文 | 煜捷史馆
编辑 | 煜捷史馆
-＜硅树脂基复合材料与压力传感器＞-
柔性压力传感器由于其在高顺应性、大变形性和与各种物体方便集成的巨大潜力方面的优点而受到持续关注。
这些优点支持它们在软体机器人、电子皮肤和可穿戴设备中广泛而有前途的应用。
在这些应用中，人与所设计的柔性传感器设备之间的相互作用所产生的压力值，通常分布在低压范围（<10千帕）和中压范围（10-100千帕）。
为了对各种应用的压力测量范围有足够的感官覆盖，有必要在大的测量范围内保持高灵敏度，同时检测微妙的压力变化。
接下来，煜捷将为你讲述硅树脂基复合材料的稳定性，是如何提升柔性压力传感器灵敏度的。
一些新兴技术，如压阻式传感器，电容式传感器，光学传感器和磁传感器，已经被尝试和实施来实现这一目标。
压阻式传感器主要是基于弹性复合材料生产的，可以通过简单的程序制造。然而，它们通常存在着大的非线性和缓慢的反应等问题。
光学传感器通常涉及检测施加的力引起的光的强度、频率或相位的变化。
然而，它们要经过昂贵的实施或复杂的制造过程。磁性传感器通常由一个磁源、一个磁场感应元件和一个弹性体组成。
虽然这种方法很简单，而且设计紧凑，但它很容易受到环境磁场和铁磁性物体的干扰，限制了它的潜在应用。
相比之下，电容式传感器依赖于在外部刺激下产生的应变或收缩来引起电容值的变化。
这些传感器在低功耗、相对简单、方便集成和信号可重复性方面具有优势，促进了它们的发展，并广泛引入软体机器人和可穿戴设备。
典型的电容式柔性压力传感器主要由两侧的两个可拉伸的电极板和一个弹性体作为中间介质层组成。
然而，在大多数研究中，在传感器受到外部压力后，介电弹性体的厚度变化相对较小，因此很难平衡高灵敏度和大响应范围之间的权衡。
在这种情况下，为了提高柔性传感器的性能，重要的是制造出具有良好的弹性和导电性的柔性电极，以及实施简化和方便的传感器原型制造程序。
提高灵敏度的努力主要可以归纳为以下两类。具有导电性能的柔性材料（银纺织品、ITO）在导电性和机械拉伸性方面表现出很大的优势，但存在着灵敏度低和工作范围有限的问题。
导电复合材料，如硅基复合材料，由硅和导电材料（碳基材料、纳米线）的混合物制成，通常具有良好的稳定性，但通常会出现灵敏度大幅下降。
在弹性体材料和结构的选择上，现有的研究已经尝试了各种方法来针对大体上可变形的弹性体。
在相同的压力水平下，用微孔、表面改性和模具成型制造的介电弹性体层可以实现更大的电容变化。
微孔结构通常是通过使用固体颗粒（盐、糖）浸出法生产的，它能够产生很强的可变形性和较大的介电常数变化。
然而，由于硅胶内部的糖/盐的随机分布，传感器生产的一致性不能得到保证。
表面改性弹性体结构方法和模具成型方法通常会产生多半径结构的弹性体层。
-＜材料与方法＞-
A. 导电复合电极的制备
本设计拟将高伸缩性的模态织物和多壁碳纳米管（MWCNTs）导电浆料结合起来，生产出具有更好的导电性和回弹性的电极板。
市售的模态织物具有优良的弹性性能，但由于缺乏导电性能，不能直接用作电容器电极板。
基于CNT的导电浆料具有良好的导电性，然而，在凝固状态下的脆性和缺乏延展性使得这种浆料难以直接用于生产电极板。
CNTs导电浆料的粘性支持其与柔性织物的混合，这种混合程序已被提出并引入，使CNTs能够均匀地嵌入并分布到织物纤维网络中。
这种组合提供了坚固的渗水结构，并能够在优良的灵活性、导电性和透气性方面提供更好的属性。
电极板的制造过程主要包括以下三个步骤，第一步是将织物浸入CNTs导电膏，事先将织物剪成30毫米*60毫米大小的矩形。
