介電彈性體智能材料的應(yīng)用

程文露,曹江勇,劉洪福,王福京,劉金朋

(青島博銳智遠(yuǎn)減振科技有限公司,山東 青島 266114)

如今,多數(shù)的驅(qū)動(dòng)器工程設(shè)備是由金屬塑料等硬材料開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的,由于其高的輸出功率、高精確度和良好的可控性一直是驅(qū)動(dòng)器主流發(fā)展方向。這些驅(qū)動(dòng)器在轉(zhuǎn)化為動(dòng)能時(shí),往往存在熱、光、聲等其他能量形式出現(xiàn),有時(shí)會(huì)影響驅(qū)動(dòng)器的使用條件,所以越來(lái)越需要軟體仿生機(jī)器人適應(yīng)各種可能出現(xiàn)的未知情況。20年前,Ron等[1]89-93引入新型的軟體驅(qū)動(dòng)器,被稱(chēng)為介電彈性體驅(qū)動(dòng)器,它是由超彈性薄膜兩側(cè)涂覆柔性電極材料制成的。目前可用的介電彈性體基體材料包括丙烯酸酯、聚氨酯、硅橡膠、亞乙烯基氟化三氟乙烯、丁腈橡膠和相應(yīng)的復(fù)合材料[2]。其工作原理是介電彈性體在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生麥克斯韋應(yīng)力,使薄膜在厚度方向壓縮而產(chǎn)生平面方向的伸展,由此電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,開(kāi)啟了介電彈性體應(yīng)用在驅(qū)動(dòng)器的新征程,其工作原理如圖1所示。

圖1 介電彈性體驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)原理圖

介電彈性體不僅能用做驅(qū)動(dòng)器,還能在可變阻尼裝置、能量收集器和柔性傳感器等領(lǐng)域找到應(yīng)用。介電彈性體發(fā)生形變的過(guò)程中,彈性體本身的剛度和阻尼也會(huì)隨形變產(chǎn)生規(guī)律的變化,這種特性賦予介電彈性體具有制造可變剛度或可變阻尼設(shè)備的潛力,如消音減振器[3]。介電彈性體此類(lèi)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程是可逆的,即機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)能量收集,如海浪發(fā)電機(jī)[4]。從結(jié)構(gòu)上看,介電彈性體本身還屬于一種平板電容器,當(dāng)外力作用在介電彈性體上時(shí),介電彈性體產(chǎn)生包括厚度、長(zhǎng)度和外形的變化,導(dǎo)致彈性體兩側(cè)柔性電極的存儲(chǔ)電荷的能力相應(yīng)的升高或降低,即電容產(chǎn)生了改變,此時(shí)的介電彈性體被當(dāng)做平板電容傳感器使用[5]。

1 介電彈性體主要基體簡(jiǎn)介

介電彈性體基體材料多種多樣,包括硅橡膠、硅樹(shù)脂、丙烯酸酯、聚氨酯、丁腈橡膠、天然橡膠、亞乙烯基氟化三氟乙烯及其相應(yīng)的復(fù)合材料等,其中應(yīng)用最廣泛的有三類(lèi):硅橡膠、丙烯酸酯和聚氨酯。

硅橡膠應(yīng)變響應(yīng)速度快、應(yīng)用范圍廣、生物兼容性好,是目前研究最多的介電彈性體基體。但硅橡膠的節(jié)點(diǎn)常數(shù)比較低,彈性模量也比較小,因此需要添加高介電常數(shù)填料或與其它材料復(fù)合改善節(jié)點(diǎn)常數(shù),同時(shí)需要高的驅(qū)動(dòng)電壓,因此需要許多研究者以此為研究重點(diǎn)進(jìn)行改性已克服這些缺點(diǎn),如包含烷基氯官能的硅氧烷共聚物介電彈性體的介電常數(shù)比純基體提高了40%。

