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面向机器人触觉的柔性压力传感器.docx
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面向机器人触觉的柔性压力传感器.docx
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电子皮肤
[1-4]
是一类仿生皮肤,可以实现人类一样的触觉感知。面向机器人触觉的柔性
压力传感器能够对压力进行高灵敏度感知,吸引了国内外科研学者的广泛关注,在医学
[5]
、机械
[6]
等领域有很好的应用前景。目前面向机器人触觉的电子皮肤多考虑生物相容性等
因素,不具有自供能的特性,而通过压电传感器进行力学信号和电信号的转变来实现传感
功能的电子皮肤不需要外部供电,具有解决供能问题和环境友好的特点。压电传感器的核
心为压电转换层,须采用具有高压电系数的材料制成。高压电系数的压电陶瓷
[7-9]
如锆钛酸
铅、钛酸钡等因为不具有柔性,不利于设备的可穿戴性设计,因此面向机器人触觉的柔性
压电材料多采用以聚偏氟乙烯 (polyvinylidene fluoride, PVDF)及其共聚物为代表的有机压
电材料
[10]
和有机无机压电复合材料
[11]
。PVDF 压电聚合物具有较高的压电性能和较好的柔
韧性,其与三氟乙烯的共聚物聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)极化后具有更高的 β 晶含
量,表现出更加优异的压电性能,在柔性压电传感器的设计制作中具备明显优势。
本文以有机 PVDF-TrFE 薄膜为功能层,制备了面向机器人触觉的柔性压力传感器,
并通过羟基磷灰石的微量掺杂改善了薄膜的压电性能。该传感器对力的大小以及位置具有
精准的感知,能够很好地应用于机器人触觉系统。
1. 柔性压力传感器的设计与制备
本文涉及的面向机器人触觉的柔性压力传感器示意图如图 1 所示。传感器核心为 30
μm 厚的具有高压电系数的 PVDF-TrFE 极化薄膜,该压电薄膜作为柔性压力传感器的功能
层,用于将力学信号转换为电学信号。PVDF-TrFE 压电薄膜以聚酰亚胺柔性电路板为基
底,基底中央传感区域为 3×3 的金属底电极阵列,用于辨别力学信号的来源。基底上方通
过 Cu 导电胶带与绑定区域的接地区域相连,使上电极接地,避免接触物表面电信号对传
感器信号产生干扰。
图 1 传感器示意图
下载: 全尺寸图片 幻灯片
传感器压电功能层 PVDF-TrFE 薄膜的制备流程如图 2 所示。将 PVDF-TrFE 以一定比
例溶解于丁酮中,磁力搅拌均匀后缓慢搅拌进行脱泡处理。采用刮刀涂布法以 20 mm/s 的
速率在柔性聚酰亚胺基底的传感区域涂布一层 PVDF-TrFE-丁酮混合溶液,迅速移入真空
干燥器中使丁酮完全挥发,PVDF-TrFE 聚合物成膜。将烘干的薄膜放入烘箱中 140°C 退火
30 min。退火后的薄膜使用实验室自制的等离子体极化设备进行极化。极化原理如图 3 所
示。极化设备中通过给源极施加高压从而将空气电离产生等离子体。由于栅极的存在,负
离子向下运动到达 PVDF-TrFE 薄膜上,与底部接金属托盘的铜电极形成电势差起到让薄膜
原位极化的效果。极化后的 PVDF 薄膜上方通过 Cu 导电胶带与绑定区域的接地线相连。
图 2 功能层制备流程图
下载: 全尺寸图片 幻灯片
图 3 极化原理图
下载: 全尺寸图片 幻灯片
2. 极化工艺对压电系数的影响
经过烘干和退火处理的 PVDF 薄膜由于未进行极化处理,整体 PVDF 的晶型以不具有
压电性的 α 晶为主,没有强压电性的 β 晶型存在,不具备压电性,压电系数仅为 1~2
pC/N。通过极化处理可实现 α 晶型向 β 晶型的转变。本实验为寻找最优的极化参数,系统
性地研究了极化间距和栅极电压对 PVDF 压电薄膜压电系数的影响。薄膜压电系数通过准
静态 D
33
压电系数测试仪进行表征。
实验中首先研究了极化间距对 PVDF 压电性能的影响。实验中固定栅极电压为−5.5
kV,依次测试了极化间距为 20、15、10、5、3、2 mm 的极化薄膜的 D
33
压电系数,测试
结果如图 4 所示。可以看到不同极化间距对 PVDF 压电性能均有提升,但不同极化间距的
极化效果存在明显的差异化。极化距离大时,等离子体由于流动性向周围逸散严重,导致
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