，沈宏峻

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

隨著21世紀(jì)機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人表面的柔性傳感器技術(shù)取得了重大突破[1]。柔性觸覺(jué)傳感器是附著于機(jī)器人表面的一種傳感器[2]，能將觸覺(jué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并且適應(yīng)各種復(fù)雜表面，幫助機(jī)器人完成各種表面結(jié)構(gòu)物體的相關(guān)信息檢測(cè)，對(duì)機(jī)器人的智能決策與控制至關(guān)重要[3]。現(xiàn)如今，各類傳感器廣泛應(yīng)用于智能假肢[4]，機(jī)器人皮膚[5]等領(lǐng)域，為人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了極大的便利[6-8]。目前傳感器根據(jù)能量和信息轉(zhuǎn)換方式可以分為以下幾類：電容式、壓阻式和壓電式[9]。壓阻式觸覺(jué)傳感器是利用壓阻材料的壓阻效應(yīng)來(lái)感知并測(cè)量壓力[10]；壓電式觸覺(jué)傳感器是利用材料的壓電效應(yīng)來(lái)感知并測(cè)量壓力[11-12]；電容式觸覺(jué)傳感器則是利用電容的變化來(lái)感知并測(cè)量壓力。其中電容式傳感器較其他形式的傳感器具有靈敏度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

美國(guó)的 R.Surapaneni 等[13-14]設(shè)計(jì)了一種浮動(dòng)式梳子型電容式柔性觸覺(jué)傳感器，其工作原理是通過(guò)測(cè)量正對(duì)面積的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)剪切力的測(cè)量，美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)的R.D.P.Wong 等[15]開發(fā)了一種電容式微流體壓力傳感皮膚，使用了液態(tài)金屬合金作為其內(nèi)部電路，金屬流體作為可變形電極板具有高靈活性、耐彎折和不易疲勞等特性。臺(tái)灣長(zhǎng)庚大學(xué)的KinFong Lei團(tuán)隊(duì)[16]設(shè)計(jì)一種全柔性電容傳感器，并適用于足底壓力測(cè)量的量程可調(diào)的觸覺(jué)傳感器，該傳感器由上下電極層、PDMS(聚二甲硅氧烷)介電層以及頂部PDMS觸頭組成，該傳感陣列能夠?qū)崿F(xiàn)柔性彎曲，并能通過(guò)調(diào)整PDMS介電層的厚度來(lái)調(diào)整量程。

本文設(shè)計(jì)了一種多孔介質(zhì)層的電容式柔性壓力傳感器。以PDMS作為傳感器的介質(zhì)層，以炭黑薄膜作為傳感器的上下電極，并在介質(zhì)層中增設(shè)了四個(gè)均勻分布的圓柱孔形成多孔介質(zhì)層，該電容式柔性壓力傳感器工藝簡(jiǎn)單、成本較低、靈敏度高。

1 傳感器的原理

一般來(lái)說(shuō)，電容式傳感器是由上下電極和中間的介質(zhì)層組成。當(dāng)對(duì)傳感器施加一個(gè)力時(shí)，電容的變化是通過(guò)上下電極的正對(duì)面積的變化或介質(zhì)層間距的變化導(dǎo)致的。若忽略電容極板的場(chǎng)邊效應(yīng)，則電容公式可表示為：

(1)

式中：A為電極正對(duì)面積；d為介質(zhì)層間距；ε0為電容空間的絕對(duì)介電常數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)。本文設(shè)計(jì)的電容式傳感器的電極正對(duì)面積A為1 cm2，介質(zhì)層間距d為1 mm，該傳感器的工作原理為變間距式，當(dāng)變化間距是Δd時(shí)，相對(duì)的電容變化為：

(2)

改變介電層間距來(lái)改變電容值大小的方法雖然簡(jiǎn)便，但電容變化較小，靈敏度較低，故在介電層中增設(shè)了幾個(gè)分布均勻的圓柱孔來(lái)研究傳感器的性能，并與未進(jìn)行圓柱孔處理的介電層制作的傳感器結(jié)果進(jìn)行比較，為了表示多孔介電層硅膠傳感器的電容值，設(shè)傳感器的電容值為C，硅膠介電層的電容值為C1，空氣介電層的電容值為C2，則對(duì)于本文研究的多孔介質(zhì)層柔性傳感器的電容可表示為：

(3)

將公式(1)帶入到公式(3)中，可以得到多孔介電層硅膠傳感器的電容值大小為：

(4)

式中：εr1為空氣介電層的相對(duì)介電常數(shù)；A1為空氣介電層的正對(duì)面積；εr2為硅膠介電層的相對(duì)介電常數(shù)；A2為硅膠介電層的正對(duì)面積。

2 傳感器的制作

設(shè)計(jì)的多孔式柔性電容傳感器由上電極、PDMS介質(zhì)層、下電極組成，如圖1所示。傳感器單元的整體尺寸為10 mm×10 mm×3 mm，介質(zhì)層的尺寸為10 mm×10 mm×1 mm，介質(zhì)層中有四個(gè)直徑為3 mm的圓柱孔，圓心距方形邊緣距離為3 mm，利用SolidWorks軟件繪制介電層的模具，并用3D打印設(shè)備制作出該模具。

