基于碳納米管-聚合物的柔性觸覺傳感器研究

孫旭光，王春凱，劉 昶，孫建海，薛 寧

(1.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國家重點實驗室，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)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(xué)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(fù)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(fù)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(dǎo)電材料和聚合物結(jié)合的復(fù)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(xué)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(fù)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(fù)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(dǎo)致的短路，在上下電極之間的中間層使用與MWCNTs-PDMS復(fù)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(dǎo)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(fù)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(fù)合材料單元具有良好的導(dǎo)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(zhǔn)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(fù)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(dāng)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(fù)合材料內(nèi)部的碳納米管受到擠壓形成更多導(dǎo)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(fù)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(yán)重的團聚現(xiàn)象，嚴(yán)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(dǎo)電復(fù)合物.

將質(zhì)量分?jǐn)?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(fù)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(fù)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(dǎo)電復(fù)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.

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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?dāng)_，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(fù)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(biāo)準(zhǔn)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?dāng)_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(fù)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.