微圓頂陣列結(jié)構(gòu)柔性觸覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

郭小輝，黃 英，劉彩霞，劉 平，馬淵明

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院 合肥 230009)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與傳感技術(shù)之間的深度滲透以及智能終端設(shè)備的日益普及，為可穿戴式傳感器的研究提供了有力的技術(shù)支撐和廣闊的市場(chǎng)前景，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及體育[1]、游戲[2]、醫(yī)療[3]和科研[4-5]等。具備觸覺(jué)感知功能的可穿戴電子設(shè)備是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一，觸覺(jué)作為人體最大的感官系統(tǒng)，在信息交互和傳感認(rèn)知過(guò)程中具有重要的作用[6-8]。將觸覺(jué)傳感器集成于可穿戴設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶生理參數(shù)檢測(cè)并快速、準(zhǔn)確地做出健康評(píng)估，亦或是智能機(jī)器人通過(guò)穿戴這類柔性電子仿生皮膚可以更加靈活、全面地完成人機(jī)交互[9-10]。

觸覺(jué)力感知為觸覺(jué)傳感器范疇中最常見(jiàn)的一種，為克服以硅基體或光電式等觸覺(jué)力傳感器存在柔性差、不易穿戴等缺點(diǎn)，填充型高分子柔性導(dǎo)電復(fù)合材料，尤其碳系填料，因具備加工性好、工藝簡(jiǎn)單、電阻率易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)在柔性電子仿生皮膚研究中得到廣泛應(yīng)用。炭黑具有價(jià)格低廉及良好的力學(xué)特性，碳納米管因較大的長(zhǎng)徑比呈現(xiàn)較低的滲流閾值，被應(yīng)用于力敏復(fù)合材料研究中。為進(jìn)一步提升力敏傳感器的穿戴舒適度和力學(xué)特性，本文將形狀和尺寸各異的炭黑/碳納米管兩相填料并用填充硅橡膠(CB/CNTs/SR)制備力敏復(fù)合材料，提出了一種表面具有微圓頂陣列結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的柔性、可穿戴觸覺(jué)傳感器。

1 微圓頂觸覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)在導(dǎo)電復(fù)合材料表面構(gòu)造微結(jié)構(gòu)可以提升觸覺(jué)傳感器的力敏特性[11-13]，本文基于3D打印技術(shù)和硅橡膠流體成型特點(diǎn)制備了微圓頂結(jié)構(gòu)柔性觸覺(jué)傳感器。圖1為微圓頂結(jié)構(gòu)觸覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)及傳感機(jī)理示意圖，圖1a為觸覺(jué)敏感單元，選用CB/CNTs/SR為力敏復(fù)合材料，與叉指型電極接觸面留有微圓頂狀觸頭陣列；圖1b為單個(gè)微圓頂結(jié)構(gòu)及受力時(shí)敏感機(jī)理示意圖，壓阻式觸覺(jué)力敏感單元的輸出電阻由體電阻和接觸電阻組成，觸覺(jué)力作用下，微圓頂陣列結(jié)構(gòu)與電極接觸狀態(tài)由點(diǎn)-面接觸轉(zhuǎn)為面-面接觸。同時(shí)力敏復(fù)合材料受力被壓縮，隧道效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)電填料間形成導(dǎo)電通路，兩者間的協(xié)同作用共同構(gòu)成了觸覺(jué)感知機(jī)理。為進(jìn)一步研究本文的微圓頂結(jié)構(gòu)柔性觸覺(jué)傳感器在觸覺(jué)力作用下的應(yīng)變特點(diǎn)，借助ANSYS有限元仿真軟件進(jìn)行模擬，圖1c和圖1d分別是微圓頂觸覺(jué)傳感器受力時(shí)應(yīng)力和形變結(jié)果。

圖1 微圓頂觸覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)及傳感機(jī)理

1.2 力敏材料及傳感器制備

力敏復(fù)合材料和微圓頂陣列結(jié)構(gòu)觸覺(jué)傳感器制備方式采用溶液共混法，具體制備流程如圖2所示。填料為CB3100型炭黑(瑞士SPC公司，平均粒徑約為30 nm，電阻率約為8×10-3Ω?cm)、TNM5型碳納米管(中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司，平均長(zhǎng)度約為20 μm，電阻率約為3～6×10-2Ω?cm)，母體選GD401室溫硫化硅橡膠(中昊晨光化工研究院有限公司)，依次取質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的炭黑和2%碳納米管于燒杯中并加入適量分散劑，使用超聲波材料分散儀進(jìn)行超聲分散10 min，并利用磁力攪拌機(jī)對(duì)懸浮液均勻攪拌20 min。加入硅橡膠并均勻攪拌30 min，使得炭黑/碳納米管均勻分散在母體中，分散劑充分揮發(fā)。經(jīng)抽真空處理除去CB/CNTs/SR溶液因攪拌混入的氣泡后，將復(fù)合材料注入基于3D打印技術(shù)制備具有微圓頂特征的模具，并置于恒溫箱中固化成形，脫模后可獲得微圓頂觸覺(jué)傳感器。

