可同時(shí)識別拉伸與壓力的柔性傳感器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王莎莎，胡特特

(1.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙 410083；2.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410083)

0 引言

人體運(yùn)動監(jiān)測是當(dāng)今國際學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)問題之一，而傳感器是實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動監(jiān)測的先決條件。研究開發(fā)可同時(shí)監(jiān)測拉伸與壓力信息的柔性傳感器是非常迫切且是最具有挑戰(zhàn)性的，這種傳感器將在運(yùn)動健身、人機(jī)交互、醫(yī)療康復(fù)和娛樂等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-3]。

同聽覺、嗅覺、視覺和味覺相比，觸覺是最難模仿的感覺，且感知的信息更為復(fù)雜，傳感器作為實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)，將影響可穿戴電子設(shè)備的設(shè)計(jì)與未來發(fā)展[4-5]。許多可穿戴和可植入傳感器已經(jīng)在動作捕捉和健康監(jiān)測方面取得了顯著的發(fā)展。傳統(tǒng)傳感器的電極多由具有固定脆性和剛性的單晶硅、多晶金屬和金屬氧化膜或不能擴(kuò)展的石英光纖組成，極大地限制了傳感器的大變形(拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲)，也難以與曲面緊密結(jié)合，不適用于人體運(yùn)動的監(jiān)測，極大地影響了軟體機(jī)器人、可伸縮電子和生物醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展[1,6-8]。因此，設(shè)計(jì)與制造兼顧高柔性、可拉伸性、輕量化、穩(wěn)定性和耐用性的傳感器具有重大的研究意義和應(yīng)用價(jià)值[2]。

目前，很多學(xué)者在可拉伸傳感器、可穿戴傳感器和人造皮膚等方面的研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展。H.Jeong[9]等人利用聚二甲基硅氧烷和銀納米線設(shè)計(jì)了一種新型柔性氣隙壓力傳感器。通過電流大小判定電路通斷，以此檢測外部壓力，雖然該傳感器的靈敏度可達(dá)16.1 kPa-1，但該傳感器只能用于檢測壓力而無法檢測拉伸應(yīng)變。早稻田大學(xué)納米科學(xué)與納米工程專業(yè)的T. Kasahara[10]等人用PET作為固定框架，利用導(dǎo)電硅膠制作了一種電容式壓力傳感器，按壓時(shí)通過改變電極之間距離檢測電容的變化，所檢測的力可達(dá)10 N。由于利用PET這種不可拉伸的材料做傳感器的框架，所以該傳感器也只能實(shí)現(xiàn)壓力檢測無法拉伸。諸如上述傳感器的絕大多數(shù)柔性壓力傳感器都是基于電阻式[11-14]、電容式[15-19]或壓電式[20]原理對壓力信號進(jìn)行檢測的傳感器，普遍存在響應(yīng)信號單一、無法拉伸和延展性差的問題。另一方面，在柔性可拉伸傳感器[21-24]方面的研究也取得了一定成果。較為突出的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的M. D. Bartlett[25]等人利用導(dǎo)電硅膠制作了一種電容式拉伸傳感器，可用于監(jiān)測手部運(yùn)動。上海交通大學(xué)[26]依靠水凝膠制作了電阻式的柔性應(yīng)變傳感器，用于手部運(yùn)動監(jiān)測。此類傳感器雖可響應(yīng)拉伸與按壓2種信號，但都存在局限是只通過1個(gè)參數(shù)(電阻，電容或電流)的變化來識別或響應(yīng)不同的變形模式(彎曲、壓力、拉伸或扭轉(zhuǎn))。所以這些柔性傳感器無法明顯區(qū)分拉伸和按壓2種刺激。因此，迫切需要開發(fā)一種可同時(shí)檢測和區(qū)分拉伸與壓力信號的柔性傳感器。

