浮動電極式三維柔性電容觸覺傳感陣列設(shè)計

余建平，張玉良，周兆忠，2

(1.衢州學院機械工程學院，浙江衢州 324000;2.浙江工業(yè)大學機械工程學院，浙江杭州 310014)

0 引言

隨著醫(yī)學技術(shù)與智能機器人技術(shù)的發(fā)展，越來越多的截肢患者通過人工假肢重新實現(xiàn)了日常生活的自理，而重塑觸覺感知，準確還原觸覺信息，是實現(xiàn)人工假肢重建人體運動功能關(guān)鍵的一步［1－2］。

人工假肢的觸覺感知是通過觸覺敏感元件來識別對象的各種物理信息，因此構(gòu)建一種類似人體皮膚的觸覺敏感元件實現(xiàn)觸覺感知的需求就顯得尤為重要。近年來，“機器人觸覺敏感皮膚”作為一類新型的觸覺敏感元件已成為機器人觸覺傳感技術(shù)領(lǐng)域研究一個新的熱點［3－4］。

在人工假肢工作過程中，假肢表面需貼合在任意曲面上，機器人觸覺敏感皮膚必須設(shè)計成柔性結(jié)構(gòu)，能夠反復的彎曲和拉伸。傳統(tǒng)的硅片基底因過高的剛度系數(shù)并不適用于機器人觸覺敏感皮膚的制造，因此具有良好柔韌性的多聚合物材料漸漸成為制造機器人觸覺敏感皮膚的主要材料［5－7］。

本文提出了一種新型的柔性電容觸覺傳感陣列，能夠同時實現(xiàn)z－向壓力與x－y向剪切力的測量。浮動電極式的傳感陣列設(shè)計，由基于FPCB(柔性印刷電路板)的感應(yīng)電極層和基于PDMS(聚二甲基硅氧烷)的浮動電極層替代傳統(tǒng)的上下兩層感應(yīng)電極層結(jié)構(gòu)，將較為脆弱的接口電路加工在底部的感應(yīng)電極層上，在一定程度上提高了浮動電極層的撓曲剛度，使得該柔性電容觸覺傳感陣列可以承受更大的拉伸與彎曲。

1 觸覺傳感陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計

三維柔性電容觸覺傳感陣列可分解為若干個2 000 μm×2 000 μm的傳感單元。如圖1所示，每個傳感單元均包括了感應(yīng)電極層、中心絕緣層、浮動電極層和表面層。

感應(yīng)電極層包含4個對稱分布的感應(yīng)電極S1、S2、S3和S4，尺寸均為400 μm ×400 μm，間距為300 μm。接口電路分為兩層，均加工在感應(yīng)電極層上，其中連接感應(yīng)電極S1和S4的接口電路加工在一層，連接感應(yīng)電極S2和S3的接口電路加工在另一層，對應(yīng)于4個感應(yīng)電極，每個傳感單元擁有4個輸出接口，分別定義為T1，T2，T3和T4。浮動電極層包含一個浮動電極S0，浮動電極為外圍1 100 μm × 1 100 μm，內(nèi)徑 300 μm × 300 μm，厚度10 μm的正方形矩陣，大小恰好覆蓋住4個感應(yīng)電極。中心絕緣層的厚度為15 μm，中心位置加工有4個600 μm×600 μm的矩形凹槽，凹槽的間距為100 μm。

感應(yīng)電極層、中心絕緣層和浮動電極層構(gòu)成四個獨立的電容傳感子單元，其電容量分別表示為CS1、CS2、CS3和CS4。表面層直接接觸被測對象表面，為提高傳感單元對剪切力的靈敏度，表面層加工為高度 300 μm，下底面為 700 μm ×700 μm，上表面為500 μm×500 μm的梯形塊。

2 浮動電極式觸覺傳感單元原理

圖2(a)給出了簡化的傳統(tǒng)電容觸覺傳感單元結(jié)構(gòu)原理圖，包含了上下兩層感應(yīng)電極層，此時，電容傳感單元的電容量可計算得到:

圖1 三維柔性電容觸覺傳感單元結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

式中:ε0為真空介電常數(shù);AT為傳感單元極板面積;g為極板間距。

圖2(b)給出了本文所采用的浮動電極式電容觸覺傳感單元結(jié)構(gòu)原理圖，感應(yīng)電極層上的四片感應(yīng)電極與浮動電極上的一片浮動電極構(gòu)成了4個獨立的傳感子單元，由于四片感應(yīng)電極結(jié)構(gòu)完全相同，因此4個傳感子單元的電容量可以表示為:

式中:AS為傳感子單元的極板面積;gn為傳感子單元各自的極板間距，由于 LM=LS，故 AS=1/4AT。

由于接口電路均加工在感應(yīng)電極層上，故檢測過程中輸出的并非傳感子單元的電容量，而是任意兩個輸出接口之間的電容量，其中T1和T2接口之間的電容量表示為CT1，T2和T3之間的電容量表示為CT2，T3和T4接口之間的電容量表示為CT3，T4和T1接口之間的電容量表示為CT4，則可以得到:

圖2 電容觸覺傳感單元結(jié)構(gòu)原理圖

初始階段，4個傳感子單元的電容量完全相等，當z－向壓力Fz作用于傳感單元時，4個電容傳感子單元的極板間距發(fā)生相同的變化gz，此時4個電容變化量也相等。當剪切力Fx作用于傳感單元時，CS2與CS4的極板間距減小gx，CS1與CS3的極板間距增大gx，同時由于Fx存在z－方向的分量，4個電容子單元的間距都改變kgx，k為比例系數(shù)。當剪切力Fy作用于傳感單元時，CS1與CS2的極板間距減小 gy，CS3與CS4的極板間距增大gy，同時4個電容子單元的間距都改變kgy。

因此，當z－向壓力與x－y向剪切力同時作用于傳感單元表面時，可以得到:

可以看到4個傳感子單元的電容變化量各不相同，對式(4)其進行解算，得到z－向壓力與x－y向剪切力導致的極板間距的變化值，從而實現(xiàn)三維壓力的檢測。

3 機電耦合場分析

柔性電容觸覺傳感陣列綜合了結(jié)構(gòu)力學和靜電場的耦合分析，因此對傳感器開展性能分析與優(yōu)化的過程中，需要開展多物理場的機電耦合分析與仿真，本文使用COMSOL MultiphysicsR軟件展開本小節(jié)的研究。

由于傳感器采用了陣列式的結(jié)構(gòu)，因此在機電耦合場的有限元分析中，分析對象確定為單個觸覺傳感單元，并將與其他傳感單元接觸的4個邊界定義為對稱邊界以模擬現(xiàn)實的測量環(huán)境。感應(yīng)電極層采用FPCB工藝制作，其材料主要為聚酰亞胺(PI)，中心絕緣層、浮動電極層和表面層均采用了PDMS材料，PDMS樹脂和固化劑的質(zhì)量比例為不同值時，將會呈現(xiàn)不同的力學性能，在本文的觸覺傳感陣列設(shè)計中，中心絕緣層與浮動電極層應(yīng)易于變形，而表面層需要產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，因此對應(yīng)于不同的部位，將選用不同的PDMS材料，具體的材料性能如表1所示。

表1 傳感器有限元分析材料參數(shù)

柔性電容觸覺傳感陣列可以實現(xiàn)三維壓力測量，仿真過程中，在表面層的上表面施加載荷，F(xiàn)x、Fy和Fz初始值均定義為0。圖3繪出了Fy=Fz=0，x－方向施加給定載荷Fx=25 mN時，傳感單元的位移變化圖，可以看到傳感器的位移應(yīng)變主要集中在傳感器的傳感單元部分，表面層的凸起設(shè)計對于應(yīng)力集中有明顯的效果。

圖3 傳感單元的位移變化圖

圖4繪出了此時觸覺傳感單元的電場云圖，可以看到x－方向的載荷導致4個電容傳感子單元的電場產(chǎn)生不同的分布，從而改變其電容值。

圖4 傳感單元的電場云圖

為全面驗證柔性電容觸覺傳感陣列實現(xiàn)三維壓力測量的性能，F(xiàn)x、Fy和Fz設(shè)置為可變參量，可以實現(xiàn)連續(xù)載荷下的機電耦合場分析。圖5繪出了將Fx單獨設(shè)置為可變參量時，4個獨立的電容傳感子單元的電容值與施加載荷的關(guān)系曲線，可以看出，在較小的載荷下，傳感器的壓力特性呈現(xiàn)良好的線性，通過計算可以得到傳感陣列在x－方向的靈敏度為1.0%/mN。

圖6繪出了將Fz單獨設(shè)置為可變參量時，電容值與施加載荷的關(guān)系曲線，可以看出四個電容傳感子單元的電容值變化量相同，同時得到傳感陣列在z－方向的靈敏度為0.8%/mN。

