柔性膜擠壓式壓力傳感器的研制*

常 航，侯振德，屈 川

(天津大學(xué)機械工程學(xué)院力學(xué)系，天津 300354)

隨著智能機器人等人工智能設(shè)備的發(fā)展，傳感器的應(yīng)用日漸廣泛。為了滿足更多的傳感使用需求，適應(yīng)更多的使用環(huán)境，柔性壓力傳感器成為傳感器發(fā)展中的一個重要分支。柔性壓力傳感器根據(jù)力學(xué)信號轉(zhuǎn)換原理不同一般可以分為壓阻式[1-5]、電容式[6-9]、壓電式[10-12]以及摩擦電式[13-15]四大類。目前，國內(nèi)外對于可以測量正壓力的柔性傳感器已經(jīng)有很多研究。韓志遠等人用導(dǎo)電炭黑與無塵紙相結(jié)合得到了一種基于電阻變化的壓力傳感器[13]，該傳感器制造成本低，制作良品率高，且具有較好的穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)呼吸與脈搏監(jiān)測。鮑哲楠團隊制作了一種具有倒金字塔微結(jié)構(gòu)的柔性電容式壓力傳感器[14]，將液態(tài)PDMS注入具有微結(jié)構(gòu)的硅版上，固化后脫模撕下具有微結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜，作為電容傳感器的中間介質(zhì)。根據(jù)此結(jié)構(gòu)所制造出的電容傳感器具有出色的彈性和恢復(fù)性，靈敏度較高，可以辨別出上面的蒼蠅。Garcia等人制作了一種基于聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)靜電紡絲纖維的新型摩擦電納米發(fā)電傳感器[15]，該傳感器利用了PVDF的較強吸引電子能力，同時靜電紡絲產(chǎn)生的纖維表面積大，表面粗糙，可以產(chǎn)生更多的電荷。當(dāng)傳感器受壓時兩種材料相互接觸，電子從PVP中注入PVDF，壓力釋放后，接觸面恢復(fù)原來位置。實驗結(jié)果表明，該壓力傳感器具有很高的靈敏度和良好的重復(fù)性。電子科技大學(xué)龐文倩等人利用靜電紡絲技術(shù)制作了一種具有3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜作為壓敏材料[16]，通過其他復(fù)合材料進行封裝，得到了一種薄膜式的壓力傳感器?？梢杂糜谌梭w的健康檢測等應(yīng)用。其中電阻式傳感器結(jié)構(gòu)較為簡單，但穩(wěn)定性相對較差；電容式壓力傳感器穩(wěn)定性較好，但由于電容基本原理，往往輸入輸出呈非線性關(guān)系；壓電薄膜傳感器靈敏度較高，不適合于靜態(tài)力測量。

本文將電阻應(yīng)變片與柔性材料相結(jié)合，設(shè)計了一種可以測量兩個平行平面間擠壓力的柔性膜式擠壓力傳感器，厚度2.5 mm~4.0 mm，以兩種方式測量兩平面間的擠壓力。柔性膜式擠壓力傳感器既擁有超彈性材料柔軟的優(yōu)勢，同時繼承了電阻應(yīng)變片應(yīng)用方便，技術(shù)成熟穩(wěn)定的特點，具有輸入輸出線性好、零頻響以及性能穩(wěn)定等優(yōu)點。文章通過標定實驗證實了傳感器的有效性。這種超彈性柔性膜與電阻應(yīng)變片相結(jié)合制成傳感器，不僅可以測量擠壓力，還可以擴展到脈搏測量等方面，在人工智能等方面有著良好的發(fā)展前景。

