多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式柔性觸覺傳感器研究

劉彩霞，朱文瑾，王志強(qiáng)，郭小輝，劉 平，黃 英,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.東南大學(xué) 生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

0 引言

觸覺作為電子皮膚的重要感知途徑，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與外界環(huán)境直接接觸的主要媒介[1].由于傳統(tǒng)的硅基、陶瓷[2]和金屬應(yīng)變片式觸覺傳感器[3]在柔性、延展性及穿戴舒適性等方面存在弊端，逐漸被具有低成本、簡單制備工藝和高靈敏度等特點(diǎn)的柔性傳感器替代[4].常用的柔性觸覺傳感器按其工作原理可分為電阻式[5]、壓電式[6]和電容式[7]等幾類，其中，電容式觸覺傳感器因其具有優(yōu)良的動態(tài)響應(yīng)特性和檢測靈敏度而得到廣泛應(yīng)用.

電容式觸覺傳感器可通過改變面積、間距和介質(zhì)層介電常數(shù)實(shí)現(xiàn)對外力的檢測.分層級聯(lián)型[8]和填料填充型[9]復(fù)合介質(zhì)層的引入實(shí)現(xiàn)了變間距和變介電常數(shù)的協(xié)同作用，可提升傳感器的靈敏度，為高靈敏度電容式觸覺傳感器的發(fā)展提供了研究方向.采用發(fā)泡工藝制備具有良好電學(xué)特性和力學(xué)特性的多孔狀石墨烯/炭黑/硅橡膠導(dǎo)電復(fù)合材料，這種三維多孔材料具有同等外力下的大形變和較高的有效介電常數(shù)，用作復(fù)合介質(zhì)層可設(shè)計(jì)出高性能柔性電容式觸覺傳感器.筆者基于多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式柔性觸覺傳感器，分析其觸覺敏感機(jī)理，搭建電容式觸覺感知信息提取系統(tǒng)，完成電容式柔性觸覺傳感器性能測試，設(shè)計(jì)面向電子皮膚應(yīng)用的柔性觸覺傳感陣列，實(shí)現(xiàn)觸覺力感知.

1 電容式柔性觸覺傳感器設(shè)計(jì)

1.1 材料與設(shè)備儀器

炭黑(CB)：瑞典SPC化學(xué)公司，密度為128 g/dm3，碘吸附量為1 080 mg/g，十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)吸附比表面積為1 100 m2/g，鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)吸收值為3.8 mL/g.石墨烯(GNPs)：成都有機(jī)化工有限公司，純度≥99.5%，厚度為4～20 nm，直徑為5～10 μm，層數(shù)≥30.硅橡膠(SR)：中國自貢中昊晨光有限公司，型號GD401.導(dǎo)電銀膠：中國南京喜力特有限公司.漆包線：中國安徽恒輝電氣設(shè)備有限公司，直徑為0.1 mm.AC發(fā)泡劑(1,1′-偶氮二異氰酸酯，1,1′-Azobisformamide)和催化劑粉末狀氧化鋅(ZnO)：濟(jì)南永遠(yuǎn)化學(xué)藥品公司.

超聲波分散機(jī)：盛溪超聲儀器有限公司(中國上海)，型號FS-150；高容量磁力攪拌儀：美穎儀表制造有限公司(中國上海)，型號H03-A；高溫干燥箱：索普儀器有限公司(中國上海)，型號DZF-6021；場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日立)，型號SU8020.

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)與敏感機(jī)理

基于多孔狀復(fù)合介質(zhì)層的電容式柔性觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖與觸覺敏感機(jī)理如圖1所示.其結(jié)構(gòu)可等效為平行板電容器，可以通過發(fā)泡工藝制備多孔狀石墨烯/炭黑/硅橡膠導(dǎo)電復(fù)合介質(zhì)層.多孔狀復(fù)合介質(zhì)層具有良好的電學(xué)特性和力學(xué)特性，為防止觸覺敏感單元受力時(shí)因復(fù)合介質(zhì)層電學(xué)特性發(fā)生變化導(dǎo)致上下極板短接，在復(fù)合介質(zhì)層上下表面旋涂一層硅橡膠作隔離層.為了保證觸覺傳感器的柔性和可擴(kuò)展性，選用有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠制備上下極板，聚酰亞胺為柔性基體，并基于柔性印刷電路板(FPCB)在其表面設(shè)計(jì)屏蔽層和電極引線；同時(shí)，為進(jìn)一步延長傳感器使用壽命，在上下極板表面采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)進(jìn)行柔性封裝.

