基于新型三维柔性触觉传感器的力敏导电硅橡胶导电机理_研究_研究生论文(编辑修改稿)

基于新型三维柔性触觉传感器的力敏导电硅橡胶导电机理_研究_研究生论文(编辑修改稿)内容摘要：

.......... 39 基于新型三维柔性触觉传感器的力敏导电硅橡胶导电机理 _研究 1 列表清单 表 31 炭黑技术指标 ............................................................................... 18 表 32 炭黑填充硅橡胶的基本特征参数 .................................................. 19 表 33 不同填充量（ vol%） CB3100 样品配比及硬度对比 ...................... 21 表 34 三个样品的参数估算值 ................................................................. 23 表 42 添加纳米材料 力敏导电硅橡胶 的质量百分比 ................................ 31 表 51 常用电子分析法原理 .................................................................... 33 基于新型三维柔性触觉传感器的力敏导电硅橡胶导电机理 _研究 1 第 一章 绪 论 研究背景 机器人技术是综合了精密机械，自动控制，微电子学，仿生学等多种学科的高技术，是当今世界新技术革命的重要标志之一。 触觉传感器是机器人获取触觉信息不可缺少的手段，根据触觉传感器提供的信息，机器手可对目标物体进行可靠抓取，并可进一步感知它的大小、形状、轻重、软硬等物理特性 [15]。 柔性 触觉传感技术的研究经过多年的发展已经取得了较大进步，但还面临着诸多困难。 一方面多年来在触觉传感器的测试原理方面几乎没有新的突破，尽管学术界对人的触觉感知及皮肤的特性有了更深入的了解，但人类的触 觉不是简单的将物理特性转换为神经信号，而是综合复杂的过程，所以模仿有相当的难度；另一方面在发明、发现可用于触觉传感器的新型敏感材料方面也举步为艰，极少数的研究成果大多还停留在实验室阶段，实际应用和商用化明显滞后，所以近年来基本上没发现有可靠耐用、通用性强的柔性触觉传感器问世 [6]。 制作柔性触觉传感器的关键技术之一是能找到一种精确检测出微小位移量的敏感材料。 作为一种新型的导电复合材料， 力敏 导电 硅橡 胶力学性能好，抗干扰能力强，制作的传感器能达到具有较高的分辨率，是制作柔性触觉传感器良好材料。 但目前对导电硅橡胶 材料的导电机理研究却落后于应用研究， 对该材料的导电机理、压阻特性和电阻温度特性研究还没有较统一的 理论 体系。 本章 主要 对 柔性触觉传感器 、 力敏 材料 、 导电硅橡胶 及其导电机理 进行 系统 的 阐述。 国内外研究现状 柔性触觉传感器 触觉传感器正朝着集成化、小型化和智能化的方向发展，一个集成的传感器阵列包含多个传感单元，每个传感单位都能独立获取外界信息，而多个传感单元的有机融合则可实现单个传感单元无法实现的功能 [7]。 为准确获取触觉信息及适用于任意形状的 物体，要求触觉传感器具有一定的柔性，并能获取三维接触力信息。 这样的柔性三维力传感器阵列也称为智能皮肤 [811]。 智能皮肤的概念最早由 Barth 等人于 1985 年首次提出 [12]。 作为概念演示，他们采用硅岛结构和聚酞亚胺材料制作了一个柔性的一维硅二极管温度传感器线阵列，其硅岛结构采用各向同性湿法腐蚀技术制作，硅岛侧壁形状不规则并且较为粗糙，这种柔性阵列的弯曲可靠性 比 较差。 多年来人们不断尝试从 力敏导电硅橡胶 、 电容、 PVDF (聚偏二氟乙烯 )、光波导等技术出发来研制机器人 柔性 触觉传感器，已经取得了一定的成果。 单维力检测方面， 如 日本东京大学于 2020 年利用导电 橡 胶研制出的机器人柔性触觉基于新型三维柔性触觉传感器的力敏导电硅橡胶导电机理 _研究 2 手指套 [13]， 2020 年 开发出了一种由橡胶、导电石墨和新型晶体管组成的 ， 几乎跟真人皮肤一样敏感的电子 “皮肤 ”，使机器人的触觉 传感技术 变得越来越成熟 ，2020 年在弹性胶体内埋入悬臂式结构的传感器，利用其压阻特性感知切向力。 