1 柔性擠壓力傳感器實現(xiàn)測量的力學(xué)條件

本文研究的目的是研制一種可以測量兩平行平面間正壓力的柔性擠壓力傳感器，該傳感器將超彈性柔性材料與電阻應(yīng)變片相結(jié)合，超彈性柔性材料作為彈性體，受外力作用而變形，并向電阻應(yīng)變片傳遞應(yīng)變，由電阻應(yīng)變片對應(yīng)變進行測量。其中柔性材料在傳遞應(yīng)變的同時起到了維持電阻應(yīng)變片構(gòu)型的作用，保證電阻應(yīng)變片處于穩(wěn)定狀態(tài)。但由于柔性材料本身剛度較小，若電阻應(yīng)變片隨柔性材料受壓縮變形時，電阻應(yīng)變片極易發(fā)生屈曲，影響應(yīng)變的測量。所以，盡管是壓力測量也必須使電阻應(yīng)變片敏感柵受到拉伸作用，才可實現(xiàn)穩(wěn)定且精確的測量。

1.1 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

傳感器的主要構(gòu)成是由柔性超彈性材料制成的圓形膜狀彈性體，所使用的超彈性材料為704液態(tài)硅橡膠，該材料是一種單組分的硅橡膠材料，自然固化后可以粘接金屬以及塑料橡膠等多種材料，與電阻應(yīng)變片的粘接性良好。如圖1所示，彈性體受擠壓變形時，會沿膜的徑向(水平)延展，并產(chǎn)生拉應(yīng)變，但是，若彈性體處于周邊約束的狀態(tài)時，體積應(yīng)變接近于零，拉應(yīng)變會很小。為了增加拉伸應(yīng)變，在薄膜下部嵌入了一個剛度和硬度遠大于柔性彈性體的圓片，簡稱硬質(zhì)圓片，形成圖1所示的結(jié)構(gòu)。當(dāng)均布載荷作用時，靠近硬質(zhì)圓片邊緣的變形不均勻，圓片區(qū)域柔性材料的垂直變形小，大于圓片直徑區(qū)域則垂直變形大，會在硬質(zhì)圓片邊緣附近產(chǎn)生拉應(yīng)變。若在該位置放置電阻應(yīng)變片，且敏感絲柵方向于拉應(yīng)變方向相同，電阻應(yīng)變片即可測量出拉伸應(yīng)變的大小，從而可以測量出擠壓力的大小。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)

柔性膜式擠壓力傳感器厚度在2.5 mm~4.0 mm之間，可以根據(jù)使用條件來調(diào)整傳感器的厚度。傳感器主要用來測量兩平行平面之間的擠壓力，尤其是兩平面間的距離比較小時，方便進入較小縫隙當(dāng)中工作。

1.2 拉應(yīng)變區(qū)域的確定

為了驗證在設(shè)想的區(qū)域是否產(chǎn)生合適的拉應(yīng)變區(qū)域，用數(shù)值計算的方法進行了模擬計算。目的是根據(jù)拉應(yīng)變發(fā)生區(qū)域的大小和形狀，選擇合適的電阻應(yīng)變片，實現(xiàn)測量需求。因為只是計算受拉伸的區(qū)域，不是精確計算應(yīng)變的大小，計算模型中略去了電阻應(yīng)變片的作用，模型只由軟硬兩種材料組成。柔性壓片傳感器建模結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖2 傳感器尺寸

柔性彈性體雖為超彈性材料，但在所設(shè)計的傳感器中變形并不大，或者說仍處于小變形的范圍內(nèi)，所以仍采用經(jīng)典的有限元商業(yè)軟件Ansys進行計算。將兩種材料都看作線彈性材料，即彈性模量，泊松比均為常數(shù)。傳感器整體厚度h1為2 mm，直徑d1為22 mm，硬質(zhì)材料片厚度h2為1 mm，直徑d2為10 mm。其中柔性罩所使用柔性材料的彈性模量約為5 MPa，硬質(zhì)材料板的彈性模量為2 GPa。上表面施加q＝2.5 kPa的均布載荷。

