元具有良好的導電性和壓敏特性.圖2是壓阻敏感單元檢測電路原理圖和敏感單元橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)運算放大器虛擬地，運算放大器的輸出電壓可以由式(1)給出：

(1)

式中：U為輸入電壓；R為壓阻單元總電阻；Rref為運算放大器的基準電阻.其中，壓阻敏感單元的總電阻可以由式(2)表示:

R=Rs+Re+Rt，

(2)

式中：Rs為壓阻敏感材料的電阻值；Re為Au電極的電阻值；Rt為壓阻敏感材料和Au電極之間的接觸電阻.

由于Au電極與復合材料表面的良好接觸，所以與壓阻傳感材料的電阻值相比，Au電極電阻和接觸電阻的測量值只有幾個歐姆的量級，可以忽略.因此，壓阻敏感單元總電阻近似等于壓阻敏感材料的電阻Rs.

圖2 單元電阻檢測電路原理及傳感器敏感單元阻值變化原理示意圖

當有外部壓力施加到傳感器陣列時，壓阻敏感單元的上電極層向下移動，使上電極和下電極之間的間距減小，從而使壓阻敏感材料上表面與上電極層的接觸面積增大；同時，復合材料內(nèi)部的碳納米管受到擠壓形成更多導電通路，從而使敏感單元的阻值減小，如圖2(b)所示.通過測量陣列中不同單元輸出電壓的變化值，可以得到施加的壓力大小及其分布情況.

1.2 復合材料制備

碳納米管在黏度大的高分子聚合物材料中會產(chǎn)生很嚴重的團聚現(xiàn)象，嚴重影響材料的壓阻一致性和均勻性.為了避免團聚現(xiàn)象，采用了溶液混合的方法，將多壁碳納米管和PDMS分別與氯仿溶液充分混合，然后將兩份溶液混合在一起，使碳納米管充分分散于PDMS中，蒸發(fā)氯仿溶劑后得到多壁碳納米管和PDMS的導電復合物.

將質(zhì)量分數(shù)6%的羥基修飾的多壁碳納米管放入到20 mL氯仿溶劑中，并且在溶液中加入碳納米管兩倍質(zhì)量的聚苯基甲基硅氧烷(PPMS)來增強碳納米管的分散性，然后放入超聲波水浴箱進行超聲振蕩1 h，使多壁碳納米管均勻地分散于氯仿溶液中.將按比例固定質(zhì)量的PDMS加入20 mL氯仿溶劑中，用電磁攪拌器均勻攪拌30 min，使PDMS完全溶解于氯仿溶液中，隨后將PDMS氯仿溶液與制備好的碳納米管氯仿溶液混合，再次放入超聲波水浴箱振蕩1 h，此時碳納米管和PDMS已經(jīng)充分混合.將振蕩完成的復合物氯仿溶液放入水浴箱中,在70 ℃下加熱，蒸發(fā)掉氯仿溶劑，得到MWCNTs-PDMS復合物.

1.3 制作工藝

傳感器陣列的制作工藝流程如圖3所示.首先以顆粒度為P800的磨砂表面結(jié)構(gòu)為模板，采用軟光刻工藝刮涂已經(jīng)制備得到的導電復合材料，在高溫固化箱中100 ℃加熱30 min,固化后切割成4 mm×4 mm大小的壓阻敏感單元.同樣地，以P800磨砂表面為模板旋涂與壓阻敏感材料單元相同厚度的PDMS薄膜，置于高溫固化箱中100 ℃加熱60 min，固化后沖壓出用于填充敏感單元的缺口并從模板上剝離.

喀麥隆BINI水電站壩址區(qū)玄武巖承壓水發(fā)育特征…………………………………… 劉鵬，韋志遠，李應(yīng)輝（10-162）

圖3 傳感器陣列的工藝流程

以5英寸厚硅片為基底，旋涂200 μm厚的PDMS作為上下電極層的襯底層，置于高溫干燥箱,100 ℃下加熱60 min完成固化，然后用不銹鋼掩膜版覆蓋PDMS薄膜進行金屬濺射，先濺射50 nm厚的Cr，然后濺射200 nm厚的Au構(gòu)成電極層.Cr可以增強Au在PDMS薄膜表面的附著，否則，薄膜表面的Au電極容易脫落.濺射完成后將PDMS層剝離硅片.最后，將下電極層置于固定平面，將中間PDMS隔離層貼在下電極層上，然后在中間層的缺口中填充上壓阻敏感單元，敏感單元不規(guī)則結(jié)構(gòu)的表面與中間層不規(guī)則結(jié)構(gòu)的表面一致朝上.將上電極層電極朝下覆蓋于中間隔離層上并用PDMS膠粘合，高溫固化少量的PDMS膠后即可得到完整的傳感器陣列.