国内对柔性触觉传感器技术中也有相关研究，例如清华大学工程力学系应用新型导电 橡 胶为传感器材料，成功研制了 251 点阵的接触力传感型人体足底压力分布的测量系统 [14]；西安交通大学研究了一种基于导电 橡 胶的触觉传感器，不但可以获得物体表面的形状特征，还可以得到物体滑觉信息 以及相对速度 [15]。 三 维 力 检测 的发 展 ，如 荷 兰代 福 特工 业 大学 电子 仪 器实 验 室 (Delft university of Technology， Laboratory for Electronic Instrument) 1995年基于电容原理设计了能检测三维力的触觉传感器 [16]；加拿大 Simon Fraser 大学的 Dargahi 对 PVDF 薄膜的压电和热电特性进行了分析，测试了动态响应，提出了由三片 PVDF 薄膜构成的触觉传感器 [17]；日本的科学家 Yoji Yamada 等在硅橡胶内埋入柔性光纤研 究多维触觉传感器及其结构，利用硅橡胶变形产生的压力作用于传感器单元上，达到测量多维力的目的 [18]； 2020 年韩国国家技术科学院利用光纤光栅传感系统和触觉传感器技术，研究了两种用来检测三 维 力的 3 3 阵列分布式结构 [19]；中国科学院合肥智能机械研究所于 1999 年以MEMS 技术制作了能检测三维接触力信息的阵列触觉传感器， 2020 年国家 863盔甲式结构柔性多维触觉传感器项目通过验收 [20]；重庆大学 2020 年提出了一种基于 PVDF 膜的新型三 维 力触觉传感技术，阐述了触觉传感头的设计思想和基本结构，得到了计算空间三 维 力的公式 [21 22]。 目前所研究的多维触觉传感器共同的不足之处是没有真正达到人类皮肤的柔韧性，在多维传感器阵列结构的研究方面没有实质上的突破，无法实现触觉传感器的整体多层阵列式结构设计。 综观国内外在多维触觉传感器领域的研究情况，在现有的设计方案中仍存在着诸多的问题，如造价昂贵、信号处理复杂、柔性差、不适合大面积测量、制作工艺要求高等诸多问题，真正实用的柔性多维触觉传感器鲜为人见。 尽管柔性触觉传感器经过了几十年的发展，研究者仍在积极寻找新材料，新原理，设计传感器，力图设计出高性能，高柔性，高可靠性的传感 器，使触觉传感器尽快走入实用阶段。 柔性 力敏 材料 从“智能皮肤”概念 1985 年提出， 此后直到 1994 年，才有 Beebe 等人在智能皮肤的性能改进方面进行了一些研究，并提出在硅岛正反两面均制作一层聚酞亚胺薄膜将会提高其拉伸强度和可靠性 [23]， 发现陡直的硅岛侧壁将会提高聚酞亚胺的附着力。 1996 年， Fukang Jiang 等性湿法腐蚀技术与 RIE 干法刻蚀技术相结合的方法，为此他们采用 KOH 各向异制作了一个含有剪切应力传感器阵列的柔性智能皮肤 [24]。 为了提高智能皮肤的可靠性，他们在实验中选用了基于新型三维柔性触觉传感器的力敏导电硅橡胶导电机理 _研究 3 一 种特种聚酰亚胺材料，即杜邦 PI2808，其拉伸强度高 210MPa[25]。 然而这些方法只是利用柔性材料做基体，柔性材料本身没有 力敏 特性。 柔性 力敏 材料的研究早在“智能皮肤”概念提出之前， 力敏 材料是指材料在受外力作用时其电学性能发生明显变化的材料。 目前最常用的有金属应变电阻材料和半导体压阻材料两大类。 利用金属应变电阻效应和半导体压阻效应早在二十世纪五十年代就制成了应变计，当前 力敏 元件已由单纯的金属、合金、半导体、化合物半导体发展到有机高分子等多种材料。 力敏 材料用于力学量传感器，主要用于测量力、加速度、压力等 物理量。 力学量传感器种类繁多应用较为普遍的有电阻式、压阻式、电容式、压电式和光纤式等。 在传感器中通常利用弹性元件直接感受被测量，作为测量过程最前端，这样的弹性元件称为弹性敏感元件，即利用弹性变形实现测量机理的元件就是弹性敏感元件。 弹性敏感元件是传感器、仪器仪表的核心，在传感技术中具有非常重要的作用。 弹性敏感元件的基本特征包括刚度与柔度、弹性滞后、弹性后效与蠕变、弹性材料的机械品质因数、位移描述、应变描述、应力描述、广义胡克定律、固有谐振频率、弹性元件的热特征。 弹性敏感元件的材料以精密合金为主，近年来也出现了 性能优良的非金属材料，如半导体硅材料、石英晶体材料、精密陶瓷材料及复合材料等。 八十年代末，越来越多的研究者注意到了聚偏二氟乙烯 (PVDF 或 PVF2)，并用它的各种效应制作触觉传感器。 