基于刮涂微結構的柔性電容式觸覺傳感器特性研究*

陳地材，劉吉曉，2，王 鵬，劉 闊，郭士杰，2

（1.河北工業大學 機械工程學院 河北省機器人感知與人機融合重點實驗室，天津 300401；2.智能康復裝置與檢測技術教育部工程研究中心，天津 300401）

0 引 言

隨著科學技術的發展，人類正在進入智能時代。移動互聯網和智能終端發展迅速，極大地推動了智能傳感技術在人機交互、人工智能、可穿戴設備等領域的探索。觸覺傳感作為智能傳感技術的典型代表，根據其傳感原理主要分為壓電式［1］、壓阻式［2］、電容式［3，4］三種。電容式觸覺傳感器通常包含上、下2個電容極板和中間介電層，在外力作用下，介電層受到壓縮，使上、下電容極板間的距離發生變化，從而產生電容值的變化。與壓阻式傳感器相比，傳統電容式傳感器的靈敏度較低。為了提高傳感器的靈敏度，研究人員提出各種方法在介電層表面或者電極表面制造微結構。例如，2010 年，Mannsfeld S C B 團隊［5］首次提出了一種高靈敏度電容式壓力傳感器，該傳感器通過組裝一個具有微結構的介電層來實現。采用倒金字塔結構的硅晶片作為模板，液態聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）注入倒金字塔結構中，固化后從模具中分離出來，得到具有微觀金字塔結構的介電層。由于微結構介質層具有高壓縮性，相比于非微結構傳感器，靈敏度（0.55 kPa-1）在0.3～1.5 kPa壓力范圍內提高了30 倍。Li T等人［6］使用荷葉為模板制作了均勻的微孔電極，自組裝聚苯乙烯微球作為柔性觸覺傳感器中的介電層，靈敏度從0.038 kPa-1提高至0.815 kPa-1。路鵬等人［7］使用激光束將涂有100 nm金（Au）薄膜的PDMS微柱電極切割成所需的形狀，作為靈敏度為33.16 kPa-1的觸覺傳感器的電極層。迄今為止，這些微結構中的大多數都是通過傳統的光刻技術制造的，制作過程復雜、耗時、成本高，需要潔凈室微制造。這限制了它們的技術可及性和實際應用場景。

本文介紹了一種新的制作方法，無需光刻工藝和設備且能夠較大面積制備微結構離子凝膠膜。制造微結構的成本低，但它可以實現比光刻微結構更高的靈敏度［8］。經過6 000次高壓力（50 kPa）循環加載后，不偏離初始性能。并做了一些性能驗證測試，包括脈搏信號檢測、氣流檢測、足底壓力分布圖形化等。

1 傳感器的結構原理與制備

傳感器借鑒于超級電容器，又稱雙電層電容器。圖1為雙電層電容結構原理，當電極材料與介電層的兩端分別接觸，并施加外部電源后，電極表面電荷會從電解質中吸附離子，這些離子會聚集在電極／介電層界面的介電層一側，形成一個電荷數量與電極內表面荷電數目相等、且符號與其相反的界面層，由于電極／電解質界面上存在著電位差，使得2層電荷都不能越界而彼此中和，因此形成了結構穩定的雙電層，產生了雙電層電容。這種具有納米（nm）間距的超高單位面積電容比普通平行板電容高出1 000倍以上。

圖1 雙電層電容結構原理

本文提出的傳感器結構如圖2（a）所示，傳感器由上、下電極層和介電層組成。圖2（b）為傳感器實物，由縱橫交叉的上下電極層夾著微結構介電層構成，每個交叉點形成一個超級電容單元。電極層的制作采用成熟的絲網印刷技術，將石墨烯／銀復合導電油墨電極材料印刷至聚氨酯膜上，固化后即可作為電極層使用。

圖2 傳感器結構及其實物

介電層是雙電層電容器的關鍵組成部分。本文提出的制備流程如圖3 所示。將PVDF 粉末和離子液體（ionic liquid，IL）先后加入裝有N，N二甲基乙酰胺（N，N-dimethylacetamide，DMAC）溶液的燒杯中，PVDF、IL、DMAC 的質量比為1∶1∶14，設置加熱溫度為90 ℃，劇烈攪拌90 min，形成均一透明的PVDF 溶液，將溶液倒在鋼化玻璃表面，調節可調式涂膜器（KTQ-Ⅱ，上海專色貿易有限公司）刻度（500 μm）將溶液刮平。常溫固化3～4 h 后，使用線棒涂布器（L400／OSP，日本OSP）在溶液表面刮出微槽結構。常溫固化24 h后即可形成微結構化的離子凝膠膜。

圖3 微結構離子凝膠膜制備流程

按照以上制備流程，選用不同尺寸的線棒涂布器制備不同的微結構離子凝膠膜，圖4為線棒涂布器的圖片、尺寸及其在光學顯微鏡下的圖像。

使用上述3種尺寸的線棒涂布器制得的微結構離子凝膠膜如圖5所示。將截面山峰狀微結構底部長l 和高h 的比值l∶h 作為其尺寸衡量標準。l∶h 分別為10∶1，5∶1，5.2∶1。不同尺寸的刮膜工具制造的微槽結構均勻分布在離子凝膠膜表面。由于刮膜時溶液未完全固化，部分凝膠受重力作用流向峰谷，因此，微結構的高度h均小于模具的深度H。

