柔性电容式压力传感器制作与性能优化分析

，沈宏峻

(南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京 210037)

随着21世纪机器人技术的快速发展，机器人表面的柔性传感器技术取得了重大突破[1]。柔性触觉传感器是附着于机器人表面的一种传感器[2]，能将触觉信号转化为电信号，并且适应各种复杂表面，帮助机器人完成各种表面结构物体的相关信息检测，对机器人的智能决策与控制至关重要[3]。现如今，各类传感器广泛应用于智能假肢[4]，机器人皮肤[5]等领域，为人们的生产和生活带来了极大的便利[6-8]。目前传感器根据能量和信息转换方式可以分为以下几类：电容式、压阻式和压电式[9]。压阻式触觉传感器是利用压阻材料的压阻效应来感知并测量压力[10]；压电式触觉传感器是利用材料的压电效应来感知并测量压力[11-12]；电容式触觉传感器则是利用电容的变化来感知并测量压力。其中电容式传感器较其他形式的传感器具有灵敏度高、性能稳定等特点。

美国的 R.Surapaneni 等[13-14]设计了一种浮动式梳子型电容式柔性触觉传感器，其工作原理是通过测量正对面积的变化来实现剪切力的测量，美国亚利桑那州立大学的R.D.P.Wong 等[15]开发了一种电容式微流体压力传感皮肤，使用了液态金属合金作为其内部电路，金属流体作为可变形电极板具有高灵活性、耐弯折和不易疲劳等特性。台湾长庚大学的KinFong Lei团队[16]设计一种全柔性电容传感器，并适用于足底压力测量的量程可调的触觉传感器，该传感器由上下电极层、PDMS(聚二甲硅氧烷)介电层以及顶部PDMS触头组成，该传感阵列能够实现柔性弯曲，并能通过调整PDMS介电层的厚度来调整量程。

本文设计了一种多孔介质层的电容式柔性压力传感器。以PDMS作为传感器的介质层，以炭黑薄膜作为传感器的上下电极，并在介质层中增设了四个均匀分布的圆柱孔形成多孔介质层，该电容式柔性压力传感器工艺简单、成本较低、灵敏度高。

1 传感器的原理

一般来说，电容式传感器是由上下电极和中间的介质层组成。当对传感器施加一个力时，电容的变化是通过上下电极的正对面积的变化或介质层间距的变化导致的。若忽略电容极板的场边效应，则电容公式可表示为：

(1)

式中：A为电极正对面积；d为介质层间距；ε0为电容空间的绝对介电常数；εr为相对介电常数。本文设计的电容式传感器的电极正对面积A为1 cm2，介质层间距d为1 mm，该传感器的工作原理为变间距式，当变化间距是Δd时，相对的电容变化为：

(2)

改变介电层间距来改变电容值大小的方法虽然简便，但电容变化较小，灵敏度较低，故在介电层中增设了几个分布均匀的圆柱孔来研究传感器的性能，并与未进行圆柱孔处理的介电层制作的传感器结果进行比较，为了表示多孔介电层硅胶传感器的电容值，设传感器的电容值为C，硅胶介电层的电容值为C1，空气介电层的电容值为C2，则对于本文研究的多孔介质层柔性传感器的电容可表示为：

(3)

将公式(1)带入到公式(3)中，可以得到多孔介电层硅胶传感器的电容值大小为：

(4)

式中：εr1为空气介电层的相对介电常数；A1为空气介电层的正对面积；εr2为硅胶介电层的相对介电常数；A2为硅胶介电层的正对面积。

2 传感器的制作

设计的多孔式柔性电容传感器由上电极、PDMS介质层、下电极组成，如图1所示。传感器单元的整体尺寸为10 mm×10 mm×3 mm，介质层的尺寸为10 mm×10 mm×1 mm，介质层中有四个直径为3 mm的圆柱孔，圆心距方形边缘距离为3 mm，利用SolidWorks软件绘制介电层的模具，并用3D打印设备制作出该模具。

图1 传感器模型

PDMS是由固化剂和预聚体两种溶液按质量比1∶10的比例混合制作而成的。首先用电子秤量出一定质量的预聚体溶液倒入容器中，再将配比好的固化剂倒入容器中，放入真空搅拌机中充分搅拌后取出并倒入模具中等待固化作为介电层使用。

炭黑薄膜是将一定量的炭黑(CB)分散在一定量的甲苯溶液中，两者的比例约为1∶100。将混合好的炭黑溶液放入超声机中分散2 h，并将分散均匀的炭黑溶液倒在玻璃片上直至干燥，将PDMS溶液均匀地倒在炭黑表面上，再在PDMS固化后将其剥离，获得一个CB/PDMS薄膜作为电极层使用。传感器的制备流程图如图2所示。

图2 传感器制备流程图

将制作完成的电极层和介质层剪裁成需要的形状，使用PDMS作为胶体按顺序粘连制做电容式柔性传感器，并在上下电极和介质层之间连接导线，传感器实物图如图3所示。

图3 传感器实物

3 传感器的性能测试

搭建基于LCR-821高精密LCR测试仪的信号处理系统。对传感器进行重复性性能与动态响应的测试。搭建的测试平台如图4所示。测量时，首先将LCR和推拉力计调零，并将传感器固定在滑轨上，再将传感器的接线端与测试仪触头连接，读出传感器电容的初始值。以1 N为单位，逐渐增加推拉力计的力至40 N，观察电容值的变化。

图4 测试装置

3.1 输出特性测试

为了得出多孔介质层柔性传感器和未作圆柱孔处理的柔性传感器特性曲线之间的区别，对传感器进行0～40 N力的加载试验，分别进行三次试验并取平均值，得出多孔介质层柔性传感器和未作圆柱孔处理的柔性传感器的比较图如图5所示。将多孔介电层柔性传感器的电容值记作C1，未作圆柱孔处理的柔性传感器的电容值记作C2。

图5 输出曲线

3.2 重复性测试

重复性是指在传感器的量程范围内，按照同一方向输入进行多次测试。本文通过施加法向力分别对多孔介电层柔性传感器和未作圆柱孔处理的柔性传感器分别进性重复性试验，每组进行3次试验，多孔介电层柔性传感器的重复性如图6所示，未作圆柱孔处理的柔性传感器的重复性如图7所示。

图6 多孔介电层重复性测试

图7 未做处理介电层重复性测试

将两传感器分别进行了三次测试后，可以测出多孔介质层传感器最大的重复性误差约为0.06，未进行圆柱孔处理的传感器最大的重复性误差约为0.07。表明多孔介质层传感器重复性误差小于未进行圆柱孔处理的传感器。

3.3 加载卸载测试

在多孔介电层柔性传感器上施加3 N的压力并保持一定时间再进行卸载，这段时间内传感器的电容变化如图8所示。

由图8可以看出，在施加相同力的时间间隔里，该传感器的数值保持稳定，故该多孔式传感器可以稳定地检测压力变化。

图8 加载卸载

3.4 压力检测试验

为了验证传感器的性能，在传感器上添加不同质量的砝码，压力检测试验如图8所示，观察传感器的电容变化，压力测试结果见表1，由表1可以看出，传感器可以实现对压力的检测，并且误差在10%以内。

图9 压力检测试验

表1 压力测试

4 小结

研制了一种多孔柔性电容传感器，并与未进行圆孔处理的柔性电容式传感器进行比较。通过比较，发现多孔柔性电容传感器灵敏度较高，响应时间较未进行圆孔处理的柔性电容式传感器快，压力相对误差较小，并且制作工艺简单，成本较低，稳定性好，具有一定的使用价值和广阔的应用前景。