柔性電容式壓力傳感器制作與性能優(yōu)化分析

，沈宏峻

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

隨著21世紀(jì)機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人表面的柔性傳感器技術(shù)取得了重大突破[1]。柔性觸覺傳感器是附著于機(jī)器人表面的一種傳感器[2]，能將觸覺信號轉(zhuǎn)化為電信號，并且適應(yīng)各種復(fù)雜表面，幫助機(jī)器人完成各種表面結(jié)構(gòu)物體的相關(guān)信息檢測，對機(jī)器人的智能決策與控制至關(guān)重要[3]?，F(xiàn)如今，各類傳感器廣泛應(yīng)用于智能假肢[4]，機(jī)器人皮膚[5]等領(lǐng)域，為人們的生產(chǎn)和生活帶來了極大的便利[6-8]。目前傳感器根據(jù)能量和信息轉(zhuǎn)換方式可以分為以下幾類：電容式、壓阻式和壓電式[9]。壓阻式觸覺傳感器是利用壓阻材料的壓阻效應(yīng)來感知并測量壓力[10]；壓電式觸覺傳感器是利用材料的壓電效應(yīng)來感知并測量壓力[11-12]；電容式觸覺傳感器則是利用電容的變化來感知并測量壓力。其中電容式傳感器較其他形式的傳感器具有靈敏度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

美國的 R.Surapaneni 等[13-14]設(shè)計(jì)了一種浮動式梳子型電容式柔性觸覺傳感器，其工作原理是通過測量正對面積的變化來實(shí)現(xiàn)剪切力的測量，美國亞利桑那州立大學(xué)的R.D.P.Wong 等[15]開發(fā)了一種電容式微流體壓力傳感皮膚，使用了液態(tài)金屬合金作為其內(nèi)部電路，金屬流體作為可變形電極板具有高靈活性、耐彎折和不易疲勞等特性。臺灣長庚大學(xué)的KinFong Lei團(tuán)隊(duì)[16]設(shè)計(jì)一種全柔性電容傳感器，并適用于足底壓力測量的量程可調(diào)的觸覺傳感器，該傳感器由上下電極層、PDMS(聚二甲硅氧烷)介電層以及頂部PDMS觸頭組成，該傳感陣列能夠?qū)崿F(xiàn)柔性彎曲，并能通過調(diào)整PDMS介電層的厚度來調(diào)整量程。

本文設(shè)計(jì)了一種多孔介質(zhì)層的電容式柔性壓力傳感器。以PDMS作為傳感器的介質(zhì)層，以炭黑薄膜作為傳感器的上下電極，并在介質(zhì)層中增設(shè)了四個均勻分布的圓柱孔形成多孔介質(zhì)層，該電容式柔性壓力傳感器工藝簡單、成本較低、靈敏度高。

1 傳感器的原理

一般來說，電容式傳感器是由上下電極和中間的介質(zhì)層組成。當(dāng)對傳感器施加一個力時，電容的變化是通過上下電極的正對面積的變化或介質(zhì)層間距的變化導(dǎo)致的。若忽略電容極板的場邊效應(yīng)，則電容公式可表示為：

(1)

式中：A為電極正對面積；d為介質(zhì)層間距；ε0為電容空間的絕對介電常數(shù)；εr為相對介電常數(shù)。本文設(shè)計(jì)的電容式傳感器的電極正對面積A為1 cm2，介質(zhì)層間距d為1 mm，該傳感器的工作原理為變間距式，當(dāng)變化間距是Δd時，相對的電容變化為：

(2)

改變介電層間距來改變電容值大小的方法雖然簡便，但電容變化較小，靈敏度較低，故在介電層中增設(shè)了幾個分布均勻的圓柱孔來研究傳感器的性能，并與未進(jìn)行圓柱孔處理的介電層制作的傳感器結(jié)果進(jìn)行比較，為了表示多孔介電層硅膠傳感器的電容值，設(shè)傳感器的電容值為C，硅膠介電層的電容值為C1，空氣介電層的電容值為C2，則對于本文研究的多孔介質(zhì)層柔性傳感器的電容可表示為：

(3)

將公式(1)帶入到公式(3)中，可以得到多孔介電層硅膠傳感器的電容值大小為：

(4)

式中：εr1為空氣介電層的相對介電常數(shù)；A1為空氣介電層的正對面積；εr2為硅膠介電層的相對介電常數(shù)；A2為硅膠介電層的正對面積。

2 傳感器的制作

設(shè)計(jì)的多孔式柔性電容傳感器由上電極、PDMS介質(zhì)層、下電極組成，如圖1所示。傳感器單元的整體尺寸為10 mm×10 mm×3 mm，介質(zhì)層的尺寸為10 mm×10 mm×1 mm，介質(zhì)層中有四個直徑為3 mm的圓柱孔，圓心距方形邊緣距離為3 mm，利用SolidWorks軟件繪制介電層的模具，并用3D打印設(shè)備制作出該模具。