圖2 微圓頂觸覺(jué)傳感器制備流程

圖3 炭黑/碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料微觀圖

為表征雙相填料并用在母體中的分散情況，測(cè)試了如圖3所示的炭黑/碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料電子掃描顯微鏡圖。在CB/CNTs/SR導(dǎo)電復(fù)合材料中，CNTs分布在CB團(tuán)聚體之間，通過(guò)SR分子鏈將其連接起來(lái)，使得CB和CNTs在硅橡膠基體中的分散性得到大幅度的改善。CB和CNTs雙相導(dǎo)電填料并用會(huì)在導(dǎo)電橡膠體系中產(chǎn)生“協(xié)同效應(yīng)”[14]，CB和CNTs形成“葡萄串”結(jié)構(gòu)，CNTs可以看作葡萄串的梗，起到連接、固定分散的CB顆粒的作用。硅橡膠基體的橡膠分子鏈作為骨架，與CNTs和CB形成的葡萄串結(jié)構(gòu)相互交錯(cuò)，協(xié)同補(bǔ)強(qiáng)，將CB顆粒間的點(diǎn)-點(diǎn)接觸及CNTs間的線-線接觸優(yōu)化為三維立體狀接觸網(wǎng)絡(luò)，有利于力的傳遞和導(dǎo)電通路的形成。炭黑/碳納米管并用產(chǎn)生的“協(xié)同效應(yīng)”增強(qiáng)了導(dǎo)電復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度，并易于構(gòu)成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

2 觸覺(jué)感知應(yīng)用研究

2.1 傳感特性

使用LS-WD-100型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(深圳力森科技有限公司)對(duì)本文提出的微圓頂陣列結(jié)構(gòu)柔性觸覺(jué)傳感器在0～70 N范圍內(nèi)進(jìn)行壓力加載實(shí)驗(yàn)。圖4為微圓頂觸覺(jué)傳感器力敏特性測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試過(guò)程中，以5 N為步進(jìn)，記錄對(duì)應(yīng)加載力作用下微圓頂陣列結(jié)構(gòu)觸覺(jué)傳感器輸出電阻值，其力敏特性測(cè)試結(jié)果如圖5所示，R為傳感器受力作用時(shí)輸出電阻值，R0為初值電阻值。

圖4 觸覺(jué)傳感器特性測(cè)試裝置

圖5 炭黑/碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料力敏特性

2.2 觸覺(jué)感知實(shí)驗(yàn)

足部信息尤其足底壓力的時(shí)空分布，對(duì)于鞋類設(shè)計(jì)與舒適度評(píng)估、運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練、步態(tài)分析以及諸如帕金森癥、內(nèi)外八字、糖尿病足等疾病的診療、預(yù)判等均具有重要的意義[15-16]。

圖6 傳感器位置分布

為了拓展本文的微圓頂陣列結(jié)構(gòu)柔性觸覺(jué)傳感器應(yīng)用范圍，將該微圓頂陣列結(jié)構(gòu)的觸覺(jué)傳感器集成于鞋墊進(jìn)行足底壓力分布測(cè)試，根據(jù)足底受力特點(diǎn)[17]，壓敏單元在足底分布如圖6a所示；圖6b為本文的微圓頂陣列結(jié)構(gòu)觸覺(jué)敏感單元實(shí)物圖，可以看出，該力敏單元具有輕薄、柔軟等特點(diǎn)；圖6c為基于柔性印刷電路板技術(shù)制備的叉指型電極，將力敏傳感單元粘接在其表面制備成柔性壓力傳感器，力敏傳感單元和電極良好的柔軟性共同保證了觸覺(jué)傳感器的穿戴舒適性。

圖7 系統(tǒng)流程圖

為提升足底壓力檢測(cè)系統(tǒng)的便攜性，本文基于高性能、低功耗微處理器CC2530和多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2495構(gòu)建足底壓力信息采集系統(tǒng)，其系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

用戶通過(guò)圖8a所示的穿戴該便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)足底壓力時(shí)空分布特點(diǎn)，并于如圖8b所示的LabVIEW上位機(jī)進(jìn)行圖形化顯示。

3 結(jié) 束 語(yǔ)

為提升觸覺(jué)傳感器穿戴舒適度和力敏特性，基于炭黑/碳納米管/硅橡膠復(fù)合材料制備了一種具有微圓頂陣列結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的柔性可穿戴觸覺(jué)傳感器。闡述了微圓頂觸覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制備流程，并結(jié)合ANSYS分析其觸覺(jué)感知機(jī)理。對(duì)觸覺(jué)傳感器進(jìn)行力敏特性表征實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行足底壓力分布感知應(yīng)用，可用作穿戴觸覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)柔性觸覺(jué)感知。

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