聚氨酯具有較高的極性,從而具有較大的節(jié)點(diǎn)常數(shù)和電擊穿電壓,故可以產(chǎn)生較大的形變。因?yàn)榫郯滨ナ乔抖喂簿畚?材料可設(shè)計(jì)性極強(qiáng),可以通過(guò)軟硬段配合,改變其模量,影響其在電場(chǎng)下的變形表現(xiàn)。1994年,Ma等[6]首次將聚氨酯應(yīng)用到介電彈性體領(lǐng)域。后來(lái)研究人員不斷在聚氨酯材料軟硬段改性、軟硬段結(jié)構(gòu)以及填料改性等多個(gè)方面改進(jìn)型聚氨酯介電材料的各項(xiàng)性能。例如Xiang等[7]將羥基封端的丁二烯-丙烯腈共聚物(HTBN)作為軟鏈斷,六亞甲基二異氰酸酯(HDI)和丁二醇(BDO)作為硬段合成了具有高介電性能聚氨酯介電彈性體。其介電常數(shù)大于8.7,而損耗因子小于0.02,電擊穿強(qiáng)度和楊氏模量都隨著硬段含量的增加而增加。

丙烯酸酯橡膠具有電致變形大、電擊穿強(qiáng)度高的優(yōu)異性能,但其具有介電常數(shù)較低(約為4.7)、熱穩(wěn)定性低、對(duì)環(huán)境敏感(溫敏性、濕敏性)以及高黏彈性等特性,造成電響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),且重現(xiàn)性差,最終限制了機(jī)電偶合效率,降低了丙烯酸酯橡膠的應(yīng)用范圍。目前較常用的丙烯酸酯薄膜是出自美國(guó)3M公司的VHB系列,他們是由包含乙烯基和羧酸羧酸端基脂肪族丙烯酸酯的混合物組成的。這類(lèi)丙烯酸酯擁有比較高的介電常數(shù),在103 Hz時(shí)介電常數(shù)能達(dá)到4.8,此外其理論能量密度為3.4 MJ/m3。

2 介電彈性體在柔性機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用

介電彈性體驅(qū)動(dòng)器相對(duì)于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器而言,擁有質(zhì)量更輕、形變更大、響應(yīng)速度更快、噪聲更小以及滯后損失更小的優(yōu)點(diǎn)。介電彈性體的各種特性與生物組織相似,是人造肌肉理想的原材料。不同于傳統(tǒng)機(jī)器人,軟體機(jī)器人滿足機(jī)動(dòng)性和續(xù)航能力的同時(shí),擁有更好的隱身性能,而且還能更加適應(yīng)復(fù)雜、極限和惡劣環(huán)境。

介電彈性體驅(qū)動(dòng)器擁有高響應(yīng)速度和高的能量轉(zhuǎn)換效率,這讓介電彈性體柔性機(jī)器人擁有非凡的機(jī)動(dòng)性和續(xù)航能力。例如以硅橡膠介電彈性體作為肌肉,硅橡膠薄膜為魚(yú)鰭,仿照蝠鲼設(shè)計(jì)的水下驅(qū)動(dòng)電子魚(yú)在可在施加循環(huán)電壓時(shí),硅橡膠介電彈性體肌肉拉動(dòng)魚(yú)鰭擺動(dòng),使電子魚(yú)可以像蝠鲼一樣通過(guò)周期性擺動(dòng)產(chǎn)生推力,實(shí)現(xiàn)游動(dòng),仿生魚(yú)結(jié)構(gòu)如圖2所示。Sun等[8]受尺蠖爬行的啟發(fā)設(shè)計(jì)了由丙烯酸介電彈性體薄膜、柔性拱體和單向軸承輪組成的柔性機(jī)器人,如圖3所示,利用介電彈性體在電場(chǎng)中主動(dòng)擴(kuò)張和收縮的特性巧妙地構(gòu)建單向可移動(dòng)結(jié)構(gòu),當(dāng)直流電壓作用在介電彈性體薄膜時(shí),薄膜沿同一個(gè)方向伸長(zhǎng)而使機(jī)器人向前移動(dòng),最大爬行速度為2.2體長(zhǎng)/s,且能負(fù)載自身3.8倍的重量,表現(xiàn)出優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)性能。

圖2 蝠鲼仿生魚(yú)照片及結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 單向柔性機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

隱形技術(shù)是傳統(tǒng)偽裝技術(shù)應(yīng)用和延伸,也稱(chēng)為“低可探測(cè)技術(shù)”,分為雷達(dá)隱形、紅外隱形、磁隱形、聲隱形和可見(jiàn)光隱形等。介電彈性體驅(qū)動(dòng)器可直接避免傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械零件碰撞摩擦,產(chǎn)生的噪聲和熱量低,聲隱形和紅外隱性能極佳,此類(lèi)柔性機(jī)器人隱形性和靜謐性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)器設(shè)備。比如,在仿蝠鲼電子魚(yú)設(shè)計(jì)中,通過(guò)設(shè)計(jì)丙烯酸酯透明介電彈性體膜,其中封裝透明的水凝膠膜作為柔性電極,外側(cè)則以水為電極,使得機(jī)器魚(yú)整體透明,表現(xiàn)出高的偽裝性能,而且機(jī)器魚(yú)無(wú)馬達(dá),噪音極小,因此在隱形軍事潛航器上擁有巨大的應(yīng)用潛力。