針對以上問題，本文提出了一種基于電阻式和電容式原理的柔性傳感器，與目前很多只通過1個(gè)參數(shù)識別變形模式、無法區(qū)分拉伸與壓力2種刺激或只能實(shí)現(xiàn)壓力檢測的柔性傳感器不同，該傳感器通過2種參數(shù)(電容和電阻)既能檢測拉伸信號，同時(shí)能感知壓力并檢測其大小，極大地豐富了傳感器的功能，為應(yīng)用于人體運(yùn)動檢測、醫(yī)療康復(fù)、機(jī)器人技術(shù)和人機(jī)交互的集高延展性與感知外部按壓的人造皮膚提供了參考。

1 傳感器的設(shè)計(jì)和制作

本文研究了一種可同時(shí)識別拉伸與壓力的柔性傳感器，如圖1所示。該傳感器為垂直結(jié)構(gòu)，上部模塊為電阻式傳感器，下部模塊為電容式傳感器，由硅膠封裝。上模塊即電阻傳感器檢測來自外部的壓力反應(yīng)，下模塊即電容傳感器檢測拉伸變化，該傳感器具有同時(shí)檢測壓力和拉伸的特點(diǎn)。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)圖

1.1 傳感器的設(shè)計(jì)

本文提出的傳感器基于電容式傳感器和電阻式傳感器原理，電容式傳感器是通過應(yīng)變改變兩電極板之間的距離改變電容的大小，以此檢測應(yīng)變信號；電阻式傳感器通過應(yīng)變改變傳感器的電阻值，通過電阻或電流的變化感知應(yīng)變。如圖1所示，本文提出的傳感器由電阻模塊和電容模塊兩部分組成。電阻模塊結(jié)構(gòu)由上至下依次為：上層絕緣硅膠保護(hù)層、上層導(dǎo)電硅膠層、介電空心層和下層導(dǎo)電硅膠層，其中介電空心層為中間設(shè)有開孔的介電材料。

電容模塊結(jié)構(gòu)由上至下依次為：上層導(dǎo)電硅膠層、電容介電層、下層導(dǎo)電硅膠層和下層絕緣硅膠保護(hù)層。電阻模塊的下層導(dǎo)電硅膠層與電容模塊的上層導(dǎo)電硅膠層為同一個(gè)導(dǎo)電硅膠。在電阻模塊的上、下層導(dǎo)電硅膠層和電容模塊的下層導(dǎo)電硅膠層分別布置導(dǎo)線。兩層絕緣硅膠保護(hù)層起到封裝和保護(hù)傳感器的作用。

按壓傳感器時(shí)，上、下導(dǎo)電硅膠層接觸，可檢測到電阻值明顯變化，同時(shí)兩層導(dǎo)電硅膠層的接觸面積越大檢測到的電阻越小，從而可通過電阻值變化ΔR判斷傳感器是否受壓并能識別所受壓力大小。

拉伸傳感器時(shí)，電容模塊的電容介電層變薄，上下兩層電導(dǎo)電硅膠距離縮短、電容變大，根據(jù)電容值變化判斷拉伸應(yīng)變大小。

1.2 傳感器的制作

制作傳感器的材料必須滿足高延展性、可切割、良好粘結(jié)性和絕緣性等條件。為了滿足上述條件，選擇了市場上已有的材料：電阻模塊的介電空心層(VHB4905,厚度0.5 mm)，導(dǎo)電硅膠層(導(dǎo)電硅膠墊，厚度0.5 mm)，電容模塊的電容介電層(ELASTOSIL FILM2030，厚度0.1 mm)以及絕緣硅膠層(Ecoflex00-30)。這些材料都具有極高的延展性，此外，介電空心層的固有黏性可以確保其與導(dǎo)電硅膠層緊密貼合。

柔性傳感器的制作過程如圖2所示。首先，準(zhǔn)備已切割完成的介電空心層，將雙面導(dǎo)電布作為導(dǎo)線布于介電空心層的上下兩面，導(dǎo)電布具有黏性，可讓傳感器每一層的堆疊更加貼合和牢固。再將已切割完成的導(dǎo)電硅膠貼于介電空心層上下兩面。