PVDF 是七十年代中期发现的优良的压电材料，它具有超薄、柔软、压电性强、线性好、频带宽、效应多等优点，与人的皮肤有天然的相似性，这使得制作类似于人类皮肤的动态柔性触觉传感器大大向前迈进了一步。 但无论敏感材料如何柔软，必须有引线将材料产生的电荷引出。 当引线较多时，整个传感器的柔性将大大降低。 除了 PVDF 之外， 力敏导电硅橡胶 也是 一种性能优良的柔性触觉传感器材料 ，是以导电材料为填充粒子，基体采用胶体的一种复合材料。 力敏导电硅橡胶 由于其良好的 力敏 特性越来越受到研究者的青睐。 例如 美国科学家近日发明了一种能够导电的金属橡胶，它具有许多其他材料所不具备的独特性质，在诸如人造肌肉、智能衣服、活动机翼等多个领域有望获得广泛应用 [26]。 等 [27]研制的柔性皮肤触觉传感器，其外表用柔软的硅橡胶封装，硅橡胶内侧装有许多的导电橡胶应变片，当物体作用于传感器表面时，应变片输出受压信号，根据不同位置的受压信号可以得到传感器表面的压力分布。 Takao Someya 等人[28]研制出了应用在机器人手的电子皮肤，如图 所示。 其覆层材料应用掺有石墨的聚合物，按压聚合物的时候，电阻发生变化，内部的晶体管就会记录下变化的数值，但是这种皮肤的制作工艺比较复杂。 合肥智能机械研究所 [29]提出一种基于导电橡胶的三维力触觉传感器，利用导电橡胶做覆层材料，内部布有触觉传感阵列，设计简单，成本低廉，且性能较好。 东南大学、西安交通大学、基于新型三维柔性触觉传感器的力敏导电硅橡胶导电机理 _研究 4 北京航天航空大学等也开展了这方面的研究工作。 图 11 应用在机器人手上的电子皮 肤 炭黑填充 型 导电硅橡胶 炭黑填充导电硅橡胶在导电硅橡胶复合材料的各种应用中，比较常见的是利用其力敏或温敏效应研究开发的用于各种电子键的开关材料、触感元件、温敏和力敏传感器材料。 自从 1945 年 Baker 在聚苯基乙基硅烷中加入胶体无烟煤粉，制得最早的导电有机硅复合材料之后，感压复合材料的研究吸引了众多国内外学者的广泛关注。 Kost 等用机混法研究了炭黑 /硅橡胶复合材料体积电阻随应变、时间变化的规律 [30]； Skothein 则认为导电硅橡胶可能成为新一代的压力传感材料 [31]； Nagata 提出了 力 敏 导电橡胶的导电数学模型 [32]； San 等研究了 力敏 导电橡胶在不同预应变（ prestrain）下导电性的变化 [33]，研究表明：复合材料弹性模量与电阻率有相似的变化规律，并且炭黑 /硅橡胶复合材料的导电渗滤阈值与橡胶的粘度有关，即橡胶的粘度越高，复合材料的渗滤极限也越高。 谢泉等用机械共混复合法研究了炭黑 /石墨 /nanoSiO2/硅橡胶复合材料的微观结构、拉力－电阻及温度－电阻特性及导电机理 [34]，研究表明：加入纳米 SiO2可提高复合材料的电阻率－压力的线性性能；万影等采用机械共混复合法研究了导电橡胶的 力 敏 特性及时间响应；清华大学王鹏等 [35]，也采用机械共混复合法研究了炭黑 /硅橡胶复合材料的压阻特性，认为添加有机溶剂和 SiO2 纳米粉可以有效的提高炭黑分布的均匀程度和复合材料的弹性模量，从而改善复合材料的压阻性能。 在导电橡胶的制造成型技术方面，主要采用分散效果不是很理想的机械混炼法，现有的公开技术尚不能制得组成均匀、电阻 /压力线性相关性优良且连续多次使用的力敏复合材料。 合肥工业大学王敏 [36]等，采用湿法共混法制备 炭黑填充型导电硅橡胶材料，并对其制备方法和性能进行了研究， 探讨了各种原材料的选取、配比、工艺 参数等因素对注射成型导电 橡 胶性能的影响。 但 现有这些技术作为制备开关（ onoff）元件和触觉传感器、键用接点材料等是完全可行的，但是要作为制备应力测量用薄型压力传感器的力敏元件，还须采用多种措施以提高复合材料的结构均匀性和性能稳定性，尤其是电阻率与压力的线性相关性。 关于炭黑导电硅橡胶的导电机理的研究包括导电结构的形成和导电粒子间基于新型三维柔性触觉传感器的力敏导电硅橡胶导电机理 _研究 5 的导电机制。 其中 炭黑 填充型 导电硅橡胶导电结构的形成是载流子微观迁移运动的宏观体现，决定着复合材料的电性能，受众多因素的影响，一同绕着它产生了许多理论 主要有 一同绕着它产生了许多理论， 主要有统计渗流、热力学、有效介质和微结构模型。 导电粒子之间的导电机制涉及 载流子迁移的微观机理，主要理论有导电通路学说，认为导电粒子通过物理接触形成导电链；电子隧道效应理论，认为距离接近的导电粒子间发生隧道效应而产生导电现象；介电击穿及场致发射理论等导电粒子间的导电一般认为是多种。