可同時識別拉伸與壓力的柔性傳感器設計與應用

王莎莎，胡特特

(1.中南大學機電工程學院，湖南長沙 410083；2.中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南長沙 410083)

0 引言

人體運動監測是當今國際學術研究的熱點問題之一，而傳感器是實現人體運動監測的先決條件。研究開發可同時監測拉伸與壓力信息的柔性傳感器是非常迫切且是最具有挑戰性的，這種傳感器將在運動健身、人機交互、醫療康復和娛樂等領域具有廣泛的應用前景[1-3]。

同聽覺、嗅覺、視覺和味覺相比，觸覺是最難模仿的感覺，且感知的信息更為復雜，傳感器作為實現人體運動監測的關鍵技術，將影響可穿戴電子設備的設計與未來發展[4-5]。許多可穿戴和可植入傳感器已經在動作捕捉和健康監測方面取得了顯著的發展。傳統傳感器的電極多由具有固定脆性和剛性的單晶硅、多晶金屬和金屬氧化膜或不能擴展的石英光纖組成，極大地限制了傳感器的大變形(拉伸、扭轉和彎曲)，也難以與曲面緊密結合，不適用于人體運動的監測，極大地影響了軟體機器人、可伸縮電子和生物醫學等研究領域的應用與發展[1,6-8]。因此，設計與制造兼顧高柔性、可拉伸性、輕量化、穩定性和耐用性的傳感器具有重大的研究意義和應用價值[2]。

目前，很多學者在可拉伸傳感器、可穿戴傳感器和人造皮膚等方面的研究已經取得很大進展。H.Jeong[9]等人利用聚二甲基硅氧烷和銀納米線設計了一種新型柔性氣隙壓力傳感器。通過電流大小判定電路通斷，以此檢測外部壓力，雖然該傳感器的靈敏度可達16.1 kPa-1，但該傳感器只能用于檢測壓力而無法檢測拉伸應變。早稻田大學納米科學與納米工程專業的T. Kasahara[10]等人用PET作為固定框架，利用導電硅膠制作了一種電容式壓力傳感器，按壓時通過改變電極之間距離檢測電容的變化，所檢測的力可達10 N。由于利用PET這種不可拉伸的材料做傳感器的框架，所以該傳感器也只能實現壓力檢測無法拉伸。諸如上述傳感器的絕大多數柔性壓力傳感器都是基于電阻式[11-14]、電容式[15-19]或壓電式[20]原理對壓力信號進行檢測的傳感器，普遍存在響應信號單一、無法拉伸和延展性差的問題。另一方面，在柔性可拉伸傳感器[21-24]方面的研究也取得了一定成果。較為突出的卡內基梅隆大學的M. D. Bartlett[25]等人利用導電硅膠制作了一種電容式拉伸傳感器，可用于監測手部運動。上海交通大學[26]依靠水凝膠制作了電阻式的柔性應變傳感器，用于手部運動監測。此類傳感器雖可響應拉伸與按壓2種信號，但都存在局限是只通過1個參數(電阻，電容或電流)的變化來識別或響應不同的變形模式(彎曲、壓力、拉伸或扭轉)。所以這些柔性傳感器無法明顯區分拉伸和按壓2種刺激。因此，迫切需要開發一種可同時檢測和區分拉伸與壓力信號的柔性傳感器。

針對以上問題，本文提出了一種基于電阻式和電容式原理的柔性傳感器，與目前很多只通過1個參數識別變形模式、無法區分拉伸與壓力2種刺激或只能實現壓力檢測的柔性傳感器不同，該傳感器通過2種參數(電容和電阻)既能檢測拉伸信號，同時能感知壓力并檢測其大小，極大地豐富了傳感器的功能，為應用于人體運動檢測、醫療康復、機器人技術和人機交互的集高延展性與感知外部按壓的人造皮膚提供了參考。