利用介電彈性體的特性,柔性機(jī)器人能適應(yīng)復(fù)雜和惡劣的工作環(huán)境。傳統(tǒng)的“堅(jiān)硬”型機(jī)器人由于連接關(guān)節(jié)的弊病而有諸多限制,他們不能夠在狹窄的空間中移動(dòng),而且必須安裝堅(jiān)硬的殼體應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)。柔性機(jī)器人具有柔性可變的身軀和關(guān)節(jié),甚至不需要關(guān)節(jié),意味著它能夠在各種環(huán)境移動(dòng)自如,這讓它對(duì)復(fù)雜的環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。不僅如此,柔性機(jī)器人還能適應(yīng)各種極限工作環(huán)境,如超高壓海底。在2021年,Li等[9]在仿蝠鲼電子魚(yú)研究基礎(chǔ)上,利用硅樹(shù)脂介電彈性體仿照深海獅子魚(yú)制造了可以用于萬(wàn)米深海的介電彈性體機(jī)器魚(yú),如圖4所示。它采用了“以柔克剛”的策略,全柔機(jī)身讓機(jī)器人尤其是內(nèi)部電子元件無(wú)需耐壓外殼就能夠承受萬(wàn)米級(jí)別的深海靜水壓力,為深海和深空等極限條件下探測(cè)器的制備打開(kāi)一面全新的窗戶。為此,這款科研成果在2021年年初成為了國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》的封面文章。

圖4 仿深海獅子魚(yú)柔性機(jī)器人照片

3 介電彈性體能量收集

眾所周知,電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的工作原理是相反的,電動(dòng)機(jī)由電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程,是發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的逆過(guò)程[10]。同理,介電彈性體發(fā)電過(guò)程也是介電彈性體驅(qū)動(dòng)器的逆過(guò)程。

介電彈性體發(fā)電機(jī)能夠應(yīng)用到能量收集領(lǐng)域,這衍生出多種類(lèi)型的發(fā)電機(jī),如用來(lái)收集自然能量的波浪發(fā)電機(jī)和風(fēng)能發(fā)電機(jī),或者用來(lái)收集人體運(yùn)動(dòng)能量的可穿戴發(fā)電機(jī)和接觸式發(fā)電機(jī)。早在2000年,Ron[1]94-100便開(kāi)始了對(duì)介電彈性體能量收集的研究,找到了從步行中收集電量的方法,將介電彈性體安裝在皮靴的腳后跟上,捕捉每次鞋后跟撞擊的能量。該裝置有效地將鞋跟的壓縮與多層隔膜陣列的變形耦合在一起。腳跟撞擊發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的最大0.8 J每周期的能量,可以被士兵用來(lái)補(bǔ)充電池電源,作為緊急備用電源或用于專(zhuān)門(mén)的機(jī)載啟動(dòng)功能,這開(kāi)啟了介電彈性體發(fā)電的大門(mén)。

4 介電彈性體揚(yáng)聲器領(lǐng)域的應(yīng)用

介電彈性體隔膜作為介電彈性體驅(qū)動(dòng)器的一種,它能在驅(qū)動(dòng)電壓下產(chǎn)生形變[11]。如果以高頻交流電壓驅(qū)動(dòng),介電彈性體隔膜會(huì)在交流電下高頻振動(dòng),高頻的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生聲音,這是介電彈性體揚(yáng)聲器工作的主要原理。介電彈性體揚(yáng)聲器類(lèi)似于靜電揚(yáng)聲器,是一種由兩固定電極與振膜構(gòu)成電容結(jié)構(gòu),不同的是介電彈性體揚(yáng)聲器的振膜換成了具有大變形的介電彈性體薄膜,且電極與介電彈性體薄膜緊緊黏結(jié)在一起,結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、可擴(kuò)展性強(qiáng)和價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn),能夠適用于大小不同區(qū)域和平面以及非平面,在廉價(jià)低端和保真高端的揚(yáng)聲器都能找到用武之地[12]。