設(shè)想的傳感器工作方式有兩種，傳感器被平放置在支撐面上，第一種是傳感器兩平面受擠壓，側(cè)表面無約束，可以在水平方向自由延展，如圖3(a)。第二種為傳感器或彈性體側(cè)表面受約束，不能自由延展，如圖3(b)。需要說明的是，柔性彈性體材料與支撐面或底面之間是有摩擦力的。因為實際應(yīng)用中，支撐面的材料多種多樣的，摩擦力的大小和分布規(guī)律難于確定，考慮到摩擦力對拉應(yīng)的大小會有影響，但是對拉應(yīng)變區(qū)域面積大小的影響并非決定性的，因此忽略掉了摩擦力。兩種方式下的仿真計算結(jié)果云圖分別如圖3(c)和圖3(d)。因為有對稱性，圖中沿軸線只給出了一半的應(yīng)變云圖。

圖3 仿真計算應(yīng)變云圖

可以看出，在硬質(zhì)圓片與柔性材料相連接的直角附近確實存在沿徑向的受拉區(qū)域，而且最大拉應(yīng)變也在這一區(qū)域內(nèi)，在側(cè)表面周邊未受約束的情況下，最大拉應(yīng)變?yōu)?00με左右，在側(cè)表面周邊受到約束后，最大拉應(yīng)變相對小，為130με左右。原因是周邊未約束狀態(tài)下，拉應(yīng)變由水平延展和硬質(zhì)材料片的作用下共同產(chǎn)生，而將周邊約束后，由于傳感器不能自由延展，拉應(yīng)變主要由硬質(zhì)材料片的作用下產(chǎn)生。

因為，仿真的目的是確認受拉區(qū)域的位置，有意義的結(jié)果是兩種加載條件下最大拉應(yīng)變的位置基本保持不變，因為是軸對稱問題，拉應(yīng)變分布區(qū)域也是軸對稱地沿徑向分布。圖4是模型的俯視圖，中央的圓形區(qū)域表示硬質(zhì)圓片的位置，圓環(huán)區(qū)域示意性地表示相對大的拉應(yīng)變發(fā)生區(qū)域。

圖4 受拉區(qū)域圖

根據(jù)仿真計算結(jié)果，選擇用于測量壓強傳感器的電阻應(yīng)變片，該應(yīng)變片為環(huán)形全橋式電阻應(yīng)變片，結(jié)構(gòu)如圖5所示。選用徑向敏感柵(簡稱徑向柵)內(nèi)徑與硬質(zhì)圓片直徑近似的電阻應(yīng)變片，使徑向柵剛好覆蓋圖4所示的拉應(yīng)變區(qū)域。此時，電阻應(yīng)變片的輸出與外加載荷對應(yīng)。

圖5 電阻應(yīng)變片

2 傳感器的結(jié)構(gòu)與標定

根據(jù)以上分析，按照上述方案制作了不同h1、h2的柔性膜式壓片傳感器。超彈性材料選擇液態(tài)硅橡膠。在澆注前事先將環(huán)形電阻應(yīng)變片固定在硬質(zhì)圓片表面，使徑向柵內(nèi)徑部分與硬質(zhì)圓片重合。放入模具澆注，固化，脫模后即可得到柔性擠壓力傳感器。傳感器如圖6所示，整體直徑為22 mm，硬質(zhì)材料片直徑為10 mm，二者厚度根據(jù)使用條件有所調(diào)整。

圖6 傳感器實物圖

為了檢驗柔性壓片傳感器的性能，分別對不同總厚度以及不同硬質(zhì)圓片厚度的多組柔性膜擠壓力傳感器進行了正壓力實驗標定。加載方式如圖7所示，集中力通過底面為平面的壓頭作用到柔性膜表面，形成均勻擠壓，壓頭面積與柔性膜面積一致，最大壓力為30N，最大等效壓強為19.7kPa。由于電子萬能試驗機的傳感器輸出單位為N，為了方便記錄，標定過程中我們以N為單位進行標定。