圖2 傳感器制作過程與實(shí)物

為使電容模塊中的兩層導(dǎo)電硅膠和電容介電層更好的貼合，用氧等離子清洗機(jī)進(jìn)行表面改性處理，將處理后的表面貼合。再將導(dǎo)電布作為導(dǎo)線貼于電容模塊的下層導(dǎo)電硅膠上。

最后，為使傳感器更加牢固和可靠，將Ecoflex00-30硅膠A、B兩組分以1∶1的質(zhì)量比混合，放入真空脫泡機(jī)處理5 min，以減少固化過程中產(chǎn)生氣泡。將處理好的硅膠倒在涂布基底上，使用涂布機(jī)制作上下絕緣硅膠保護(hù)層，之后在涂布機(jī)加熱板上50 ℃加熱1 h，形成柔性傳感器的保護(hù)層，完成傳感器的制作。

制作完成的應(yīng)變傳感器可以反復(fù)拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎折，同時(shí)不影響傳感器的性能。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 性能實(shí)驗(yàn)

為了測試傳感器的拉伸載荷和壓力載荷，搭建了傳感器測量系統(tǒng)，包括絲桿拉伸平臺、力傳感器(SMT10N)、LCR數(shù)字電橋測量儀(IM3536)和計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對傳感器的穩(wěn)定性、耐用性和重復(fù)性的評估。

首先，為了測量拉伸載荷，使用亞克力板夾住傳感器的兩端并用螺栓將傳感器固定在絲桿滑塊上，通過編程控制電機(jī)以恒定速度穩(wěn)定拉伸傳感器，電容變化由LCR測量，并通過計(jì)算機(jī)連續(xù)采集數(shù)據(jù)。在傳感器拉伸速度為50 mm/s的情況下，拉伸應(yīng)變量為20%、40%、60%和100%時(shí)，傳感器相對電容(C/C0)的變化如圖3所示，可見傳感器每一段的應(yīng)變都很容易區(qū)分且波動變化微小。傳感器連續(xù)加載100%并完全卸載(圖4)，得到傳感器加載與卸載的線性度R2=0.9836，由圖4可以看出傳感器加載與卸載過程曲線重合性良好，說明傳感器有著較小的滯后性。將柔性應(yīng)變傳感器以150 mm/s的速度反復(fù)拉伸12 000次，每次拉伸應(yīng)變量設(shè)置為100%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明傳感器的電容值總是能恢復(fù)到拉伸初始狀態(tài)的值，另外，在這12 000次循環(huán)拉伸中，傳感器的電容值一直保持在一定范圍內(nèi)(圖5)，表明傳感器有長期使用的能力，在大應(yīng)變下和循環(huán)載荷下具有良好的魯棒性。

圖3 拉伸過程電容變化

圖4 加載和卸載過程

圖5 12 000次重復(fù)拉伸

對傳感器的壓力進(jìn)行檢測，如圖6所示。按壓前，電阻模塊上下電極未接觸，LCR電橋測得電阻值可達(dá)0.8 GΩ；當(dāng)傳感器受到壓力時(shí)，電阻模塊上下接觸，電阻值明顯變小。按壓前后電阻值變化極其明顯，電阻變化可達(dá)5個(gè)數(shù)量級，極易檢測到傳感器是否受到壓力刺激。另一方面，按壓前后電阻有5個(gè)數(shù)量級變化，由于受壓前后電阻值相差過于懸殊，所以在整體圖中，傳感器受壓時(shí)電阻變化相對不夠明顯，當(dāng)局部分析傳感器受壓時(shí)的電阻數(shù)據(jù)，通過圖6可明顯看到傳感器隨壓力的增大電阻逐漸變小，表明傳感器在受到按壓時(shí)，能夠識別一定范圍內(nèi)的壓力大小(傳感識別范圍可達(dá)0～120 kPa，電阻變化范圍可達(dá)5～13 kΩ)。最后，檢測溫度對傳感器初始值的影響。在室溫23 ℃下測量傳感器的電容值變化(圖7)，可見傳感器電容值在23 ℃下波動很小，基本保持在某一固定值(-48.7 pF)不變，此時(shí)電阻模塊未受到按壓，保持?jǐn)嗦窢顟B(tài)。