2013年,Christoph等[13]創(chuàng)新的以1 mm厚的VHB 4910丙烯酸酯膠布(3M)和100 mm厚的聚丙烯酰胺水凝膠(含NaCl)制備了介電彈性體,并在兩側(cè)制作具有高度可拉伸性和透明性的揚(yáng)聲器。音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)高壓放大器饋送到揚(yáng)聲器,高壓交流電下介電彈性體產(chǎn)生振動(dòng),能在20～20 000 Hz的整個(gè)可聽(tīng)范圍內(nèi)發(fā)出聲音,其工作原理如圖5所示。

圖5 透明揚(yáng)聲器工作原理圖

2019年Cheng等[14]以3M公司的VHB 4905丙烯酸酯為研究對(duì)象,在以上透明揚(yáng)聲器的研究基礎(chǔ)上,對(duì)介電彈性體的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究和詳細(xì)分析。作者設(shè)計(jì)了類(lèi)似透明揚(yáng)聲器的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)觀察介電彈性體膜在交替激勵(lì)下的振動(dòng)模式并測(cè)量共振頻率。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)介電彈性體在不同的激勵(lì)頻率下具有不同的響應(yīng)模式,包括諧波、超諧波和次諧波響應(yīng),還發(fā)現(xiàn)等效電壓和交直流比是影響次諧波響應(yīng)發(fā)生的主要參數(shù)。以上實(shí)驗(yàn)觀察可以更深入地了解介電彈性體在機(jī)電負(fù)載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng),給介電彈性體應(yīng)用在揚(yáng)聲器、有源噪聲控制和振動(dòng)控制提供理論支持。

5 介電彈性體振動(dòng)控制器

介電彈性體揚(yáng)聲器能夠產(chǎn)生可控的振動(dòng),那么介電彈性體能否控制振動(dòng),這還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。介電彈性體本身屬于高分子聚合物彈性體材料,其高彈性特征在被動(dòng)減振降噪領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。如今介電彈性體作為柔性驅(qū)動(dòng)器新身份重新出現(xiàn)在半主動(dòng)和主動(dòng)振動(dòng)控制領(lǐng)域。一種方向是介電彈性體驅(qū)動(dòng)器在直流電場(chǎng)中可控的大變形行為,使介電彈性體的剛度和阻尼能夠隨形變產(chǎn)生規(guī)律的變化,因此這為介電彈性體在主動(dòng)減振降噪領(lǐng)域提供了可能。另一種方向是介電彈性體在高壓交流電下具有不同的振動(dòng)響應(yīng)模式,此時(shí)的介電彈性體作為致動(dòng)器產(chǎn)生大小相等、相位相反的振動(dòng)來(lái)抵消傳入的振動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)振動(dòng)控制。

為了驗(yàn)證介電彈性體對(duì)振動(dòng)的控制效果,2012年,美國(guó)約克大學(xué)的Rahimullah等[15]使用波形微結(jié)構(gòu)的Poly PowerTM有機(jī)硅彈性體薄膜制造的介電彈性體材料,表面離子濺射銀作為電極,卷曲后得到柱狀的介電彈性體執(zhí)行器,并設(shè)計(jì)了一套自適應(yīng)前饋振動(dòng)控制系統(tǒng)用于降低振動(dòng)的傳播,如圖6所示。介電彈性體執(zhí)行器安裝在質(zhì)量塊和激振器之間,電壓在經(jīng)過(guò)放大后輸入到執(zhí)行器,使執(zhí)行器受控制以減少振動(dòng)的傳播。加速度傳感器用于測(cè)量減振前后加速度大小,提供誤差信號(hào)。在經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的控制器計(jì)算后由模擬輸出模型轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。該控制信號(hào)被電壓放大器放大后被饋送到管狀致動(dòng)器,管狀控制器根據(jù)信號(hào)適應(yīng)激振器頻率,改變自身剛度和阻尼,達(dá)到減振隔振目的。

圖6 自適應(yīng)前饋振動(dòng)控制系統(tǒng)

基于介電彈性體主動(dòng)減振的相同原理,2017年,德國(guó)的William等[16]使用天然橡膠介電彈性體在設(shè)計(jì)的單軸實(shí)驗(yàn)臺(tái)展示了在介電彈性體主動(dòng)隔振方面的潛力,其主動(dòng)減振實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖7所示。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠抑制共振峰,具有很好的減振效果。