圖1 電容式觸覺傳感器結(jié)構(gòu)示意圖與敏感機(jī)理

多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式柔性觸覺傳感器敏感機(jī)理可等效為變極板間距和變有效介電常數(shù).在外力作用下，多孔狀復(fù)合介質(zhì)層因受力被壓縮，上下極板間距改變量Δd=d-d1，d和d1為受力前后復(fù)合介質(zhì)層厚度.同時(shí)，依據(jù)隧道效應(yīng)和有效導(dǎo)電通路理論可知，碳系導(dǎo)電顆粒在硅橡膠基體中間距減小并形成新的有效導(dǎo)電通路，隧道效應(yīng)增強(qiáng)，多孔狀復(fù)合導(dǎo)電材料電學(xué)性能發(fā)生變化，從而引起復(fù)合介質(zhì)層介電常數(shù)增加，其有效介電常數(shù)滿足[10]：

εc=εd(fc-f)-s，

(1)

式中:εd為基體硅橡膠的介電常數(shù)；fc為分散相GNPs/CB的體積分?jǐn)?shù)；f為滲流閾值，且f≤fc；s為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù).

多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式柔性觸覺傳感器的相對變化值ΔC/C0滿足：

(2)

式中:εr為電介質(zhì)層的相對介電常數(shù)；d為上下極板之間的距離；A為極板面積；Δd為上下極板間距減小量；Δεr為有效相對介電常數(shù)增加量；ΔC為電容改變量；C0為初始電容值.

前期研究發(fā)現(xiàn)[11]，發(fā)泡行為可有效調(diào)節(jié)石墨烯/炭黑/硅橡膠導(dǎo)電復(fù)合材料的電滲流特性.在通過發(fā)泡工藝制備多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容觸覺傳感器時(shí)，選用的石墨烯/炭黑導(dǎo)電填料含量接近滲流閾值區(qū)間，能夠使多孔狀復(fù)合介質(zhì)層的有效介電常數(shù)在觸覺力作用下呈指數(shù)形式變化；同時(shí)，由于多孔狀復(fù)合介質(zhì)層內(nèi)部具有三維“細(xì)胞結(jié)構(gòu)”，在相同壓力作用下，多孔狀復(fù)合介質(zhì)層更容易發(fā)生形變，上下極板的位移距離增大，極板間距和有效介電常數(shù)兩者間協(xié)同作用，更有利于提升電容式柔性觸覺傳感器靈敏度.

1.3 觸覺傳感器制備流程

采用溶液共混法制備基于發(fā)泡工藝的GNPs/CB/SR復(fù)合導(dǎo)電材料.導(dǎo)電填料和發(fā)泡劑的含量、在基體中的分散狀態(tài)以及發(fā)泡時(shí)間等是影響多孔狀復(fù)合介質(zhì)層形態(tài)的關(guān)鍵因素.基于多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式柔性觸覺傳感器的制備流程如圖2所示.首先，制備GNPs/CB懸浮液，稱取質(zhì)量比m(GNPs)∶m(CB)=2∶1(導(dǎo)電材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%)的導(dǎo)電填料并加入15 mL己烷(Hexane)分散液稀釋，然后進(jìn)行超聲分散30 min、磁力攪拌30 min以獲得均勻分散的懸浮液.將AC發(fā)泡劑和催化劑ZnO以質(zhì)量比2∶1加入到GNPs/CB懸浮液中，進(jìn)行磁力攪拌30 min.加入3 g硅橡膠，在室溫下以3 000 r/min轉(zhuǎn)速磁力攪拌1 h，獲得預(yù)發(fā)泡混合溶液.將預(yù)發(fā)泡的復(fù)合材料倒入模具中，在145～150 ℃中下進(jìn)行發(fā)泡.控制不同發(fā)泡時(shí)間，待室溫固化后從模具中脫離以獲得不同發(fā)泡程度的多孔狀復(fù)合導(dǎo)電材料，將發(fā)泡后得到的GNPs/CB/SR復(fù)合導(dǎo)電材料取出，用作復(fù)合介質(zhì)層.在多孔狀復(fù)合介質(zhì)層表面旋涂硅橡膠隔離層，固化后旋涂有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠制備柔性上下極板，并在上下極板表面旋涂PDMS進(jìn)行封裝，最后與柔性基體集成，以獲得電容式柔性觸覺傳感單元.