圖6 按壓過程電阻變化

圖7 室溫(23 ℃)對傳感器的影響

由此可見，柔性應(yīng)變傳感器具有良好的拉伸性、耐用性、重合性和魯棒性，非常適用于監(jiān)測人體運(yùn)動狀態(tài)，而同時(shí)感知和區(qū)分拉伸與按壓2種信號的功能更為后續(xù)人造皮膚的設(shè)計(jì)與制造提供了參考。

2.2 實(shí)用場景驗(yàn)證

傳感器在人體運(yùn)動檢測中的潛在應(yīng)用，如圖8(a)、圖8(b)所示，將傳感器放于手背的掌指關(guān)節(jié)上，明顯看到傳感器可以清晰地識別出關(guān)節(jié)彎曲30°、60°和90°，根據(jù)彎曲角度的不同，傳感器作出相應(yīng)響應(yīng)，表明傳感器可以測量手指彎曲程度，在運(yùn)動健身、人機(jī)交互、手語識別和娛樂等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)在手指彎曲時(shí)按壓掌指關(guān)節(jié)，由圖8(c)、圖8(d)看出傳感器在受到壓力時(shí)電阻明顯變小，由于按壓前后電阻值變化懸殊(5個(gè)數(shù)量級的變化)，在整體圖中較難看出變化趨勢。隨機(jī)選擇電阻明顯變小的某一時(shí)刻如圖8(d)局部放大可見，隨時(shí)間(4 s內(nèi))逐步增大壓力，同時(shí)傳感器的電阻值也隨時(shí)間逐漸減小。由于傳感器在指關(guān)節(jié)彎曲且未按壓時(shí)傳感器的電阻值依然保持在6 GΩ，驗(yàn)證了傳感器在彎曲時(shí)電阻模塊依然處于斷路狀態(tài)，只有受到外界壓力時(shí)電阻才有明顯的變化，可見傳感器的電阻模塊受拉伸應(yīng)變的影響小，只對壓力應(yīng)變響應(yīng)強(qiáng)烈，表明傳感器具有高可靠性。傳感器在拉伸狀態(tài)下依然可識別外界壓力，表明傳感器兼具檢測和區(qū)分拉伸與壓力2種應(yīng)變信號的能力，彌補(bǔ)大多數(shù)傳感器信號單一、難以區(qū)別壓力應(yīng)變與拉伸應(yīng)變的缺點(diǎn)，使人體運(yùn)動監(jiān)測全方位，使機(jī)器人功能多樣化，擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。在醫(yī)療方面，可以讓假肢手擁有和人類皮膚一樣可識別外界刺激的能力，幫助患者正常生活。

通過肘關(guān)節(jié)的彎曲(圖9(a)、圖9(b))可以清晰地看出傳感器隨肘關(guān)節(jié)的彎曲與伸展作出不同的響應(yīng)，由于肘關(guān)節(jié)每一次彎曲的幅度、速度不同，傳感器會根據(jù)受試者肘關(guān)節(jié)的彎曲幅度和彎曲速度的不同作出不同的響應(yīng)，表明傳感器具有測量速度的潛能。為檢測傳感器感知外界壓力的能力，在肘關(guān)節(jié)彎曲時(shí)按壓肘關(guān)節(jié)，并且逐步增加按壓的程度，從圖9(c)、圖9(d)可以看出傳感器在受到壓力時(shí)電阻依然有明顯的變化，同時(shí)隨按壓程度的增加電阻變小，再次體現(xiàn)了傳感器具有高可靠性。