圖7 單軸實(shí)驗(yàn)臺(tái)模型

以上研究已經(jīng)充分證明介電彈性體在減振領(lǐng)域的較好的應(yīng)用潛力。影響介電彈性體減振性能的因素包括彈性體本身的種類(lèi)、黏彈性、剛度、阻尼、形狀和介電常數(shù)等性能,也包括減振器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、施加電壓、激振頻率、初始拉伸、計(jì)算機(jī)信號(hào)處理方式和反饋機(jī)制等外部影響因素。因此,未來(lái)的工作需要集中在介電彈性體和精確自動(dòng)化制造工藝的開(kāi)發(fā)上,此外,還需要進(jìn)一步研究可靠性問(wèn)題,包括穩(wěn)定性和老化等性能。

6 介電彈性體在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)近二十年的研究,介電彈性體主要面向線性驅(qū)動(dòng)器或觸覺(jué)器件,如上述提到的柔性機(jī)器人,其潛力仍有待挖掘?；诮殡姀椥泽w與生物組織相似的特性,許多學(xué)者已經(jīng)在探究介電彈性體驅(qū)動(dòng)器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,如使用介電彈性體制造可伸縮心臟支架和全軟人工心臟。

設(shè)計(jì)一款全軟人工心臟并非易事,一旦全軟人工心臟研制成功,將會(huì)很大程度改變傳統(tǒng)人工心臟制造。與傳統(tǒng)人工心臟不同,全軟人工心臟是依靠介電彈性體驅(qū)動(dòng)器收縮和舒張模仿心臟跳動(dòng)實(shí)現(xiàn)泵血功能,無(wú)需空氣壓縮機(jī)等額外輔助設(shè)備,這意味著全軟人工心臟更輕,體積更小,消耗的能源更低,從而擁有高續(xù)航能力。Wu等[17]合成新型的聚磷腈介電彈性體,在無(wú)預(yù)應(yīng)變情況下,驅(qū)動(dòng)應(yīng)變高達(dá)84%。他們利用PPZ制作了具有類(lèi)似天然心臟功能的全軟人工心臟,如圖8所示。

圖8 全軟人工心臟

人工心臟呈現(xiàn)橄欖球形狀,在電場(chǎng)、信號(hào)頻率和占空比的綜合控制下規(guī)律跳動(dòng),實(shí)現(xiàn)泵血功能。Almanza等[18]開(kāi)發(fā)了一種管狀硅橡膠介電彈性體心臟輔助器,如圖9所示。

圖9 心臟輔助器

它能夠通過(guò)緩解主動(dòng)脈在收縮期的變形和增加其在舒張期的壓力來(lái)輔助心臟泵血。管狀介電彈性體驅(qū)動(dòng)器是由硅橡膠制成的,可以取代部分主動(dòng)脈,基于介電彈性體剛度可控性,再現(xiàn)天然主動(dòng)脈的軟化和硬化行為,以此為血液流動(dòng)提供能量。由于介電彈性體驅(qū)動(dòng)器體積小并且能量密度大,相對(duì)于體積較大的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置,具有更大的希望植入到心臟的主動(dòng)脈中。此外,作者應(yīng)用的硅橡膠無(wú)毒,與人體組織不黏連,自帶抗凝血作用,是一種具有生理惰性材料,相對(duì)于目前普遍使用的冠狀動(dòng)脈金屬支架,將更適用于心臟手術(shù)。作者對(duì)介電彈性體應(yīng)用到心臟主動(dòng)脈的研究系首創(chuàng),為介電彈性體的醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了新思路。