圖2 多孔狀復(fù)合電介質(zhì)層電容式觸覺傳感器制備流程

2 實(shí)驗(yàn)與討論

2.1 復(fù)合介質(zhì)層微觀結(jié)構(gòu)

圖3 GNPs/CB/SR復(fù)合導(dǎo)電材料微觀結(jié)構(gòu)表征

發(fā)泡工藝形成的“多孔”在GNPs/CB/SR復(fù)合導(dǎo)電材料中的形態(tài)結(jié)構(gòu)和分布狀態(tài)將直接影響復(fù)合介質(zhì)層的電學(xué)特性和力學(xué)特性，采用掃描電子顯微鏡觀察不同發(fā)泡程度下多孔狀復(fù)合介質(zhì)層橫截面微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示.圖3(a)為采用發(fā)泡工藝獲得多孔狀復(fù)合材料的典型孔狀結(jié)構(gòu).其中，GNPs和CB導(dǎo)電相均勻分散在硅橡膠基體中；CB顆粒附著于GNPs表面，兩者形成協(xié)同導(dǎo)電效應(yīng)，可有效提升復(fù)合導(dǎo)電材料的電學(xué)特性[12].圖3(b)中可以看出,多孔狀結(jié)構(gòu)“細(xì)胞壁”厚度明顯大于導(dǎo)電相尺寸，其結(jié)構(gòu)特征與發(fā)泡程度有關(guān).因?yàn)镚NPs和CB在“細(xì)胞壁”中形成有效導(dǎo)電通路，因此，可以通過控制發(fā)泡程度優(yōu)化多孔狀復(fù)合介質(zhì)層的電學(xué)特性和力學(xué)特性.發(fā)泡程度的增加，導(dǎo)致一些“細(xì)胞壁”的厚度因發(fā)泡過度而減小直至破裂，會影響復(fù)合介質(zhì)層性能，如圖3(c)所示.圖3(d)為GNPs和CB導(dǎo)電相在“細(xì)胞壁”中的分散狀態(tài).可以看出，兩相導(dǎo)電填料間的協(xié)同作用，可有效降低CB顆粒的團(tuán)聚作用體，CB和GNPs在硅橡膠基體中的分散性得到大幅度的改善.

2.2 復(fù)合介質(zhì)層電學(xué)特性

具有較高介電常數(shù)的GNPs/CB/SR多孔狀復(fù)合介質(zhì)層有助于提升電容式柔性觸覺傳感器的初始值，利于后端電容觸覺傳感信息的提取與處理.為此，研究不同頻率下所制備多孔狀復(fù)合介質(zhì)層的介電常數(shù)隨發(fā)泡劑含量變化特點(diǎn)，其測試結(jié)果如圖4所示.可以看出:控制AC發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(AC)=0～14%，發(fā)泡時(shí)間為300 s，記錄不同條件下多孔狀復(fù)合介質(zhì)層的介電常數(shù).測試結(jié)果表明：隨著發(fā)泡程度的升高，多孔狀復(fù)合介質(zhì)層相對介電常數(shù)持續(xù)增大，當(dāng)AC發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)達(dá)到最佳發(fā)泡程度，其相對介電常數(shù)達(dá)到最高.

圖4 復(fù)合介質(zhì)層相對介電常數(shù)隨發(fā)泡劑含量變化

2.3 電容式柔性觸覺傳感器特性測試

考慮到容性觸覺信息變化范圍、測量精度及實(shí)時(shí)性等因素，筆者在前期研究文獻(xiàn)[13]的基礎(chǔ)上搭建了基于高性能電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD7147-1和STM32F103VET6微處理器的容性感知信息采集與處理系統(tǒng)，進(jìn)行電容式柔性觸覺傳感器靜態(tài)、動態(tài)性能測試.筆者研究相同發(fā)泡時(shí)間、不同發(fā)泡劑含量下制備的多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式柔性觸覺傳感器的靈敏度變化，其測量結(jié)果如圖5所示.其中，C0、C為施加正向壓力前后傳感單元的電容值.可以看出：w(AC)為12%時(shí)，所制備的多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式柔性觸覺傳感器具有較高的靈敏度.在(0, 20 kPa]時(shí)其靈敏度為0.021 1 kPa-1；在(20 kPa, 40 kPa)時(shí)其靈敏度為0.009 4 kPa-1.