然后，将织物片完全浸泡在均匀的CNTs浆料中2分钟，这种浸泡支持CNTs充分混合到织物纤维的表面。
浸泡后，利用吸水纸吸收并去除织物表面多余的液体浆料，这一措施避免了剩余的碳纳米管堵塞纤维表面的微小孔隙。
多余的CNTs糊状物会阻碍空气通过导电板的吸入和释放，降低模态织物的弹性，导致测量范围降低。
此后，复合电极板在干燥箱（DHG-9035A，BluePard，CN）中于70℃下固化0.5小时。
在光学显微镜下对导电复合材料的详细纹理进行了成像， 可以发现，CNTs均匀地粘附和分布在织物纤维的表面，同时保持了织物本身的高弹性。
通过上述程序，可以生产出具有良好导电性和灵活性的电极板。
B. 带有微结构的软质电介质弹性体的设计和制造
介质弹性体部分采用了3D打印技术（Lite 600HD，UnionTech，CN），以产生一个由支柱和空气填充腔组成的内部微结构模式。
当弹性体受到压力时，这些空气空腔可以排出其内部空气，增加介电常数和电容值。
刚性树脂模具有立方体、球体和四边形金字塔三种不同的微观结构，在利用3D打印技术的基础上，以高精度的制造和复杂的形态被生产出来。
有机硅材料在凝固后表现出优异的柔韧性，因此，它被选为生产不同柔性电介质弹性体的主要组成材料。
成型材料是由硅胶A部分和B部分（PS6600，Yipin，CN）的成分以9:1的重量比混合和搅拌而成。
选择这个比例是为了平衡传感器灵敏度和结构耐久性之间的权衡。随后，将混合好的液体硅胶均匀而缓慢地倒入3D打印的树脂模具中，该模具上喷有Ease Release 200喷雾剂。
接下来，将充满硅胶的模具放入70°C的干燥箱中进行1小时以上的固化。凝固后，将固化的硅橡胶从模具中取出，并修剪突出的边缘。
通过重复这样的程序，具有三种几何微结构图案的电介质弹性体已经完成了，具有很高的符合性和精确度。
C. 采用三种微结构弹性体的电容式传感器的性能比较
为了进一步研究三种微结构传感器的性能，我们利用了薄的硅胶层，并将其配置在弹性体的两侧作为粘附层。
通过自制的滚筒施加压力，将提议的柔性导电复合电极粘附在每个表面上，形成三明治式传感器结构。
这些程序保证了电极和弹性体之间的牢固结合。然后，每个电极被修剪成15毫米*15毫米。
这种方法保证了批量制造率，并确保了基本性能的一致性。微结构导致了内部产生了充满空气的腔体。
柔性压力传感器的性能特征已经被执行。当压力范围为0-100kPa时，嵌入立方体微结构弹性体的传感器的压力灵敏度达到最高值232*10-4 kPa-1。
而其他两个具有球体和四角金字塔结构的传感器则分别达到105*10-4 kPa-1和52*10-4 kPa-1的低值。
从理论上看，基于电容的压力传感器的工作原理主要取决于两个电极板之间的距离变化和介电常数的变化。确定传感器电容的公式已经描述如下：
-＜试验和结果＞-
A. 拟议的传感器的性能特征的实验配置
如下图所示，对所提出的传感器进行性能调查的实验装置已经配置完毕。
为了便于测量和减少外部干扰，电容式压力传感器被放置在一个绝缘木块和一个3D打印的压缩钳之间。绝缘胶带被用来固定从两边拉来的连接线到绝缘木块上。
当传感器原型准备好后，它的电容变化可以用LCR表在100kHz的频率下测量。利用标准砝码来分析制造的传感器的传感性能。
为了使传感器均匀变形，我们制作了一个尺寸为15毫米*15毫米的方形压缩钳。它的重量约为2.8克，被放在电容式传感器和标准砝码之间进行压力刺激。
B. 性能表征的实验
为了研究所提出的传感器的性能，在0千帕到100千帕的范围内进行了压力刺激实验。