1 傳感器的設計和制作

本文研究了一種可同時識別拉伸與壓力的柔性傳感器，如圖1所示。該傳感器為垂直結構，上部模塊為電阻式傳感器，下部模塊為電容式傳感器，由硅膠封裝。上模塊即電阻傳感器檢測來自外部的壓力反應，下模塊即電容傳感器檢測拉伸變化，該傳感器具有同時檢測壓力和拉伸的特點。

圖1 傳感器結構圖

1.1 傳感器的設計

本文提出的傳感器基于電容式傳感器和電阻式傳感器原理，電容式傳感器是通過應變改變兩電極板之間的距離改變電容的大小，以此檢測應變信號；電阻式傳感器通過應變改變傳感器的電阻值，通過電阻或電流的變化感知應變。如圖1所示，本文提出的傳感器由電阻模塊和電容模塊兩部分組成。電阻模塊結構由上至下依次為：上層絕緣硅膠保護層、上層導電硅膠層、介電空心層和下層導電硅膠層，其中介電空心層為中間設有開孔的介電材料。

電容模塊結構由上至下依次為：上層導電硅膠層、電容介電層、下層導電硅膠層和下層絕緣硅膠保護層。電阻模塊的下層導電硅膠層與電容模塊的上層導電硅膠層為同一個導電硅膠。在電阻模塊的上、下層導電硅膠層和電容模塊的下層導電硅膠層分別布置導線。兩層絕緣硅膠保護層起到封裝和保護傳感器的作用。

按壓傳感器時，上、下導電硅膠層接觸，可檢測到電阻值明顯變化，同時兩層導電硅膠層的接觸面積越大檢測到的電阻越小，從而可通過電阻值變化ΔR判斷傳感器是否受壓并能識別所受壓力大小。

拉伸傳感器時，電容模塊的電容介電層變薄，上下兩層電導電硅膠距離縮短、電容變大，根據電容值變化判斷拉伸應變大小。

1.2 傳感器的制作

制作傳感器的材料必須滿足高延展性、可切割、良好粘結性和絕緣性等條件。為了滿足上述條件，選擇了市場上已有的材料：電阻模塊的介電空心層(VHB4905,厚度0.5 mm)，導電硅膠層(導電硅膠墊，厚度0.5 mm)，電容模塊的電容介電層(ELASTOSIL FILM2030，厚度0.1 mm)以及絕緣硅膠層(Ecoflex00-30)。這些材料都具有極高的延展性，此外，介電空心層的固有黏性可以確保其與導電硅膠層緊密貼合。

柔性傳感器的制作過程如圖2所示。首先，準備已切割完成的介電空心層，將雙面導電布作為導線布于介電空心層的上下兩面，導電布具有黏性，可讓傳感器每一層的堆疊更加貼合和牢固。再將已切割完成的導電硅膠貼于介電空心層上下兩面。

圖2 傳感器制作過程與實物

為使電容模塊中的兩層導電硅膠和電容介電層更好的貼合，用氧等離子清洗機進行表面改性處理，將處理后的表面貼合。再將導電布作為導線貼于電容模塊的下層導電硅膠上。

最后，為使傳感器更加牢固和可靠，將Ecoflex00-30硅膠A、B兩組分以1∶1的質量比混合，放入真空脫泡機處理5 min，以減少固化過程中產生氣泡。將處理好的硅膠倒在涂布基底上，使用涂布機制作上下絕緣硅膠保護層，之后在涂布機加熱板上50 ℃加熱1 h，形成柔性傳感器的保護層，完成傳感器的制作。

制作完成的應變傳感器可以反復拉伸、扭轉、彎折，同時不影響傳感器的性能。

2 實驗驗證

2.1 性能實驗

為了測試傳感器的拉伸載荷和壓力載荷，搭建了傳感器測量系統，包括絲桿拉伸平臺、力傳感器(SMT10N)、LCR數字電橋測量儀(IM3536)和計算機，實現對傳感器的穩定性、耐用性和重復性的評估。

