彈性電極與導電橡膠電接觸問題的研究

周建輝 司新毅 及沖沖 余志永

摘 要：為了解決仿生機器人觸覺傳感器的彈性電極與導電橡膠的電接觸的問題，從材料和結構兩方面提出了相應的解決方案，并介紹了利用電子束蒸鍍和等離子體處理技術進行彈性電極制備的方法。

關鍵詞：彈性電極；導電橡膠；電接觸

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.146

觸覺傳感器是覆蓋于仿生機器人表面的關鍵部件，可以檢測周圍環境的壓力、溫度等各種信息。用于壓力檢測的壓阻式觸覺傳感器是非常重要的一種觸覺傳感器，如何解決其彈性電極與導電橡膠的電接觸問題是研究的難點之一[1-2]。所謂電接觸，主要是為確保電路連續的電子/電氣設備的載流元件和它們之間的界面。電接觸的目的是實現電連接，只有建立良好的金屬-金屬接觸才能達到這樣的目標。彈性電極和與其接觸的元件之間的電接觸問題已有數十年的研究歷史，本文中彈性電極基于銀納米線與PDMS制作而成，主要從接觸電阻和磨損兩個方面研究彈性電極與導電橡膠間的電接觸問題，尋求改善電極性能并提高觸覺傳感器使用壽命和可靠性的方法。

1 彈性電極與導電橡膠電接觸問題分析

接觸電阻和電極磨損是銀納米線/PDMS彈性電極與導電橡膠電接觸的主要問題。

1.1 接觸電阻

接觸電阻指的是電流通過元件接觸點時在接觸處形成的收縮電阻和膜電阻之和。經研究分析，接觸電阻主要受下列因素影響：

接觸件材料：規格相同的情況下，接觸件的材質對接觸電阻有影響。

正壓力：是指垂直于接觸表面的力，主要取決于接觸件的幾何形狀和材料性能。

表面狀態：接觸件表面由于塵埃、油污等沉積形成的表膜，以及物理吸附、化學吸附所形成的污染膜，都能導致接觸電阻增大。

使用電壓：使用電壓達到一定閾值，可擊穿接觸件膜層，導致接觸電阻下降。在閾值電壓附近，電壓降的微小波動都會引起接觸電阻的變化。

電流：當電流過大時，焦耳熱作用可使接觸件界面金屬軟化或熔化，從而降低接觸電阻。

1.2 磨損

磨損是由于表面的相對運動，物質從一個物體的接觸表面逐步損失的過程。通常表現為物體尺寸和（或）形狀的變化。磨損受到材料、滑動速度、載荷等因素的影響。對于本文中的銀納米線/PDMS彈性電極，主要通過潤滑或減小相對滑動來降低磨損。潤滑可通過選取適當的潤滑材料來實現，減少接觸面的相對滑動可通過結構設計實現。

2 電接觸問題的解決方案

有效地解決銀納米線/PDMS彈性電極與導電橡膠的電接觸問題，可改善電極磨損問題，提高仿生機器人觸覺傳感器的測量精度、使用壽命和可靠性。因此，提出以下解決方案：

（1）材料方面：在彈性電極與導電橡膠之間引入金屬層。充分利用電子束蒸鍍、磁控濺射、氧等離子體等先進技術將彈性電極與導電橡膠的表面鍍上一層納米級厚度的金屬層。在接觸面形成金屬—金屬接觸，可改善彈性電極與導電橡膠的接觸性能，降低接觸表面的電極磨損，有利于提高仿生機器人表面觸覺傳感器的使用壽命和可靠性。

（2）結構方面：合理設計結構減小接觸面的相對滑動。相關研究表明，較大厚度的PDMS微平臺在拉伸時的形變幾乎可以忽略不計。據此合理設計PDMS在對應彈性電極處的結構，可使銀納米線/PDMS彈性電極與導電橡膠的相對滑動進一步降低，以達到改善電接觸、降低磨損的效果。

3 基于電子束蒸鍍和等離子體處理技術的彈性電極的制備

分析了彈性電極與導電橡膠電接觸的問題，并設計了解決方案。針對給出的解決方案，利用電子束蒸鍍和等離子體處理技術進行彈性電極的制備。氧等離子體處理主要起到清潔表面的作用，可以加強金屬與PDMS基底的附著力。

彈性電極制作過程如下：首先利用傳統的模具固化成型法制作銀納米線/PDMS彈性電極，再利用氧等離子體處理設備對電極表面進行處理，然后利用電子束蒸鍍設備將5nm Cr和50nm Au依次蒸發附著于彈性電極表面，其中，Au為硬度最小的貴金屬，具有很好的抗氧化性；Cr能夠改善Au與PDMS基底的附著性，最后再一次進行氧等離子體處理，便得到了新的彈性電極，其電接觸問題得到了很好的解決。

4 結論

針對用于仿生機器人觸覺傳感器的彈性電極與導電橡膠的電接觸的問題，從材料和結構兩方面提出了相應的解決方案，并介紹了利用電子束蒸鍍和等離子體處理技術進行彈性電極制備的方法。采用這種彈性電極制作仿生機器人觸覺傳感器，可大大提高觸覺傳感器的使用壽命和可靠性，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]王國彪，陳殿生，陳科位等.仿生機器人研究現狀與發展趨勢[J]. 機械工程學報，2015（06）.

[2]劉少強，黃惟一，王愛民，宋愛國.機器人觸覺傳感技術研發的歷史現狀與趨勢[J].機器人，2002，24（04）：363-366.

項目來源：華北理工大學科學研究基金資助（Z201625）