所施加的压力和电容变化之间的关系已经被表征出来，相应的拟合线及其相关的定量参数已经在线性回归分析的基础上被确定。
电容式传感器的压力灵敏度可以达到232*10-4 kPa-1，线性度为99.47%，验证了其优良的线性性能和高灵敏度，在中低压范围内都没有明显下降。
为了研究所提出的传感器的长期稳定性和机械耐久性，用标准砝码（压缩钳重量为2.8克）在[12.8克，1512.8克]范围内进行了100次重复压缩和释放循环。
这对应于压力范围[0.56 kPa, 67.2 kPa]，在这个加载和卸载过程中，传感器的电容值发生了大约5.8%的变化。这是因为多次压缩输入所引起的弹性体的小变形而发生的。
这样的结果验证了所提出的压力传感器在高重复性和准确性方面的卓越性能。
为了研究静态负载条件下的漂移问题，采用了标准砝码对传感器施加静态压力，并对电容式压力传感器施加22.2千帕、44.5千帕和88.9千帕的压力值，每次持续30秒。
结果如图所示，表明该传感器在不同的静态压力输入下可以获得稳定的反应，滞后特性也在实验中得到了探索。采用标准砝码对传感器原型施加连续的加载和卸载刺激。
可以发现，这四个加载和卸载周期的漂移误差值分别为18.1%、19.9%、20.7%和31.7%。
由于所使用材料的粘弹性，当传感器经历较高的压力时，滞后问题变得越来越严重。
C. 抵抗潮湿环境干扰的能力的实验
传感器在潮湿环境中抵抗干扰的能力已经通过水滴实验进行了测试。
一个传感器原型被放置在测试台上，其两端通过导线连接到LCR仪上。滴管的一端垂直于传感器表面上方1厘米（也是为了减少水滴自由落体运动造成的影响），每2秒进行一次滴水操作。
在滴水过程中，传感器的压力噪声波动很小。结果表明，落下的水滴在传感器电极表面凝结成一个较大的水滴，没有被传感器吸收。
一个水滴的重量约为0.04克，相当于4.96帕的压力水平。这样的水滴实验验证了该传感器能够对低压力输入提供稳定的响应。
D. 拟议的传感器的弯曲响应调查实验
为了研究所提出的传感器的弯曲反应，我们制作了几个半圆柱形的模块，半径从12毫米到40毫米不等。
原型传感器被放置在这些3D打印模块的曲面上，并对每个模块进行了六次测量。
电容变化和弯曲曲率之间的反应曲线已被描述为绿色，如图b)所示。
与图 b）中蓝色的压力引起的电容变化相比，曲率变化引起的电容变化足够小。
因此，拟议的压力传感器对弯曲不敏感，支持其对弯曲和压缩的解耦测量。
-＜结论＞-
我们提出并实现了一种灵活的电容式压力传感器，它采用可拉伸的导电复合电极和具有立方体结构的支柱和空腔的延展性弹性体。
它达到了232*10-4 kPa-1的较高灵敏度，在[0, 100 kPa]的覆盖测量范围内具有99.4%的出色线性度。
所提出的电极和弹性体的制造方法可以同时引起电极板距离的减少和介电常数的增加，从而导致相对较大的电容变化。
简单和可重复的制造程序也支持大规模生产，并有助于实现出色的灵敏度线性。
这些优点支持克服与普通柔性电容传感器相关的问题，即灵敏度显著降低，线性度差或整个工作范围内的分片线性度。
水滴和弯曲实验验证了它对环境干扰和弯曲引起的信号去耦的抵抗能力。
嵌入了所提出的传感器的可穿戴手套已被用于执行具有交互力信息的抓取和释放操作，验证了其有效性和适用性。
未来的工作包括通过修改电极板的排列来扩展目前的工作，形成一个三轴压力传感器，以及在人类可穿戴设备上实现潜在的应用。
可以进一步开发微型无线电路模块，以传输和接收传感信号，改善便携式应用。