圖5 微結構離子凝膠膜的橫截面圖與頂視圖

2 傳感器性能分析

靈敏度是對傳感器轉換壓力刺激能力的測量，對應于數據線性回歸的斜率。靈敏度S 可以按公式計算S ＝δ（ΔC／C0）／δp。其中，S為傳感器的靈敏度，C 為傳感器的電容測量值，p為施加的壓力，C0為沒有壓力時的初始電容值，ΔC為相對電容變化C-C0。

實驗對不同長高比的微槽結構傳感特性進行了測試和比較。利用彈簧壓力試驗機（智取ZQ-990A-1，東莞市智取精密儀器有限公司）施加壓力載荷。通過高精度LCR電橋測試儀（LCR-IM3536，上海日置商貿有限公司）測量傳感器的電容值。計算靈敏度并繪制曲線圖，測試結果如圖6所示。

圖6 不同微結構離子凝膠傳感器靈敏度對比

數據表明，微結構離子凝膠膜的靈敏度均高于無微結構離子凝膠膜。對于無微結構的離子凝膠，應力分布在整個平面上，平面與力接觸區域的高度相對恒定。微槽結構的應力集中分布在谷峰區域，受到外力時頂部壓縮更多，機械變形更大，更加靈敏。對于不同長高比的微結構離子凝膠膜，微結構l∶h ＝5∶1時的靈敏度最高。這個結果與之前文獻［9］的結果一致，即l∶h 越小，靈敏度越高。從圖中還可以發現，靈敏度均可分為S1和S2兩段，這是由于靈敏度趨于飽和后開始降低，在1.2 kPa 的壓力范圍內，靈敏度最高可達46.8 kPa-1。實驗選擇靈敏度最高的微結構離子凝膠傳感器（l2∶h2＝4）進行以下性能測試。包括最小檢測極限、響應／松弛時間、負載循環穩定性、最大承受負載等。

最小檢測極限反映的是傳感器從噪聲中能分辨出的最小壓力。依次將相同底面積（1 cm2）、不同質量（0.16，0.24，0.32，0.4 g）的紙片放置于傳感器上，測試結果為如圖7（a）所示的階梯響應，最小檢測極限為16 Pa。

圖7 微結構傳感器性能測試

響應時間用來形容觸覺傳感器在外部刺激下改變輸出信號的速度。實驗結果如圖7（b）所示，迅速將一塊重0.5 g的紙片放置在傳感器上，電容在20 ms 的時間內快速響應，取走紙片一瞬間，電容同樣在20 ms 的時間內恢復至初始值，比人的皮膚響應時間（30～50 ms）還要快［10］。

觸覺傳感器的穩定性可通過多次實驗后結果的偏移值來進行測量。實驗對傳感器進行6 000次壓力循環加載，傳感器每次承受的壓強為50 kPa，測試結果如圖7（c）所示。電容值幾乎沒有發生變化，表現出優異的可重復性和穩定性。圖7（d）對微結構的最大承受極限進行了測試，從圖像中可知，當壓強為650 kPa時，微結構塌陷，受到了一定程度的破壞。壓強為600 kPa 時有輕微的刮痕，但未受到損壞。結果表明：微結構離子凝膠膜最大能承受600 kPa的負載。

與以往報道的傳感器性能進行對比，對比結果如表1所示，本文介紹的基于刮涂微結構的柔性超級電容觸覺傳感器具有制備簡單、靈敏度高、響應時間快、檢測極限低、穩定性好等綜合性優勢。

表1 微結構傳感器性能對比

3 傳感器應用

將設計好的傳感器進行實際應用，包括脈搏檢測、氣流檢測以及足底壓力分布。圖8（a）為從人手腕處測得的一串脈搏波信號，脈搏跳動頻率約為75 次／min。圖8（b）則是對著傳感器吹氣時檢測到的一系列氣流波動信號。氣流扮演了一種介質的角色，在不直接接觸的情況下將壓力傳遞到觸覺傳感器，對氣流的響應可應用于空氣動力學中，例如風洞中的壓力檢測。圖8（c）建立了一種電容陣列信號采集系統［14，15］，測試了一個成年人雙腳站在觸覺傳感器上時的壓力分布情況，圖8（d）為其等高線分布。這對于人的步態信息檢測具有重要的意義。

圖8 傳感器應用測試

4 結 論

本文通過一種簡單的刮涂方式，在PVDF 離子凝膠膜表面大面積制造微結構，解決了傳統光刻制作過程復雜、成本高、需無塵環境等問題。離子凝膠膜表面的微結構化提高了傳感器的靈敏度。通過對3種尺寸微結構離子凝膠膜制作的傳感器進行測試和比較，得出長高比越小靈敏度最高，這和前人的研究結果一致。本文提出的傳感器靈敏度可達46.8 kPa-1，最小檢測極限低至16 Pa，響應時間快至20 ms。傳感器在50 kPa 的壓強下進行6 000 次循環加載，不影響其性能，并且介電層微結構最大能承受600 kPa的負載，表現出優異的可重復性、穩定性和機械魯棒性。經過一系列應用實驗，傳感器能輕易檢測到脈搏信號、氣流波動以及足底壓力分布，在智能醫療、電子皮膚、智能假肢、實時監測等領域展示出巨大的潛力。