圖5 不同w(AC)下電容式柔性觸覺傳感器靈敏度

多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式柔性觸覺傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度觸覺感知，一方面是由于復(fù)合介質(zhì)層中存在孔狀“細(xì)胞結(jié)構(gòu)”，很大程度上提升了介質(zhì)層的力學(xué)特性，使復(fù)合介質(zhì)層在外力作用下更容易發(fā)生形變；另一方面，多孔狀復(fù)合介質(zhì)層具有較高的有效介電常數(shù)，其有效介電常數(shù)與發(fā)泡工藝參數(shù)和應(yīng)力應(yīng)變有關(guān)，變極板間距與變介電常數(shù)間協(xié)同作用有助于提升電容式柔性觸覺傳感器的靈敏度.

為進(jìn)一步考察不同導(dǎo)電填料對電容式柔性觸覺傳感器性能的影響，選取不同的導(dǎo)電填料來制備多孔狀復(fù)合導(dǎo)電材料，并設(shè)計(jì)多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式柔性觸覺傳感器，測量壓力為0～80 kPa的輸出特性，對比分析其靈敏度變化特點(diǎn)，測試結(jié)果如圖6所示.由圖6可以看出，GNPs/CB/SR多孔狀復(fù)合介質(zhì)層觸覺傳感器相較于CB/SR多孔狀復(fù)合介質(zhì)層觸覺傳感器具有更好的檢測靈敏度.在(0，10 kPa]，GNPs/CB/SR多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式觸覺傳感器的靈敏度為0.023 9 kPa-1，CB/SR多孔狀復(fù)合介質(zhì)層觸覺傳感器的靈敏度為0.018 8 kPa-1；在(10 kPa，30 kPa)，GNPs/CB/SR多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式觸覺傳感器的靈敏度為0.014 3 kPa-1，CB/SR多孔狀復(fù)合介質(zhì)層觸覺傳感器的靈敏度為0.008 8 kPa-1.

圖6 不同導(dǎo)電填料下的孔狀電介質(zhì)層電容傳感單元靈敏度

炭黑粒子作為零維導(dǎo)電相，導(dǎo)電粒子間以點(diǎn)接觸的形式為主，構(gòu)成導(dǎo)電通路.在加入二維GNPs后，導(dǎo)電相之間出現(xiàn)點(diǎn)-面接觸，導(dǎo)電相間協(xié)同效應(yīng)使復(fù)合材料電導(dǎo)率和機(jī)械穩(wěn)定性得到提高，復(fù)合介質(zhì)層電學(xué)特性得到改善，有效介電常數(shù)明顯增加；另外，GNPs/CB兩相導(dǎo)電填料比CB單相導(dǎo)電填料更接近發(fā)生滲流效應(yīng)的滲流閾值區(qū)間，從而提高了多孔狀復(fù)合電介質(zhì)層電容式柔性觸覺傳感器的靈敏度.

不同導(dǎo)電填料和發(fā)泡劑含量所制備的多孔狀復(fù)合介質(zhì)層對電容式柔性觸覺傳感器動態(tài)響應(yīng)特性的影響如圖7所示.從圖7可以看出多孔狀復(fù)合電介質(zhì)層電容傳感器的響應(yīng)特征.對3組電容式柔性觸覺傳感器分別施加階躍激勵，測量其對應(yīng)的輸出.實(shí)驗(yàn)表明：電容式觸覺傳感單元可快速作出響應(yīng)且具有良好的穩(wěn)定特性；同時(shí)，w(AC)=12%，m(GNPs)∶m(CB)=2∶1(導(dǎo)電填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%)，多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式柔性觸覺傳感器具有良好的檢測靈敏度和動態(tài)響應(yīng)特性.

圖7 不同導(dǎo)電填料下多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式觸覺傳感器的響應(yīng)特性

2.4 觸覺傳感陣列及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

為了滿足機(jī)器人智能電子皮膚可穿戴、可拼裝、可感知外界觸覺信息等方面需求[14]，將電容式柔性觸覺傳感單元進(jìn)行5×5陣列化設(shè)計(jì)，其陣列結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示.同時(shí)，在柔性基體陣列四周預(yù)留陣列擴(kuò)展接口，以便于后期通過FPC軟排線進(jìn)行擴(kuò)展，可根據(jù)不同應(yīng)用場景需求拼接成不同大小、形狀的觸覺傳感器陣列結(jié)構(gòu)，滿足可拼接式應(yīng)用需求并實(shí)現(xiàn)大面積觸覺感知.

