柔性觸覺傳感器的主要技術(shù)路線
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。
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)。
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。
電容式液位傳感器可以用于檢測(cè)咖啡機(jī)、魚缸的液位檢測(cè)，及時(shí)提醒用戶缺水，以免缺水燒壞設(shè)備。錦鋒電容式液位傳感器CL01DH05利用水和空氣中存在的電荷不一樣來感應(yīng)并區(qū)分容器內(nèi)是否有水的當(dāng)容器內(nèi)無水，不需要接觸液體，可以直接貼在魚缸外側(cè)，可用于檢測(cè)魚缸滿水或者時(shí)預(yù)感缺水，也可用于控制魚缸液位。
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