圖7 傳感器標定

首先對h1為3 mm，h2為0.5 mm的柔性壓片傳感器進行三次重復(fù)壓縮實驗。實驗結(jié)果如圖7(b)所示。通過線性擬合得到三組數(shù)據(jù)靈敏度分別為54.21 με/N，54.57με/N和54.03με/N。取其平均值為54.27με/N，若以壓強為單位，對應(yīng)82με/kPa。三組數(shù)據(jù)基本保持一致，重復(fù)性良好。其線性相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，通過計算三組實驗數(shù)據(jù)與線性擬合曲線的最大差值，與滿量程的應(yīng)變輸出進行對比，得到最大誤差值為2%FS。說明柔性壓片傳感器輸入輸出線性關(guān)系良好，也說明測量原理正確。

對不同參數(shù)條件下的柔性壓片進行對比實驗。分別取h1＝3 mm，h2＝0.5 mm；h1＝3 mm，h2＝1 mm；h1＝2.5 mm，h2＝0.5 mm；h1＝2.5 mm，h2＝1 mm四種不同參數(shù)的柔性壓片傳感器進行實驗，為了方便對比，將四組數(shù)據(jù)繪制在同一坐標軸下。實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同尺寸傳感器對比

對四組數(shù)據(jù)分別進行線性擬合，得到h1＝3 mm，h2＝0.5 mm；h1＝3 mm，h2＝1 mm；h1＝2.5 mm，h2＝0.5 mm；h1＝2.5 mm，h2＝1 mm四組傳感器靈敏度分別為:82με/kPa，76με/kPa，78με/kPa，62με/kPa，其誤差分別為2%FS，1%FS，1.5%FS，2.4%FS。通過四組數(shù)據(jù)對比可以得到，在傳感器總厚度相同的情況下，傳感器靈敏度與硬質(zhì)圓片厚度有一定的關(guān)聯(lián)；在硬質(zhì)圓片厚度相同的情況下，傳感器靈敏度隨著總厚度的增加而增加。在使用過程中，可以根據(jù)不同的使用需求選擇不同的傳感器厚度參數(shù)。

更改標定方式，將傳感器置于凹槽中，約束傳感器側(cè)向位移，如圖9(a)所示，標定壓頭大小與傳感器直徑大小相同，選用h1＝3 mm，h2＝0.5 mm的傳感器進行標定實驗，最大壓力加載至30 N，進行三次實驗。

標定結(jié)果如圖9(b)所示。對曲線進行線性擬合，通過計算后得到三條曲線靈敏度分別為50με/kPa，50με/kPa，51με/kPa，誤差均為4%FS。相較于周邊未約束的標定結(jié)果靈敏度較差，靈敏度約為其61%左右。線性相關(guān)系數(shù)為0.99，整體線性仍保持良好。柔性膜四周受到約束后，在受到擠壓力時不再自由延展，拉應(yīng)變只由硬質(zhì)圓片的作用產(chǎn)生，故傳感器靈敏度有所下降，但柔性壓片傳感器仍可以在該情況下進行使用。

圖9 周圍約束后傳感器標定

為了驗證硬質(zhì)圓片的作用，制作相同規(guī)格沒有硬質(zhì)材料片的擠壓力傳感器進行壓縮試驗。試驗方法與上述方式相同，分別在周圍約束和周圍無約束的情況下進行實驗。實驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 無硬質(zhì)材料片傳感器標定

通過實驗曲線可以得出，在周圍無約束的情況下，由于應(yīng)變輸出均由傳感器的自由延展方式得到，傳感器得靈敏度只有10με/kPa左右，僅為加入硬質(zhì)圓片后靈敏度的12%左右。在限制了自由延展后，如圖10(b)，傳感器接近于零，失去了作用。由此可以證明硬質(zhì)圓片的作用。