圖8 電容式柔性觸覺傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意

考慮到電容式柔性觸覺傳感陣列數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和高效性等因素，選用具有多路容性輸入的AD7147-1電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電容式觸覺信息處理.AD7147-1擁有I2C接口及片內(nèi)環(huán)境自校準(zhǔn)功能，其有源交流屏蔽技術(shù)消除了芯線對內(nèi)層屏蔽的容性漏電，有效地消除了容性輸入端與傳感單元間的寄生電容，高達(dá)16位CDC精度，13路容性輸入，結(jié)合高性能、低功耗的微處理器可靈活實(shí)現(xiàn)便攜式多路容性觸覺信息采集.電容式柔性觸覺傳感器與AD7147-1 CDC電路接線如圖9所示.

為消除寄生電容對測量結(jié)果的影響，在柔性基底設(shè)計(jì)底端屏蔽層，并與AD7147-1有源交流屏蔽端ACshield連接.電容式柔性觸覺傳感器工作為單電極模式，下極板通過屏蔽導(dǎo)線與AD7147-1容性輸入端相連，屏蔽層與有源交流屏蔽端ACshield連接.下位機(jī)采用STM32F103VET6微處理器和AD7147-1 CDC電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，完成對電容式柔性觸覺傳感陣列的數(shù)據(jù)采集與處理，并將結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)，基于LabVIEW開發(fā)的上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對檢測結(jié)果的界面化顯示.

圖9 電容式觸覺傳感器與AD7147-1接線示意圖

如圖10(a)所示，在多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式柔性觸覺傳感陣列表面放置一個L形加載物塊，電容式觸覺傳感陣列信息提取系統(tǒng)通過FPC軟排線連接5×5觸覺傳感器陣列實(shí)時(shí)采集容性觸覺信息，并將數(shù)據(jù)通過串口上傳至PC機(jī)，再由LabVIEW實(shí)現(xiàn)對傳感數(shù)據(jù)的圖形化顯示.圖10(b)為L形加載LabVIEW上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)采集結(jié)果.

圖10 物塊加載觸覺感知實(shí)驗(yàn)

將一個“工”字形物塊置于5×5多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式柔性觸覺傳感陣列表面，模擬觸覺力加載實(shí)驗(yàn)，如圖10(c)所示.通過電容式觸覺傳感陣列信息提取系統(tǒng)采集觸覺力分布信息，其測試結(jié)果如圖10(d)所示.可以看出，觸覺力所引起的電容相對變化柱狀圖與“工”形物塊形狀相吻合，該多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式柔性觸覺傳感器陣列可實(shí)現(xiàn)觸覺力分布感知，進(jìn)一步論證了其用作機(jī)器人柔性電子皮膚的可行性.

3 結(jié)論

基于發(fā)泡工藝制備了具有柔性和良好電學(xué)特性的多孔狀石墨烯/炭黑/硅橡膠導(dǎo)電復(fù)合材料，并用作復(fù)合介質(zhì)層，設(shè)計(jì)了一種高靈敏度電容式柔性觸覺傳感器.首先，分析了發(fā)泡工藝參數(shù)對多孔狀復(fù)合導(dǎo)電材料電學(xué)特性的影響，結(jié)合微觀表征手段分析其形貌特征，研究不同發(fā)泡行為對多孔復(fù)合導(dǎo)電材料電學(xué)性能的影響機(jī)理.其次，分析并介紹基于多孔狀復(fù)合介質(zhì)層的觸覺傳感單元結(jié)構(gòu)、傳感機(jī)理及性能優(yōu)化方法，進(jìn)行易擴(kuò)展、可拼接式觸覺傳感陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).第三，基于STM32F103VET6和AD7147-1，構(gòu)建電容式觸覺傳感陣列信息提取系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓力分布信息的實(shí)時(shí)感知和準(zhǔn)確提取.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，筆者提出的多孔狀復(fù)合介質(zhì)層電容式觸覺傳感器具備良好的動態(tài)響應(yīng)特性和觸覺檢測靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人電子皮膚領(lǐng)域的高性能壓力分布感知和觸覺信息獲取，可應(yīng)用于機(jī)器人電子皮膚以實(shí)現(xiàn)高性能觸覺感知.