首先，為了測量拉伸載荷，使用亞克力板夾住傳感器的兩端并用螺栓將傳感器固定在絲桿滑塊上，通過編程控制電機以恒定速度穩定拉伸傳感器，電容變化由LCR測量，并通過計算機連續采集數據。在傳感器拉伸速度為50 mm/s的情況下，拉伸應變量為20%、40%、60%和100%時，傳感器相對電容(C/C0)的變化如圖3所示，可見傳感器每一段的應變都很容易區分且波動變化微小。傳感器連續加載100%并完全卸載(圖4)，得到傳感器加載與卸載的線性度R2=0.9836，由圖4可以看出傳感器加載與卸載過程曲線重合性良好，說明傳感器有著較小的滯后性。將柔性應變傳感器以150 mm/s的速度反復拉伸12 000次，每次拉伸應變量設置為100%，實驗數據表明傳感器的電容值總是能恢復到拉伸初始狀態的值，另外，在這12 000次循環拉伸中，傳感器的電容值一直保持在一定范圍內(圖5)，表明傳感器有長期使用的能力，在大應變下和循環載荷下具有良好的魯棒性。

圖3 拉伸過程電容變化

圖4 加載和卸載過程

圖5 12 000次重復拉伸

對傳感器的壓力進行檢測，如圖6所示。按壓前，電阻模塊上下電極未接觸，LCR電橋測得電阻值可達0.8 GΩ；當傳感器受到壓力時，電阻模塊上下接觸，電阻值明顯變小。按壓前后電阻值變化極其明顯，電阻變化可達5個數量級，極易檢測到傳感器是否受到壓力刺激。另一方面，按壓前后電阻有5個數量級變化，由于受壓前后電阻值相差過于懸殊，所以在整體圖中，傳感器受壓時電阻變化相對不夠明顯，當局部分析傳感器受壓時的電阻數據，通過圖6可明顯看到傳感器隨壓力的增大電阻逐漸變小，表明傳感器在受到按壓時，能夠識別一定范圍內的壓力大小(傳感識別范圍可達0～120 kPa，電阻變化范圍可達5～13 kΩ)。最后，檢測溫度對傳感器初始值的影響。在室溫23 ℃下測量傳感器的電容值變化(圖7)，可見傳感器電容值在23 ℃下波動很小，基本保持在某一固定值(-48.7 pF)不變，此時電阻模塊未受到按壓，保持斷路狀態。

圖6 按壓過程電阻變化

圖7 室溫(23 ℃)對傳感器的影響

由此可見，柔性應變傳感器具有良好的拉伸性、耐用性、重合性和魯棒性，非常適用于監測人體運動狀態，而同時感知和區分拉伸與按壓2種信號的功能更為后續人造皮膚的設計與制造提供了參考。

2.2 實用場景驗證

傳感器在人體運動檢測中的潛在應用，如圖8(a)、圖8(b)所示，將傳感器放于手背的掌指關節上，明顯看到傳感器可以清晰地識別出關節彎曲30°、60°和90°，根據彎曲角度的不同，傳感器作出相應響應，表明傳感器可以測量手指彎曲程度，在運動健身、人機交互、手語識別和娛樂等領域有潛在應用價值。同時在手指彎曲時按壓掌指關節，由圖8(c)、圖8(d)看出傳感器在受到壓力時電阻明顯變小，由于按壓前后電阻值變化懸殊(5個數量級的變化)，在整體圖中較難看出變化趨勢。隨機選擇電阻明顯變小的某一時刻如圖8(d)局部放大可見，隨時間(4 s內)逐步增大壓力，同時傳感器的電阻值也隨時間逐漸減小。由于傳感器在指關節彎曲且未按壓時傳感器的電阻值依然保持在6 GΩ，驗證了傳感器在彎曲時電阻模塊依然處于斷路狀態，只有受到外界壓力時電阻才有明顯的變化，可見傳感器的電阻模塊受拉伸應變的影響小，只對壓力應變響應強烈，表明傳感器具有高可靠性。傳感器在拉伸狀態下依然可識別外界壓力，表明傳感器兼具檢測和區分拉伸與壓力2種應變信號的能力，彌補大多數傳感器信號單一、難以區別壓力應變與拉伸應變的缺點，使人體運動監測全方位，使機器人功能多樣化，擴大了機器人的應用范圍。在醫療方面，可以讓假肢手擁有和人類皮膚一樣可識別外界刺激的能力，幫助患者正常生活。