為了檢驗傳感器的加載及卸載特性，繼續(xù)對傳感器在兩種不同約束條件下進行加卸載實驗。最大加載至30 N，對應(yīng)最大壓強為19.7 kPa，之后即刻卸載。圖11(a)為周邊未約束條件下加卸載數(shù)據(jù)，圖11(b)為周邊約束條件下加卸載數(shù)據(jù)。卸載數(shù)據(jù)顯示，加卸載曲線不重合，有明顯的滯彈性。直觀上，周邊無約束時的滯彈性要大于周邊有約束的情況。

圖11 傳感器滯彈性曲線

為了確定滯彈性源于材料自身還是傳感器結(jié)構(gòu)，用相同材料制作了拉伸試樣，試樣內(nèi)封一個一體式全橋電阻應(yīng)變片，形成柔性敏感條并進行拉伸加卸載實驗。柔性敏感條結(jié)構(gòu)如圖12(a)所示，加卸載曲線如圖12(b)，可以看出，實驗的最大拉伸應(yīng)變遠大于圖11(a)和(b)的應(yīng)變，顯然無明顯的滯彈性。其卸載誤差僅為0.7%FS。這說明，所檢測到的滯彈性并非來自超彈性材料本身，可能是結(jié)構(gòu)方面的原因。

圖12 柔性敏感條滯彈性曲線

為了驗證滯彈性對測量的影響，在周圍無約束的情況下對傳感器進行了重復(fù)加卸載試驗。壓力在加載至30 N后即刻卸載，然后繼續(xù)加載至30 N，重復(fù)三次，實驗曲線如圖13(a)所示。三次加載靈敏度分別為76.08με/kPa、76.39με/kPa和75.85με/kPa，三條曲線基本重合且線性良好。可以確定，雖然傳感器有一定的滯彈性現(xiàn)象但并未影響到傳感器的加載特性，測量時在加載過程中讀取數(shù)據(jù)即可。

圖13 傳感器加卸載試驗

為了探究傳感器的滯彈性來源，先對傳感器上下表面均涂抹潤滑油，以減小傳感器表面的摩擦力，然后再進行標定。在相同條件下加載至30 N，即刻卸載，曲線如圖13(b)所示。可以明顯看出，傳感器的滯彈性有較大程度緩解。此時傳感器靈敏度為84.5με/kPa左右，相較于未涂抹潤滑油前有11%左右的提升。

通過實驗結(jié)果可以看出，傳感器的滯彈性來源應(yīng)該為傳感器上下表面的摩擦力作用，而且摩擦力也影響了傳感器的靈敏度。原因是傳感器測量兩平面之間的擠壓力，其與支撐面或壓頭平面之間的接觸面積相對大，摩擦力在一定程度上限制了傳感器的水平擴展與收縮。除了摩擦力的影響之外，壓頭平面接觸到傳感器表面時，會有空氣存留在兩接觸面之間，在擠壓過程中，由于柔性材料自身的密封作用，部分氣體不會排出到兩平面之外，會在縫隙間流動。卸載時，氣體不一定完全以相對加載時那樣對等地逆向流動，這可能也是造成滯彈性現(xiàn)象的原因之一。

傳感器在使用過程中，被測材料多種多樣，不同的材料引起的摩擦力均有不同，所以，解決的辦法是在實際使用之前，先根據(jù)實際的材料進行標定，然后再用于實際測量。

3 傳感器的拓展與應(yīng)用

柔性壓片傳感器除了可以用于兩平行平面間的壓力測量外，對傳感器的結(jié)構(gòu)稍作改變，即可實現(xiàn)其他力學(xué)量的測量。

例如，對柔性壓片傳感器的結(jié)構(gòu)進行改進，去除硬質(zhì)材料板，將壓片固封在有機玻璃圓環(huán)內(nèi)，如圖14(a)所示。即可實現(xiàn)微小壓力測量。

