柔性多位點觸覺傳感器用于動態感知成像

蘭 勇， 宿 杰， 李 強， 王曉雄， 山炳強， 王 凱

（青島大學a.電氣工程學院；b.電子信息學院；c.物理科學學院，山東青島266071）

0 引 言

人工智能的快速發展激發了智能傳感器技術的研究，可穿戴電子設備和柔性集成器件逐漸受到關注，因此傳感器有了更多的應用潛力［1-4］。近年來，通過傳感器陣列對外部刺激進行感知，實現空間映射的研究越來越多。聚偏二氟乙烯（PVDF）壓電材料具備柔性、高靈敏度、高速頻率響應等特性使其能夠滿足生物信號采集的要求。目前利用PVDF已經開發出了模擬人體皮膚感知外部刺激的技術方案。由PVDF和具有石墨烯電極的ZnO 納米結構可以實現高靈敏度的壓力/溫度傳感。通過設計的摩擦電感應陣列實現空間的映射和基本的簡單的軌跡跟蹤。利用發光二極管和摩擦電機制成的駐極體薄膜進行瞬時觸摸事件并記錄物體的運動位置。碳系材料因具有成本低、形式多樣化、導電性優異等特點成為一類極具潛力的納米導電材料［5］。但是，想要更加精確地感知外部刺激的動態分布，更需要提升傳感器的分辨率。

當前，柔性觸覺傳感器主要可分為電容式、電阻式和壓電式三類，其中電容式因其高靈敏度、溫漂小，利于微小壓力檢測，便于攜帶等優點而廣泛應用于眾多新興柔性電子器件，如電子皮膚、人體體征監測、柔性導電織物鍵盤等［6-8］。壓電式觸覺反饋設備只能實現基本的粗糙度模擬。人體皮膚壓力的觸覺感知，簡化結構并降低成本是今后需要解決的主要問題。自動適應閾值Canny算子邊緣檢測方法和雙閾值法提高了圖像邊緣的準確性和容錯性，將目標圖像的識別性能提高約29%，采用紅外導航儀來實現機器人直線運動［9-11］。結合人類皮膚的觸覺感知性能，學者研究了電子皮膚傳感器、柔性皮膚傳感器以及人機交互遙操作機器人。柔性材料的電容式觸覺傳感器能夠實現觸覺壓力的檢測，為在機器人指端實現觸覺壓力的檢測提供一種參考。觸覺傳感器有良好的發展前景，適用于機器人探索方面［12-15］。

本文設計了一種柔性壓力傳感器（分辨率50 ×50），用于實現空間映射，并記錄跟蹤物體的二維運動軌跡。通過表面刻蝕銅線的柔性聚酰亞胺膜作為接觸層進行電氣連接，提高了信號傳輸的可靠性與準確性。其中，壓力檢測靈敏度約為0.53 mV/ kPa，溫度檢測靈敏度為0.33 mV/ K。

1 實驗部分

1.1 PVDF功能層制備

PVDF作為一種較好的壓電聚合物材料具有良好柔韌性和高化學穩定性。通過將PVDF粉末溶解在丙酮-DMF溶劑混合物中，然后在50 ℃下用磁力攪拌棒攪拌該混合物，攪拌3.5 h 后獲取PVDF溶液，運用高壓靜電紡絲設備在基板上制造電極板。圖1（a）為傳感器的三維模型圖，從圖1（b）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像可以看出，PVDF溶液的電紡膜形成較好。

圖1 PVDF的三維模型和掃描電鏡圖

如圖2（a）所示，圖中出現在2θ = 20.50°處的強衍射峰對應于β 晶型的（110）（020）晶面衍射。從圖2（b）中的紅外光譜分析中，在875.85 和1 265.24 cm-1處出現了明顯的吸收峰，與β晶形相對應。

圖2 PVDF的FTIR和XRD圖譜

1.2 表 征

通過SEM（JSM-6700F）對超薄纖維的形貌和尺寸進行了表征，通過X 射線衍射技術（XRD，X Pert Mpd pro）獲得了紡成膜的結構性能，運用Nano Measurer 1.2.5 軟件計算纖維直徑；通過PerkinElmer Paragon 1000 光譜儀以衰減全反射（ATR）模式獲得樣品的傅里葉變換紅外（FTIR）光譜。