通過肘關節的彎曲(圖9(a)、圖9(b))可以清晰地看出傳感器隨肘關節的彎曲與伸展作出不同的響應，由于肘關節每一次彎曲的幅度、速度不同，傳感器會根據受試者肘關節的彎曲幅度和彎曲速度的不同作出不同的響應，表明傳感器具有測量速度的潛能。為檢測傳感器感知外界壓力的能力，在肘關節彎曲時按壓肘關節，并且逐步增加按壓的程度，從圖9(c)、圖9(d)可以看出傳感器在受到壓力時電阻依然有明顯的變化，同時隨按壓程度的增加電阻變小，再次體現了傳感器具有高可靠性。

(a)掌指關節彎曲不同角度

(b)掌指關節彎曲不同角度時傳感器響應情況

(c)彎曲并按壓掌指關節

(d)彎曲并按壓掌指關節時傳感器響應情況圖8 傳感器在掌指關節上的應用

如圖10(a)、圖10(b)所示，對傳感器進行扭轉測試，當受試者前臂向外旋時，橈骨相對于附著的傳感器有明顯的移動，從而扭轉傳感器使其變形并改變傳感器的電容值。當外旋時，傳感器的電容值變大；當內旋時手臂恢復到原先狀態，傳感器回到初始狀態，相對電容值也變回到初始狀態(C/C0=1)。

利用傳感器檢測喉結的運動，如圖11(a)、圖11(b)所示。在喉結運動前先將傳感器貼于喉結位置，此時傳感器是擴張的，受試者喝水時，喉結向上移動，傳感器擴張程度減小，此時傳感器電容值相對于初始值是減小的(C/C0<1)，從圖11(b)中可以清晰看到，每一次喝水，傳感器的相對電容值都有明顯的下降，隨喉結回到原來位置，傳感器的電容值也回到初始值。表明傳感器對人體運動敏感，響應明顯。

(a)彎曲肘關節

(b)彎曲肘關節時傳感器響應情況

(c)彎曲并按壓肘關節

(d)彎曲并按壓肘關節時傳感器響應情況圖9 傳感器在肘關節上的應用

3 結束語

(a)旋轉手臂

(b)旋轉手臂時傳感器的響應情況圖10 傳感器對手臂旋轉的應用

(a)喝水運動

(b)喝水時傳感器的響應情況圖11 傳感器對喝水運動的應用

本文提出了一種新型、多功能和柔性的可同時識別拉伸和外部按壓的傳感器。該傳感器是基于柔性材料制作而成的，具有穩定的拉伸性能，與皮膚適配性高。該傳感器總體為垂直結構，從上至下由電阻模塊和電容模塊兩部分組成。電阻模塊主要檢測來自外部的按壓，電容模塊識別拉伸扭轉等應變。實驗證明傳感器可以在不同拉伸倍率(20%、40%、60%、80%、100%)、不同角度(30°、60°、90°)和12 000次循環拉伸下保持良好的性能，并用漸增的力按壓傳感器，傳感器隨力的增大電阻逐漸減小，表征傳感器較長的延展性、穩定性、耐用性和高重復性。在彎曲和伸展關節、彎曲關節并伴隨按壓、扭轉前臂和喉結上下運動這4種應用場景中，傳感器能準確地識別和感知人體運動，證明了傳感器的實用性和可行性。該項工作為應用于人體運動檢測、醫療康復、機器人技術和人機交互的集高延展性與感知外部按壓的人造皮膚提供了參考。