圖14 脈搏測量

將傳感器固定在手腕脈搏處，同樣連接動態(tài)應(yīng)變儀放大后，由示波器顯示輸出，圖14(c)為傳感器對于脈搏的測量結(jié)果曲線。圖中橫坐標為時間，每格對應(yīng)值為500 ms，縱坐標為電壓，每格對應(yīng)值為20 mV。測得脈搏頻率為67次/min左右。有趣的是所測跳動的上升沿(壓力升高)和下降沿并非對稱，曲線上升過程相對緩慢，下降相對快，而且，上升過程中還有小跳動。這或許與人的身體狀態(tài)相關(guān)。這種曲線的不對稱性是血管壁對血流壓力變化的力學(xué)響應(yīng)，與常見的人體的心電圖有所不同，后者是電學(xué)響應(yīng)。圖11(b)可能與中醫(yī)把脈的作用相類似，若將脈搏信號輸入計算機，也許可以根據(jù)脈搏跳動的曲線規(guī)律，實現(xiàn)對人體的自動把脈。

使用面積較小的電阻應(yīng)變片，還可制作直徑較小的觸點式壓力傳感器。傳感器結(jié)構(gòu)與柔性壓片傳感器基本相同，但上表面為圓弧頂面，作為觸點，如圖15(a)。由于加力點的位置在相對小的區(qū)域，所以可以用來測量集中力。將觸點式傳感器固定在手指尖，即可實現(xiàn)手指接觸力測量，如圖15(b)。觸點傳感器的應(yīng)變輸出經(jīng)過動態(tài)應(yīng)變儀放大后，由示波器顯示輸出，顯示結(jié)果如圖15(c)所示。圖中橫坐標為時間，每格對應(yīng)值為1 s，縱坐標為電壓，每格對應(yīng)值為200 mV。圖15中展示了手指以三個力度按壓桌面，最后離開桌面的過程。該實驗為演示性實驗，僅僅說明柔性材料與電阻應(yīng)變片的結(jié)合可用于多方面力學(xué)量的測量。

圖15 觸點式接觸力測量傳感器

4 結(jié)果與討論

本文將超彈性材料與電阻應(yīng)變片相結(jié)合，設(shè)計了一種柔性膜擠壓力傳感器。傳感器既結(jié)合了超彈性材料柔軟、貼附性好的特點，也繼承了電阻應(yīng)變片穩(wěn)定、技術(shù)成熟的特點。該傳感器可以實現(xiàn)對于兩平面間擠壓力的測量，具有輸入輸出線性好、穩(wěn)定性好、零頻響等特點。對于兩平面之間的擠壓力的測量誤差不大于2%。傳感器厚度在2.5 mm~3.5 mm之間，若可以提升制造工藝，降低電阻應(yīng)變片基底厚度，傳感器可以更薄。

由于是測量兩平面之間的擠壓力，傳感器表面與兩平面之間接觸面積相對大，必然存在摩擦力。而且由于測量材料的多樣性，摩擦力的大小是未知的。實驗證明了摩擦力在卸載時會產(chǎn)生滯彈性現(xiàn)象，對測量靈敏度也有影響，但是對加載線性度沒影響，只要在具體對象的測量前，先做標定，就不會影響測量結(jié)果的精確度。同時受限于現(xiàn)有加工工藝，難以保證傳感器上下表面完全平整，會有空氣留存在兩接觸面之間，在卸載時也會引起一定的滯彈性現(xiàn)象。若可以提升加工水平，保證傳感器的表面平整度，卸載滯彈性現(xiàn)象也許會有進一步減小。

傳感器在一定的結(jié)構(gòu)改進下，可以在測量范圍上有良好的擴展，本文即演示了傳感器更改應(yīng)變片包覆方式后的接觸力測量以及微小力測量，可作為穿戴設(shè)備使用，在智能機器人和醫(yī)療等方面有著廣闊前景。若可以為傳感器定制電阻應(yīng)變片絲柵分布和形狀，在測量范圍和性能上也許會有進一步提升。