觸覺傳感陣列是由多個(gè)觸覺傳感單元構(gòu)成的觸覺傳感器。觸覺傳感單元能測(cè)量單點(diǎn)的接觸力，而觸覺傳感陣列由于集成了多個(gè)傳感單元，因此具備分布式接觸力的檢測(cè)能力。目前，觸覺傳感的實(shí)現(xiàn)方法有多種，按其原理可分為壓阻式、壓電式、電容式、流體式、光學(xué)式、晶體管式等。

1.壓阻式觸覺傳感

壓阻材料在受到外界壓力時(shí)其自身電阻值會(huì)發(fā)生變化，通過檢測(cè)電阻值的變化可對(duì)外界施加的壓力進(jìn)行測(cè)量，因此將壓阻材料作為觸覺傳感器的壓力敏感材料可實(shí)現(xiàn)觸覺力的檢測(cè)。

常見壓阻材料的制備可通過在絕緣的高分子聚合物中混合導(dǎo)電物質(zhì)，形成具有壓力敏感特性的復(fù)合材料。導(dǎo)電顆粒、導(dǎo)電納米線等導(dǎo)電材料分布在絕緣的聚合物基體中，受壓時(shí)導(dǎo)電材料間的距離變小，導(dǎo)電通路增多，從而使整體電阻變小。

2012年，美國(guó)斯坦福大學(xué)Tee等將具有納米微結(jié)構(gòu)的鎳顆粒與超分子聚合物混合，制備出高靈敏的壓阻材料，并用于柔性電子皮膚的設(shè)計(jì)，研制的柔性電子皮膚表現(xiàn)出良好的接觸力檢測(cè)性能。

2014年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)Takei等在聚合物絕緣基體內(nèi)加入了導(dǎo)電CNT(碳納米管)和AgNP(納米銀顆粒)，作為觸覺傳感陣列的敏感材料，如圖1所示，當(dāng)傳感陣列受到拉伸、壓縮以及彎曲時(shí)，其電阻值均會(huì)發(fā)生明顯變化。

除了導(dǎo)電聚合物外，具有壓阻效應(yīng)的金屬薄膜也被用在觸覺傳感陣列的設(shè)計(jì)制造中。

2008年，韓國(guó)高麗大學(xué)Kim等設(shè)計(jì)了PI(聚酰亞胺)基底的觸覺傳感陣列，PI基底上制造有鎳鉻合金，受力變形時(shí)其電阻發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)觸覺力的測(cè)量。

2016年，韓國(guó)延世大學(xué)Park等使用 MoS2和石墨烯電極制造的觸覺傳感陣列具有較高的檢測(cè)靈敏度，且測(cè)試重復(fù)性優(yōu)良。利用具有壓阻效應(yīng)的金屬薄膜作為觸覺傳感陣列的壓力敏感材料，使得傳感陣列具有動(dòng)態(tài)性能好和響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

圖1 在聚合物中加入碳納米管和納米銀顆粒制造成的導(dǎo)電聚合物

2.壓電式觸覺傳感

壓電材料在受到外界壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷，通過測(cè)量產(chǎn)生電荷量的多少，即可對(duì)施加的外力進(jìn)行檢測(cè)。PVDF(聚偏氟乙烯)經(jīng)過極化處理后具有壓電特性，可用作觸覺傳感器的壓力敏感材料。

2006年，日本大阪大學(xué)Hosoda等將PVDF膜隨機(jī)分布在仿人手指中，手指與物體的接觸使PVDF薄膜產(chǎn)生電荷，將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓即可實(shí)現(xiàn)手指與物體間接觸力的測(cè)量。

2016年，中山大學(xué)Li等設(shè)計(jì)了平面型的壓電薄膜作為觸覺傳感單元的力敏感層，如圖2所示，受力時(shí)壓電薄膜的上下表面產(chǎn)生電荷，通過晶體管對(duì)產(chǎn)生的電荷和電壓進(jìn)行放大，從而實(shí)現(xiàn)觸覺力的測(cè)量。

2016年，浙江大學(xué)俞平等在觸覺傳感陣列的每個(gè)傳感單元中集成了四個(gè)PVDF 薄膜，當(dāng)三維力施加在傳感單元上時(shí)，四個(gè) PVDF 薄膜產(chǎn)生不同的電荷量測(cè)量電荷的差異即可解耦計(jì)算得到觸覺傳感單元所受到的三維力。

對(duì)于壓電式觸覺傳感，壓電材料產(chǎn)生的電荷量會(huì)隨著時(shí)間的推移變少，故壓電式觸覺傳感器的靜態(tài)檢測(cè)性能較差，但適用于動(dòng)態(tài)力的檢測(cè)。

