陳地材，劉吉曉，2，王 鵬，劉 闊，郭士杰，2

（1.河北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)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(fù)裝置與檢測技術(shù)教育部工程研究中心，天津 300401）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類正在進入智能時代。移動互聯(lián)網(wǎng)和智能終端發(fā)展迅速，極大地推動了智能傳感技術(shù)在人機交互、人工智能、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的探索。觸覺傳感作為智能傳感技術(shù)的典型代表，根據(jù)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(fā)生變化，從而產(chǎn)生電容值的變化。與壓阻式傳感器相比，傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)的介電層來實現(xiàn)。采用倒金字塔結(jié)構(gòu)的硅晶片作為模板，液態(tài)聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）注入倒金字塔結(jié)構(gòu)中，固化后從模具中分離出來，得到具有微觀金字塔結(jié)構(gòu)的介電層。由于微結(jié)構(gòu)介質(zhì)層具有高壓縮性，相比于非微結(jié)構(gòu)傳感器，靈敏度（0.55 kPa-1）在0.3～1.5 kPa壓力范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)中的大多數(shù)都是通過傳統(tǒng)的光刻技術(shù)制造的，制作過程復(fù)雜、耗時、成本高，需要潔凈室微制造。這限制了它們的技術(shù)可及性和實際應(yīng)用場景。

本文介紹了一種新的制作方法，無需光刻工藝和設(shè)備且能夠較大面積制備微結(jié)構(gòu)離子凝膠膜。制造微結(jié)構(gòu)的成本低，但它可以實現(xiàn)比光刻微結(jié)構(gòu)更高的靈敏度［8］。經(jīng)過6 000次高壓力（50 kPa）循環(huán)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)原理，當(dāng)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(zhì)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(cè)，形成一個電荷數(shù)量與電極內(nèi)表面荷電數(shù)目相等、且符號與其相反的界面層，由于電極／電解質(zhì)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定的雙電層，產(chǎn)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(jié)構(gòu)原理

本文提出的傳感器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)介電層構(gòu)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(wǎng)印刷技術(shù)，將石墨烯／銀復(fù)合導(dǎo)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(jié)構(gòu)及其實物

介電層是雙電層電容器的關(guān)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(zhì)量比為1∶1∶14，設(shè)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(diào)節(jié)可調(diào)式涂膜器（KTQ-Ⅱ，上海專色貿(mào)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(jié)構(gòu)。常溫固化24 h后即可形成微結(jié)構(gòu)化的離子凝膠膜。

圖3 微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)離子凝膠膜，圖4為線棒涂布器的圖片、尺寸及其在光學(xué)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(jié)構(gòu)離子凝膠膜如圖5所示。將截面山峰狀微結(jié)構(gòu)底部長l 和高h 的比值l∶h 作為其尺寸衡量標(biāo)準(zhǔn)。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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的高度h均小于模具的深度H。

圖5 微結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換壓力刺激能力的測量，對應(yīng)于數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(mào)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(jié)果如圖6所示。

圖6 不同微結(jié)構(gòu)離子凝膠傳感器靈敏度對比

數(shù)據(jù)表明，微結(jié)構(gòu)離子凝膠膜的靈敏度均高于無微結(jié)構(gòu)離子凝膠膜。對于無微結(jié)構(gòu)的離子凝膠，應(yīng)力分布在整個平面上，平面與力接觸區(qū)域的高度相對恒定。微槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中分布在谷峰區(qū)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(jié)構(gòu)離子凝膠膜，微結(jié)構(gòu)l∶h ＝5∶1時的靈敏度最高。這個結(jié)果與之前文獻［9］的結(jié)果一致，即l∶h 越小，靈敏度越高。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，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(nèi)，靈敏度最高可達46.8 kPa-1。實驗選擇靈敏度最高的微結(jié)構(gòu)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(yīng)／松弛時間、負載循環(huán)穩(wěn)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(zhì)量（0.16，0.24，0.32，0.4 g）的紙片放置于傳感器上，測試結(jié)果為如圖7（a）所示的階梯響應(yīng)，最小檢測極限為16 Pa。

圖7 微結(jié)構(gòu)傳感器性能測試

響應(yīng)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(jié)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(nèi)快速響應(yīng)，取走紙片一瞬間，電容同樣在20 ms 的時間內(nèi)恢復(fù)至初始值，比人的皮膚響應(yīng)時間（30～50 ms）還要快［10］。

觸覺傳感器的穩(wěn)定性可通過多次實驗后結(jié)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(huán)加載，傳感器每次承受的壓強為50 kPa，測試結(jié)果如圖7（c）所示。電容值幾乎沒有發(fā)生變化，表現(xiàn)出優(yōu)異的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。圖7（d）對微結(jié)構(gòu)的最大承受極限進行了測試，從圖像中可知，當(dāng)壓強為650 kPa時，微結(jié)構(gòu)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(jié)果表明：微結(jié)構(gòu)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(jié)果如表1所示，本文介紹的基于刮涂微結(jié)構(gòu)的柔性超級電容觸覺傳感器具有制備簡單、靈敏度高、響應(yīng)時間快、檢測極限低、穩(wěn)定性好等綜合性優(yōu)勢。

表1 微結(jié)構(gòu)傳感器性能對比

3 傳感器應(yīng)用

將設(shè)計好的傳感器進行實際應(yīng)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(zhì)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(yīng)可應(yīng)用于空氣動力學(xué)中，例如風(fēng)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(tǒng)［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(tài)信息檢測具有重要的意義。

圖8 傳感器應(yīng)用測試

4 結(jié) 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(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)光刻制作過程復(fù)雜、成本高、需無塵環(huán)境等問題。離子凝膠膜表面的微結(jié)構(gòu)化提高了傳感器的靈敏度。通過對3種尺寸微結(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng)時間快至20 ms。傳感器在50 kPa 的壓強下進行6 000 次循環(huán)加載，不影響其性能，并且介電層微結(jié)構(gòu)最大能承受600 kPa的負載，表現(xiàn)出優(yōu)異的可重復(fù)性、穩(wěn)定性和機械魯棒性。經(jīng)過一系列應(yīng)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(yī)療、電子皮膚、智能假肢、實時監(jiān)測等領(lǐng)域展示出巨大的潛力。