2 結果與討論

PVDF基的仿生電子皮膚工作原理如圖3 所示。仿生電子皮膚由PVDF納米纖維材料和兩個電極兩部分組成。當沿仿生電子皮膚的厚度方向施加變化的外力σ（t）時，PVDF薄膜會產生直接壓電效應，其厚度方向的機械形變導致PVDF納米纖維中的陽離子和陰離子產生相對位移，沿厚度方向PVDF 納米纖維的兩端產生壓電極化電荷。電子皮膚受力形變所產生的靜電勢將驅動外部電路中的電荷流動，這促使電子通過外部負載從頂電極流動到底電極，以平衡該電位差，導致電荷在上下兩個電極處積累，并產生一個輸出電流脈沖。當外力撤銷時，PVDF薄膜的壓縮形變得到釋放，靜電勢消失，這促使電子通過外部負載從底電極流動到頂電極，產生方向相反的電流脈沖。當外電路聯通時，電極本身存在的自由電子會消耗一部分由電極受絕緣體壓電材料兩端壓電極化電荷影響所產生的誘導電荷。

圖3 陣列傳感器工作原理

當加熱PVDF 時，電偶極子會發生較大程度的振蕩，降低了自發極化的強度；冷卻時，電偶極振蕩幅度顯著減小，增加了極化程度。在負載阻抗無限大的開路狀況下，熱電開路電壓

式中：E 為電場強度；d 選取PVDF 薄膜的厚度；εr、ε0分別為相對和真空介電常數；p 為熱電系數；ΔT 為溫度變化。

對電子皮膚單元縱向中部截面進行分析得到如圖4（a）所示的電壓分布，彎曲度最大的中間部分是電壓最高的區域，最大可達46 mV。對仿真點進行擬合得到較好的擬合曲線，COD = 0.983 7，擬合情況較好。如圖4（b）所示，對橫向截面進行電壓分布的分析，在14 ～86 mm，兩側邊緣側存在邊緣效應，其余兩側的電壓有一定的上升，電壓分布比較均勻。

圖4 皮膚單元的縱向和橫向截面電壓分布

圖5（a）是進行重復按壓下的開路電壓輸出，可以看出明顯的峰值情況，圖5（b）是進行持續按壓模式下的開路電壓輸出，圖5（c）是在10 N的壓力和80°彎曲下進行3 000 次壓力循環。在進行重復測試期間，可以看出輸出電壓沒有明顯的電壓降。

圖5 皮膚單元電氣特性和耐久性試驗

為了驗證傳感器陣列電極的同步性，考慮壓電薄膜的不同厚度進行了相關測試。圖6 是對電極厚度為15、20、25 μm的壓電薄膜進行等梯度應力測試，隨著應力增加，傳感器陣列受到信號干擾越強。

圖6 不同壓電層厚度下干擾電壓隨應力的線性關系

3 傳感器性能

對傳感器單一陣列電極進行相關測試，每隔10 ms進行一次數據采集。接著對陣列電極施加20 kPa的壓力，如圖7 所示，圖中豎直線為在施加壓力的瞬間產生的電壓信號，電壓信號的大小為0.27 V。可以看出陣列電極產生的信號噪聲較低。

圖7 單一電極在外力下的響應電壓輸出

所制備的傳感器陣列具有柔性、多點測試、快速響應和高靈敏性的特點，能夠應用于具體的實際環境中。根據傳感器的特性進行了指尖按壓測試，采用比較常用的手法，圖8（a）是采用揉搓的方法，看出揉搓法產生的力比較平均，約為69 kPa。圖8（b）是采用按壓的方法進行的測試，經多次測量后，按壓產生的力約為75 kPa。圖9 所示為PVDF壓電材料在60 kPa應力作用下的電勢信號圖，從圖中可以看出形變主要集中在邊緣區域。

圖8 指尖壓力測試

圖9 PVDF材料在應力作用下的電勢輸出

圖10 中將手掌按壓在陣列傳感器上，由于手掌部位施加壓力略有不同，各電極之間形成的電勢差也不同。經過數據處理在觀測軟件中形成三維壓力圖，可以實時直觀地顯示出由于受力不均導致的表面特征。

圖10 復雜形貌感知測試

4 結 語

本文針對薄膜系統良好的性能，通過刻蝕的聚酰亞胺薄膜進行線路敷設，避免了復雜的電氣連接，制備了具有良好壓電特性的PVDF 薄膜。研究并制作了基于PVDF 薄膜的柔性壓力傳感器陣列，闡述了傳感器的原理制作、信號收集與處理方法。結果證明，該傳感器具有良好的靈敏度和大工作范圍，并且對壓力的感知功能十分良好。經過同步測試結果表明研制的傳感器陣列具有高度的同步性，可以適用于與人體接觸的壓力測試和動態感知成像，顯示在人機交互系統，采集生物信號方面具有潛在的應用。