圖2 基于壓電薄膜的觸覺傳感單元

3.電容式觸覺傳感

電容通常包含上下兩個(gè)電容極板和中間介電層。在外力作用下，介電層受到壓縮，使上下電容極板間的距離發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電容值的變化。

采用平板電極作為電容極板的電容式觸覺傳感陣列具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)法向觸覺力的測(cè)量。

2008年，美國(guó)田納西大學(xué)Pritchard等在兩個(gè)平板電極間設(shè)計(jì)了一層聚對(duì)二甲苯薄層作為介電層，制作成10x10的觸覺傳感陣列，壓力作用下聚對(duì)二甲苯被壓縮，電容值增大，以此來檢測(cè)觸覺力的大小。

香港城市大學(xué) Zhang 等設(shè)計(jì)了一種基于 PDMS 介電層的電容式觸覺傳感單元，并制作了3x3的傳感陣列，如圖1.14所示。電容極板的多種觸覺傳感單元結(jié)構(gòu)，獲得了良好的三維力檢測(cè)性能。

2012年，日本國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所Takamatsu 等利用表面覆蓋有導(dǎo)電油墨的尼龍纖維編織成網(wǎng)狀織物，在網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)處形成電容，以檢測(cè)分布式的觸覺力。電容式觸覺傳感器容易獲得較高的接觸力檢測(cè)靈敏度，且制造簡(jiǎn)單。

意大利技術(shù)研究院的 Viry 等以銅/錫涂層織物為導(dǎo)電板，以氟硅片為介電層制成柔性三維力傳感器，并被嵌在PDMS封裝層內(nèi)，其結(jié)構(gòu)示意及實(shí)物照片如圖3所示。研究人員以底部四極板的平均電容變化量反映法向力的增減，以相鄰極板間電容變化量之差來計(jì)算切向力的大小。因氟硅片的低附著性，上下極板間將自然產(chǎn)生約150μm厚的空氣薄層；而導(dǎo)電織物的經(jīng)紗和緯紗之間亦存在一定空隙，故傳感器對(duì)微小載荷的檢測(cè)非常靈敏：當(dāng)外力小于32mN時(shí)，其靈敏度可達(dá)14.22 N-1。受讀取系統(tǒng)的限制，柔性三維力傳感器的測(cè)力上限為12N。

圖3 基于銅/錫涂層織物的柔性電容式三維力傳感器

4.流體式觸覺傳感

流體式觸覺傳感可采用導(dǎo)電流體和非導(dǎo)電流體。研究者們?cè)谟|覺傳感陣列中設(shè)計(jì)了直線型、圓形、螺旋線型等形狀的微流道并填充注入導(dǎo)電流體，微流道在外力作用下被擠壓變形，其長(zhǎng)度和橫截面積發(fā)生改變，導(dǎo)致微流道內(nèi)流體的電阻產(chǎn)生變化，從而實(shí)現(xiàn)觸覺力的檢測(cè)。

2013年，美國(guó)南加利福尼亞大學(xué)Roy等將導(dǎo)電流體填入機(jī)械指頭，在外力作用下指尖內(nèi)的導(dǎo)電流體被壓縮，其電阻值發(fā)生變化，通過測(cè)量電阻值的變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外力的檢測(cè)，如圖4所示。

2015年，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Chossat等在觸覺傳感陣列內(nèi)設(shè)計(jì)了網(wǎng)狀的微流道并填充導(dǎo)電流體，在網(wǎng)格的邊緣引出電極，利用阻抗成像技術(shù)對(duì)網(wǎng)狀微流道的受力進(jìn)行解耦，成功檢測(cè)出接觸力的分布情況。

在非導(dǎo)電流體的應(yīng)用方面，2012年,日本慶應(yīng)義塾大學(xué)Ahmad Ridzuan等將絕緣流體填充到觸覺傳感陣列每個(gè)傳感單元的介電層中。當(dāng)觸覺傳感陣列受力時(shí)，介電層被壓縮，電容值發(fā)生變化。由于介電層為流體填充，傳感陣列具有較高的柔性。采用流體作為觸覺傳感陣列的壓力敏感元件，制造的傳感陣列雖具有較高的柔性，但存在流體泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 集成了流體式觸覺傳感器的機(jī)械指頭

5.光學(xué)式觸覺傳感

光學(xué)式觸覺傳感器包含光源的發(fā)射端、接收端和光的傳播介質(zhì)三部分。外力作用下傳播介質(zhì)發(fā)生變形，使光的傳播方向和強(qiáng)度發(fā)生變化，從而影響接收端接收到的光信號(hào)強(qiáng)度，以此計(jì)算傳感器受到的接觸力。