4 制作工藝設(shè)計

柔性電容觸覺傳感陣列分為4層，圖7分層描述了詳細的制作加工過程。

圖5 Fx設(shè)置為可變參量時，電容值與施加載荷的關(guān)系曲線

圖6 Fz設(shè)置為可變參量時，電容值與施加載荷的關(guān)系曲線

如圖7(a)所示，制作表面層時，取1塊硅基板，背面使用KOH進行各向異性刻蝕，形成倒梯形模具，并制作厚度為100 μm的PDMS涂層，分離后即可得到所需的表面層。如圖7(b)所示，絕緣層采用SU－8膠光刻工藝，首先在硅基板上制作SU－8光刻膠，然后采用掩模板光刻所需的圖形，形成絕緣層圖形模具，將圖形模具固定在真空熱壓機上，壓入PDMS，熱補過程后，從圖形模具上脫下PDMS圖形，即得到所需的絕緣層。感應(yīng)電極層采用FPCB技術(shù)制作，因為感應(yīng)電極層的接口電路分為兩層，因此具體制作時采用了多層板的結(jié)構(gòu)，其中連接感應(yīng)電極S1和S4的接口電路與連接感應(yīng)電極S2和S3的接口電路需加工在不同的導電層上，感應(yīng)電極則單獨加工在頂部的導電層上，感應(yīng)電極層的上下表面均有阻焊層作為保護膠片。如圖7(d)所示，制作浮動電極層時，首先在硅基板背面旋轉(zhuǎn)鍍膜一層正膠作為犧牲層，并利用光刻膠作為電鍍模板，在犧牲層上電鍍出所需的浮動電極陣列，為防止浮動電極脫落，在浮動電極背面需濺射一層鈦做為粘附層，接著將PDMS材料采用旋轉(zhuǎn)鍍膜的方法加工在粘附層上，為保證浮動電極層不發(fā)生變形，旋轉(zhuǎn)鍍膜的過程要在常溫下操作，最后將浮動電極層從硅基板上剝落，即完成浮動電極層的制作過程。

中心絕緣層、浮動電極層和表面層均為PDMS材質(zhì)，制作完成后，通過氧等離子處理使其相互粘合，形成PDMS結(jié)構(gòu)。感應(yīng)電極層則通過PDMS預聚物粘合在PDMS結(jié)構(gòu)上。圖7(e)則描繪出柔性電容觸覺傳感陣列的分層裝配圖。

圖7 柔性電容觸覺傳感陣列制作工藝設(shè)計

5 結(jié)論

本文成功地提出了一種新型的三維柔性電容觸覺傳感陣列，能夠同時實現(xiàn)z－向壓力與x－y向剪切力的測量。并采用浮動電極式的傳感陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別制作了基于FPCB的感應(yīng)電極層和基于PDMS的浮動電極層，大幅提高浮動電極層的撓曲剛度，使得柔性電容觸覺傳感陣列可以承受較大的拉伸與彎曲。

通過機電耦合場有限元分析，驗證了柔性電容觸覺傳感陣列的三維解耦測量能力，x－y和z－方向上傳感陣列的理論靈敏度分別為1.0%/mN和0.8%/mN，可廣泛應(yīng)用于人工假肢的觸覺感知重塑中，具有較高的研究價值和工程意義。

［1］HAN J E，KIM D，YUN K S.All-polymer hair structure with embedded three-dimensional piezoresistive force sensors.Sensors and Actuators A:Physics，2012，188:89 －94.

［2］LEE H K，CHUNG J，CHANG S I，et al.Real-time measurement of the three-axis contact force distribution using a flexible capacitive polymer tactile sensor.Journal of Micromechanics and Microengineering，2011，21(3):1 －9.

［3］CHENG M Y，HUANG X H，MA C W，et al.A flexible capacitive tactile sensing array with floating electrodes.Journal of Micromechanics and Microengineering，2009，19(11):1 －10.

［4］郭強，呂浩杰，胡國清.新型接觸式電容壓力傳感器.儀表技術(shù)與傳感器，2008(3):1－3.

［5］李穎，張治國，張娜，等.硅電容微差壓敏感器件封裝工藝研究.儀表技術(shù)與傳感器，2013(12):138－140.

［6］CHENG M Y，Lin C L，LAI Y T，et al.A polymer-based capacitive sensing array for normal and shear force measurement.Sensors，2010，10(11):10211－10225.

［7］LEI K F，LEE K F，LEE M Y.Development of a flexible PDMS capacitive pressure sensor for plantar pressure measurement.Microelectronic Engineering，2012，99:1 －5.