(a)掌指關(guān)節(jié)彎曲不同角度

(b)掌指關(guān)節(jié)彎曲不同角度時(shí)傳感器響應(yīng)情況

(c)彎曲并按壓掌指關(guān)節(jié)

(d)彎曲并按壓掌指關(guān)節(jié)時(shí)傳感器響應(yīng)情況圖8 傳感器在掌指關(guān)節(jié)上的應(yīng)用

如圖10(a)、圖10(b)所示，對傳感器進(jìn)行扭轉(zhuǎn)測試，當(dāng)受試者前臂向外旋時(shí)，橈骨相對于附著的傳感器有明顯的移動，從而扭轉(zhuǎn)傳感器使其變形并改變傳感器的電容值。當(dāng)外旋時(shí)，傳感器的電容值變大；當(dāng)內(nèi)旋時(shí)手臂恢復(fù)到原先狀態(tài)，傳感器回到初始狀態(tài)，相對電容值也變回到初始狀態(tài)(C/C0=1)。

利用傳感器檢測喉結(jié)的運(yùn)動，如圖11(a)、圖11(b)所示。在喉結(jié)運(yùn)動前先將傳感器貼于喉結(jié)位置，此時(shí)傳感器是擴(kuò)張的，受試者喝水時(shí)，喉結(jié)向上移動，傳感器擴(kuò)張程度減小，此時(shí)傳感器電容值相對于初始值是減小的(C/C0<1)，從圖11(b)中可以清晰看到，每一次喝水，傳感器的相對電容值都有明顯的下降，隨喉結(jié)回到原來位置，傳感器的電容值也回到初始值。表明傳感器對人體運(yùn)動敏感，響應(yīng)明顯。

(a)彎曲肘關(guān)節(jié)

(b)彎曲肘關(guān)節(jié)時(shí)傳感器響應(yīng)情況

(c)彎曲并按壓肘關(guān)節(jié)

(d)彎曲并按壓肘關(guān)節(jié)時(shí)傳感器響應(yīng)情況圖9 傳感器在肘關(guān)節(jié)上的應(yīng)用

3 結(jié)束語

(a)旋轉(zhuǎn)手臂

(b)旋轉(zhuǎn)手臂時(shí)傳感器的響應(yīng)情況圖10 傳感器對手臂旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用

(a)喝水運(yùn)動

(b)喝水時(shí)傳感器的響應(yīng)情況圖11 傳感器對喝水運(yùn)動的應(yīng)用

本文提出了一種新型、多功能和柔性的可同時(shí)識別拉伸和外部按壓的傳感器。該傳感器是基于柔性材料制作而成的，具有穩(wěn)定的拉伸性能，與皮膚適配性高。該傳感器總體為垂直結(jié)構(gòu)，從上至下由電阻模塊和電容模塊兩部分組成。電阻模塊主要檢測來自外部的按壓，電容模塊識別拉伸扭轉(zhuǎn)等應(yīng)變。實(shí)驗(yàn)證明傳感器可以在不同拉伸倍率(20%、40%、60%、80%、100%)、不同角度(30°、60°、90°)和12 000次循環(huán)拉伸下保持良好的性能，并用漸增的力按壓傳感器，傳感器隨力的增大電阻逐漸減小，表征傳感器較長的延展性、穩(wěn)定性、耐用性和高重復(fù)性。在彎曲和伸展關(guān)節(jié)、彎曲關(guān)節(jié)并伴隨按壓、扭轉(zhuǎn)前臂和喉結(jié)上下運(yùn)動這4種應(yīng)用場景中，傳感器能準(zhǔn)確地識別和感知人體運(yùn)動，證明了傳感器的實(shí)用性和可行性。該項(xiàng)工作為應(yīng)用于人體運(yùn)動檢測、醫(yī)療康復(fù)、機(jī)器人技術(shù)和人機(jī)交互的集高延展性與感知外部按壓的人造皮膚提供了參考。