圖1 傳感器模型

PDMS是由固化劑和預(yù)聚體兩種溶液按質(zhì)量比1∶10的比例混合制作而成的。首先用電子秤量出一定質(zhì)量的預(yù)聚體溶液倒入容器中，再將配比好的固化劑倒入容器中，放入真空攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢韬笕〕霾⒌谷肽＞咧械却袒鳛榻殡妼邮褂谩?/p>

炭黑薄膜是將一定量的炭黑(CB)分散在一定量的甲苯溶液中，兩者的比例約為1∶100。將混合好的炭黑溶液放入超聲機(jī)中分散2 h，并將分散均勻的炭黑溶液倒在玻璃片上直至干燥，將PDMS溶液均勻地倒在炭黑表面上，再在PDMS固化后將其剝離，獲得一個CB/PDMS薄膜作為電極層使用。傳感器的制備流程圖如圖2所示。

圖2 傳感器制備流程圖

將制作完成的電極層和介質(zhì)層剪裁成需要的形狀，使用PDMS作為膠體按順序粘連制做電容式柔性傳感器，并在上下電極和介質(zhì)層之間連接導(dǎo)線，傳感器實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 傳感器實(shí)物

3 傳感器的性能測試

搭建基于LCR-821高精密LCR測試儀的信號處理系統(tǒng)。對傳感器進(jìn)行重復(fù)性性能與動態(tài)響應(yīng)的測試。搭建的測試平臺如圖4所示。測量時，首先將LCR和推拉力計(jì)調(diào)零，并將傳感器固定在滑軌上，再將傳感器的接線端與測試儀觸頭連接，讀出傳感器電容的初始值。以1 N為單位，逐漸增加推拉力計(jì)的力至40 N，觀察電容值的變化。

圖4 測試裝置

3.1 輸出特性測試

為了得出多孔介質(zhì)層柔性傳感器和未作圓柱孔處理的柔性傳感器特性曲線之間的區(qū)別，對傳感器進(jìn)行0～40 N力的加載試驗(yàn)，分別進(jìn)行三次試驗(yàn)并取平均值，得出多孔介質(zhì)層柔性傳感器和未作圓柱孔處理的柔性傳感器的比較圖如圖5所示。將多孔介電層柔性傳感器的電容值記作C1，未作圓柱孔處理的柔性傳感器的電容值記作C2。

圖5 輸出曲線

3.2 重復(fù)性測試

重復(fù)性是指在傳感器的量程范圍內(nèi)，按照同一方向輸入進(jìn)行多次測試。本文通過施加法向力分別對多孔介電層柔性傳感器和未作圓柱孔處理的柔性傳感器分別進(jìn)性重復(fù)性試驗(yàn)，每組進(jìn)行3次試驗(yàn)，多孔介電層柔性傳感器的重復(fù)性如圖6所示，未作圓柱孔處理的柔性傳感器的重復(fù)性如圖7所示。

圖6 多孔介電層重復(fù)性測試

圖7 未做處理介電層重復(fù)性測試

將兩傳感器分別進(jìn)行了三次測試后，可以測出多孔介質(zhì)層傳感器最大的重復(fù)性誤差約為0.06，未進(jìn)行圓柱孔處理的傳感器最大的重復(fù)性誤差約為0.07。表明多孔介質(zhì)層傳感器重復(fù)性誤差小于未進(jìn)行圓柱孔處理的傳感器。

3.3 加載卸載測試

在多孔介電層柔性傳感器上施加3 N的壓力并保持一定時間再進(jìn)行卸載，這段時間內(nèi)傳感器的電容變化如圖8所示。

由圖8可以看出，在施加相同力的時間間隔里，該傳感器的數(shù)值保持穩(wěn)定，故該多孔式傳感器可以穩(wěn)定地檢測壓力變化。

圖8 加載卸載

3.4 壓力檢測試驗(yàn)

為了驗(yàn)證傳感器的性能，在傳感器上添加不同質(zhì)量的砝碼，壓力檢測試驗(yàn)如圖8所示，觀察傳感器的電容變化，壓力測試結(jié)果見表1，由表1可以看出，傳感器可以實(shí)現(xiàn)對壓力的檢測，并且誤差在10%以內(nèi)。

圖9 壓力檢測試驗(yàn)

表1 壓力測試

4 小結(jié)

研制了一種多孔柔性電容傳感器，并與未進(jìn)行圓孔處理的柔性電容式傳感器進(jìn)行比較。通過比較，發(fā)現(xiàn)多孔柔性電容傳感器靈敏度較高，響應(yīng)時間較未進(jìn)行圓孔處理的柔性電容式傳感器快，壓力相對誤差較小，并且制作工藝簡單，成本較低，穩(wěn)定性好，具有一定的使用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。