2 分析與討論

2.1 系統(tǒng)建立

為了得到全柔性傳感器陣列的動態(tài)壓力響應(yīng)，建立了一個陣列掃描電路系統(tǒng)，如圖4所示.筆者采用電機驅(qū)動的壓力計(M3，MAR-10CO，美國產(chǎn)，精度為2 mN)對固定在剛性平面上的傳感器陣列施加特定的壓力.傳感器陣列通過接口電路與STM32F407單片機相連.掃描電路在掃描的過程中會連續(xù)地選擇一行或一列單元，并且所有未被選擇的單元會被連接到零電勢，以防止陣列單元之間形成串擾，每個掃描周期在10 ms內(nèi).掃描得到的傳感器陣列的輸出電壓由單片機進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，處理得到的數(shù)據(jù)通過LAN端口傳輸?shù)接嬎銠C進行顯示和信號處理；同時，在掃描電路上連接示波器進行動態(tài)分析.

圖4 傳感器陣列檢測示意圖

2.2 檢測結(jié)果

首先，檢測的是壓阻敏感材料的電流-電壓關(guān)系.經(jīng)過實測可知，在±5 V的電壓范圍內(nèi)，壓阻材料的電流與電壓基本呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)出良好的電阻特性.

其次，對傳感器單元壓阻特性的檢測.通過壓力計重復多次測量壓阻敏感單元在各個壓力下的電阻值，得到不同壓力下傳感器單元電阻的平均值和標準差.圖5是傳感器陣列的壓阻特性曲線和靈敏度曲線.通過圖5曲線可以看出，敏感單元的電阻隨施加壓力的增大而減小，并且靈敏度也隨外部壓力增加而呈現(xiàn)下降趨勢.在小于100 Pa的低壓范圍內(nèi),傳感器具有非常高的靈敏度(>16 kPa-1);在小于300 Pa的低壓范圍內(nèi),傳感器的靈敏度為16.9～5.41 kPa-1;在小于1.3 kPa壓強范圍內(nèi)也表現(xiàn)出較高的靈敏度特性(>0.4 kPa-1),其中在1.26 kPa時靈敏度為1.05 kPa-1.同時，傳感器陣列也表現(xiàn)出了比較小的遲滯效應(yīng)和溫度變化.在-30～40 ℃內(nèi)，傳感器電阻值變化幅度小于10%，且可以通過無線傳輸信號實現(xiàn)對接觸壓力的實時檢測.

圖5 傳感器陣列的壓阻和多次循環(huán)曲線

為了實時檢測觸覺傳感器陣列上的壓力分布，筆者利用三維(3D)柱狀圖來實時顯示每個單元的壓力幅值，如圖6所示.傳感器陣列的實時接觸壓力可以以三維柱形圖的形式直接顯示出來.由于傳感器的快速動態(tài)響應(yīng)(10 ms量級，如圖7所示)，我們可以在實時情況下通過三維圖中柱狀圖的高度和分布，得到接觸傳感器陣列的物體大致形狀和壓力分布情況.

圖7 壓阻傳感器陣列的快速動態(tài)響應(yīng)

從圖6可以看到，傳感器陣列的單元之間幾乎沒有相互干擾的現(xiàn)象.陣列掃描電路在掃描某一行的單元時，未被掃描電路選中的行接零電勢，從而避免了電流串擾的發(fā)生.圖7是壓阻傳感器陣列的動態(tài)電壓曲線.可以看出，在施加壓強和減小壓強的過程中傳感器表現(xiàn)出快速的響應(yīng)，上升時間tr為29.66 ms，下降時間td為47.02 ms.

3 結(jié)論

(1)筆者提出的壓阻觸覺傳感器在低壓強范圍內(nèi)具有超高的靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)對于微小接觸壓力的高靈敏檢測.用于制備柔性壓阻敏感單元的復合材料及其表面結(jié)構(gòu)使傳感器具有高靈敏度、可拉伸和柔性的特性，非常適合仿生皮膚等交互觸摸場景的應(yīng)用，因此在機器人觸覺感知、可穿戴觸覺裝置和人機交互中具有巨大的應(yīng)用潛力.

(2)全柔性傳感器陣列具有較好的空間分辨率，能夠檢測出接觸物體的大致形狀；同時，制作工藝簡單、成本低，可以大規(guī)模應(yīng)用于機器人手臂等領(lǐng)域.

(3)傳感器陣列具有很短的響應(yīng)時間，結(jié)合快速的掃描電路進行陣列掃描和無線信號傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)對接觸力的實時檢測以及快速反饋.