7 介電彈性體柔性傳感器

傳感器作為一種擁有檢測(cè)或者反饋機(jī)制的儀器,應(yīng)用極其廣泛,當(dāng)前倍受關(guān)注的一鍵物聯(lián)、智能家居、智能交通、智能駕駛等,對(duì)傳感器技術(shù)的需求巨大。傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器的分類(lèi)多種多樣,按照材料可分為:半導(dǎo)體、晶體、陶瓷、有機(jī)復(fù)合、金屬、高分子聚合物、超導(dǎo)、光纖、納米材料等。柔性的復(fù)合材料傳感器是當(dāng)前發(fā)展的重點(diǎn),對(duì)于柔性傳感器要求,一般擁有拉伸、彎折、壓縮的能力,并且耐化學(xué)腐蝕、耐候性較好,所以高分子材料是柔性傳感器良好的基體材料。根據(jù)傳感機(jī)制的不同,柔性傳感器可為電阻式、壓電式、電容式等傳感器,其中電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、極高的循環(huán)穩(wěn)定性、低電壓操作等優(yōu)點(diǎn)使其成為傳感器中應(yīng)用最廣泛的存在。電容C的決定式見(jiàn)公式(1)。電容器兩平行板正對(duì)面積S、相對(duì)介電常數(shù)ε和兩平行板間的距離d是決定電容大小的主要因素,k是靜電力常量。又從前文可知,在兩側(cè)涂覆柔性電極的介電彈性體薄膜本身就是一種電容器。且電容隨介電彈性體薄膜厚度或形變而發(fā)生規(guī)律的改變,進(jìn)而識(shí)別施加在電容器上的壓力大小,因此介電彈性體是制作電容式壓力傳感器的優(yōu)選材料。

Zhuo等[19]使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為彈性介電層制備電容式的壓力傳感器。在制備過(guò)程中發(fā)現(xiàn)PDMS介電層無(wú)法在非常小的壓力下產(chǎn)生足夠的變形來(lái)獲得可檢測(cè)的電容變化。因此,傳統(tǒng)的平板壓力傳感器不適用于人體穿戴檢測(cè)如脈搏一般的微弱信號(hào)。為了提高電容式壓力傳感器的靈敏度,作者采用3D打印制造了不同的微結(jié)構(gòu)PDMS薄膜,在薄膜內(nèi)部形成氣孔以降低彈性阻力,引起更大的彈性形變,還能在壓縮下引起彈性體介電常數(shù)的規(guī)律變化,如圖10所示。

圖10 制造的電容式壓力傳感器的器件結(jié)構(gòu)示意圖和成品器件的照片圖像

根據(jù)電容的決定式,d和ε雙重影響,使電容產(chǎn)生更大的變化,進(jìn)而提高電容式壓力傳感器的靈敏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,制備的傳感器器件實(shí)現(xiàn)了比以往使用微結(jié)構(gòu)硅片模具的工作更高的靈敏度,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人體微弱的生理信號(hào)。該設(shè)備還具有快速響應(yīng)、優(yōu)異的耐久性和良好的環(huán)境耐受性,更具有使用價(jià)值的是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低,為可穿戴柔性傳感器制造提供了借鑒。

與上述通過(guò)改變?chǔ)藕蚫不同,熊耀旭[20]采用構(gòu)筑傳感層的微納結(jié)構(gòu),通過(guò)改變電容器S和d,提高電容式壓力傳感器的靈敏度。具體情況是采用模板轉(zhuǎn)印的方式制備具有表面凸型微結(jié)構(gòu)陣列,結(jié)構(gòu)如圖11所示,由兩個(gè)帶有凸型微結(jié)構(gòu)陣列的鍍金聚二甲基硅氧烷薄膜和中間聚偏氟乙烯層組成。在外部壓力下凸型微結(jié)構(gòu)陣列產(chǎn)生形變,S增加為S′,d減小為d′,從而產(chǎn)生明顯變化的電容信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,傳感器具有高靈敏度、快速響應(yīng)性和出色的循環(huán)穩(wěn)定性,并成功檢測(cè)到各種人體生物信號(hào),為可穿戴傳感器的研制提供更加廣闊的思路。

圖11 壓力對(duì)d和S的影響示意圖

8 結(jié)束語(yǔ)

介電彈性體作為新興的智能軟材料,因其質(zhì)量輕、形變大、反應(yīng)時(shí)間短、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于如機(jī)器人、潛航器、飛行器等驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域,以及人工心臟和心臟輔助器等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,也可在穿戴發(fā)電機(jī)、波浪發(fā)電機(jī)、接觸式發(fā)電機(jī)等能量收集領(lǐng)域找到應(yīng)用。介電彈性體在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的剛度、阻尼可變性和可控振動(dòng)特性,為新型揚(yáng)聲器和減振隔振器的制造創(chuàng)造無(wú)限可能。除此之外,介電彈性體還能用來(lái)制造電容式壓電傳感器,此類(lèi)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、極高的循環(huán)穩(wěn)定性、低電壓操作等優(yōu)點(diǎn),必然能讓介電彈性體在未來(lái)傳感器領(lǐng)域中大放異彩。