2016年，日本創(chuàng)價(jià)大學(xué)Yamazaki 等設(shè)計(jì)了一款基于光纖的觸覺傳感器，利用光在受力彎曲的光纖中傳播時(shí)產(chǎn)生光泄漏的原理來檢測(cè)外力，如圖5所示。

此外，光學(xué)式觸覺傳感器常使用 LED光源發(fā)送光線，光敏二極管接收光線，從接收到的光線的強(qiáng)弱變化可計(jì)算得到傳感器受到的外力。光學(xué)式觸覺傳感器由于使用光作為信息傳遞的介質(zhì)，不受電磁信號(hào)的干擾，因此廣泛應(yīng)用于外科手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域。

圖5 基于光纖的觸覺傳感器的工作原理

6.晶體管式觸覺傳感

晶體管在觸覺傳感器中的作用是對(duì)觸覺敏感元件的電信號(hào)進(jìn)行放大，增強(qiáng)傳感器的信噪比。有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管得益于其高柔性的特點(diǎn)，能很好地與柔性觸覺傳感器進(jìn)行集成，因此被諸多研究者所采用。

2016年,意大利卡利亞里大學(xué) Spanu 等在觸覺傳感單元的壓電薄膜敏感元件上制造了有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，對(duì)壓電薄膜的電荷信號(hào)進(jìn)行放大與測(cè)量,實(shí)現(xiàn)觸覺力的檢測(cè)，如圖 6所示。

2010年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校Kuniharu Takei等在納米線有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管陣列上覆蓋導(dǎo)電橡膠層，制作出有源觸覺傳感陣列，利用有源晶體管的信號(hào)放大作用來提高觸覺傳感陣列的檢測(cè)靈敏度，如圖7所示。

集成了晶體管的觸覺傳感陣列，把部分信號(hào)處理電路直接設(shè)計(jì)在觸覺傳感陣列上，使其具有更高的“智能”，并可顯著減小外圍電路的復(fù)雜程度，但缺點(diǎn)是傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜制造工藝煩瑣、成本昂貴。

圖6 壓電薄膜與有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的集成

圖7 導(dǎo)電橡膠與有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的集成

7.其他類型觸覺傳感

除了上述幾種觸覺傳感方式外，還有基于鐵電效應(yīng)、聲波、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等的觸覺傳感方式。

美國(guó)康奈爾大學(xué)的Zhao 等以透明的聚氨酯橡膠為核心，以具有高吸光性的聚硅氧烷復(fù)合材料為覆蓋層制作了高彈性的波導(dǎo)管。根據(jù)光功率在波導(dǎo)管內(nèi)與傳播距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的原理,研究人員在波導(dǎo)管兩端分別安置了發(fā)光二極管和光敏二極管以使其具有反應(yīng)拉伸應(yīng)變、彎曲曲率以及外界載荷的能力。在測(cè)力實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)力的作用面積小于6mm2時(shí)，波導(dǎo)管傳感器將同時(shí)具有較高的線性度與靈敏度。之后，Zhao等將三條波導(dǎo)管整合入一根中空的硅橡膠指型執(zhí)行器中，并以此為基礎(chǔ)制得了智能假肢手。后續(xù)實(shí)驗(yàn)證明該假肢手可對(duì)物體的外形、材質(zhì)、硬度進(jìn)行識(shí)別。

韓國(guó)成均館大學(xué)的 Ho 等利用石墨烯及其衍生物研制了多模式的柔性透明電子皮膚。該電子皮膚共有6x6個(gè)傳感單元組，每個(gè)單元組包含一個(gè)基于氧化石墨烯的阻抗式濕度傳感器、一個(gè)以PDMS為介電層的石墨烯電容式壓力傳感器和一個(gè)基于還原氧化石墨烯的電阻式溫度傳感器。在將壓力傳感器的表征方式設(shè)為電容的變化量后，三類傳感器的輸出將互不影響。后續(xù)的熱風(fēng)吹拂、單/雙指按壓、呼氣等實(shí)驗(yàn)證明了該電子皮膚具有同時(shí)檢測(cè)溫度、濕度、壓力等物理量的能力。

注：以上內(nèi)容主要來自：

《分布式柔性觸覺傳感陣列—設(shè)計(jì)、建模與檢測(cè)應(yīng)用》 汪延成 梅德慶 著

來源：柔性電子與傳感器

審核編輯 黃宇