圖1 傳感器模型

PDMS是由固化劑和預(yù)聚體兩種溶液按質(zhì)量比1∶10的比例混合制作而成的。首先用電子秤量出一定質(zhì)量的預(yù)聚體溶液倒入容器中，再將配比好的固化劑倒入容器中，放入真空攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢韬笕〕霾⒌谷肽＞咧械却袒鳛榻殡妼邮褂谩?/p>

炭黑薄膜是將一定量的炭黑(CB)分散在一定量的甲苯溶液中，兩者的比例約為1∶100。將混合好的炭黑溶液放入超聲機(jī)中分散2 h，并將分散均勻的炭黑溶液倒在玻璃片上直至干燥，將PDMS溶液均勻地倒在炭黑表面上，再在PDMS固化后將其剝離，獲得一個(gè)CB/PDMS薄膜作為電極層使用。傳感器的制備流程圖如圖2所示。

圖2 傳感器制備流程圖

將制作完成的電極層和介質(zhì)層剪裁成需要的形狀，使用PDMS作為膠體按順序粘連制做電容式柔性傳感器，并在上下電極和介質(zhì)層之間連接導(dǎo)線，傳感器實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 傳感器實(shí)物

3 傳感器的性能測(cè)試

搭建基于LCR-821高精密LCR測(cè)試儀的信號(hào)處理系統(tǒng)。對(duì)傳感器進(jìn)行重復(fù)性性能與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的測(cè)試。搭建的測(cè)試平臺(tái)如圖4所示。測(cè)量時(shí)，首先將LCR和推拉力計(jì)調(diào)零，并將傳感器固定在滑軌上，再將傳感器的接線端與測(cè)試儀觸頭連接，讀出傳感器電容的初始值。以1 N為單位，逐漸增加推拉力計(jì)的力至40 N，觀察電容值的變化。

圖4 測(cè)試裝置

3.1 輸出特性測(cè)試

為了得出多孔介質(zhì)層柔性傳感器和未作圓柱孔處理的柔性傳感器特性曲線之間的區(qū)別，對(duì)傳感器進(jìn)行0～40 N力的加載試驗(yàn)，分別進(jìn)行三次試驗(yàn)并取平均值，得出多孔介質(zhì)層柔性傳感器和未作圓柱孔處理的柔性傳感器的比較圖如圖5所示。將多孔介電層柔性傳感器的電容值記作C1，未作圓柱孔處理的柔性傳感器的電容值記作C2。

圖5 輸出曲線

3.2 重復(fù)性測(cè)試

重復(fù)性是指在傳感器的量程范圍內(nèi)，按照同一方向輸入進(jìn)行多次測(cè)試。本文通過(guò)施加法向力分別對(duì)多孔介電層柔性傳感器和未作圓柱孔處理的柔性傳感器分別進(jìn)性重復(fù)性試驗(yàn)，每組進(jìn)行3次試驗(yàn)，多孔介電層柔性傳感器的重復(fù)性如圖6所示，未作圓柱孔處理的柔性傳感器的重復(fù)性如圖7所示。

圖6 多孔介電層重復(fù)性測(cè)試

圖7 未做處理介電層重復(fù)性測(cè)試

將兩傳感器分別進(jìn)行了三次測(cè)試后，可以測(cè)出多孔介質(zhì)層傳感器最大的重復(fù)性誤差約為0.06，未進(jìn)行圓柱孔處理的傳感器最大的重復(fù)性誤差約為0.07。表明多孔介質(zhì)層傳感器重復(fù)性誤差小于未進(jìn)行圓柱孔處理的傳感器。

3.3 加載卸載測(cè)試

在多孔介電層柔性傳感器上施加3 N的壓力并保持一定時(shí)間再進(jìn)行卸載，這段時(shí)間內(nèi)傳感器的電容變化如圖8所示。

由圖8可以看出，在施加相同力的時(shí)間間隔里，該傳感器的數(shù)值保持穩(wěn)定，故該多孔式傳感器可以穩(wěn)定地檢測(cè)壓力變化。

圖8 加載卸載

3.4 壓力檢測(cè)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證傳感器的性能，在傳感器上添加不同質(zhì)量的砝碼，壓力檢測(cè)試驗(yàn)如圖8所示，觀察傳感器的電容變化，壓力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，由表1可以看出，傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的檢測(cè)，并且誤差在10%以內(nèi)。

圖9 壓力檢測(cè)試驗(yàn)

表1 壓力測(cè)試

4 小結(jié)

研制了一種多孔柔性電容傳感器，并與未進(jìn)行圓孔處理的柔性電容式傳感器進(jìn)行比較。通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)多孔柔性電容傳感器靈敏度較高，響應(yīng)時(shí)間較未進(jìn)行圓孔處理的柔性電容式傳感器快，壓力相對(duì)誤差較小，并且制作工藝簡(jiǎn)單，成本較低，穩(wěn)定性好，具有一定的使用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。