用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的雙層柔性應(yīng)變傳感器

朱雅倩，汪鵬飛，李育文，黃 英，劉彩霞

（合肥工業(yè)大學(xué)微電子學(xué)院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

近年來(lái)，隨著人工智能（artificial intelligence，AI）的發(fā)展，人類對(duì)基于柔性應(yīng)變傳感器的智能可穿戴設(shè)備的需求也隨之增長(zhǎng)。柔性應(yīng)變傳感器因其價(jià)格低廉、制作工藝簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高等特點(diǎn)受到大量學(xué)者的廣泛關(guān)注［1～3］。文獻(xiàn)［4］采用酸化碳納米管（acidized carbon nanotubes，a-CNTs）、水性聚氨酯（waterborne polyurethane，WPU）和泡沫制備了高靈敏度、寬應(yīng)變范圍和良好穩(wěn)定性能的應(yīng)變感應(yīng)功能織物。該傳感器應(yīng)變范圍為0%～60%，最大靈敏度系數(shù)（gauge factor，GF）為55.2；文獻(xiàn)［5］使用銀納米線旋涂至聚酰亞胺（polyimide，PI）表面，制作出一種靈敏度高且工藝簡(jiǎn)單的傳感器，但其工作范圍只有5%。

高靈敏度和寬工作范圍是衡量柔性應(yīng)變傳感器性能好壞的2個(gè)重要參數(shù)，對(duì)傳感器的應(yīng)用具有重要意義。例如，監(jiān)測(cè)人類脈搏、心跳等生理活動(dòng)引起的微小應(yīng)變時(shí)需要傳感器具有高靈敏度系數(shù)［6，7］，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手指關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則需要拉伸范圍超過(guò)50 %的柔性應(yīng)變傳感器［8～10］。然而從現(xiàn)階段的大多數(shù)研究結(jié)果可以看出，高靈敏度和高拉伸性這兩種性能很難在一種柔性應(yīng)變傳感器中平衡存在［11］。傳感器如果需要同時(shí)具備高靈敏度、高拉伸性和高穩(wěn)定性等性能，則需要引進(jìn)更加先進(jìn)的技術(shù)和制備方法，對(duì)目前傳感器研究領(lǐng)域來(lái)說(shuō)這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

基于目前柔性應(yīng)變傳感器所存在的問(wèn)題，本文中提出了一種基于雙層導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)的柔性應(yīng)變傳感器。選取環(huán)保性、穩(wěn)定性和機(jī)械性能優(yōu)異的WPU［12］為基底，具備高導(dǎo)電性的石墨烯［13］和低成本的炭黑為導(dǎo)電填料。通過(guò)使用逐層（layer by layer，LBL）組裝技術(shù)和激光鋼網(wǎng)模具在傳感器表層制造出規(guī)則裂紋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)具有高靈敏度和寬工作范圍的柔性應(yīng)變傳感器。

基于該傳感器設(shè)計(jì)了一種智能可穿戴美國(guó)手語(yǔ)（American sign language，ASL）解釋系統(tǒng)，同時(shí)也對(duì)人類面部情緒識(shí)別進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，傳感器的這種高度的綜合性能使其在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、人體健康監(jiān)測(cè)、柔性機(jī)器人皮膚等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 柔性傳感單元研制

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文所使用的炭黑（carbon black，CB）-3100 由SPC 化學(xué)公司提供，溴化十六烷基三甲銨（cetyl trimethyl ammonium bromide，CTAB）表面積為110 m2／g，灰分含量為1%，平均粒徑約為30 nm；石墨烯（graphene，GR）由成都有機(jī)化工有限公司提供，純度＞99.50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)，直徑5～10 μm，厚度4～20 nm。WPU-1926由深圳吉田化工有限公司提供；無(wú)水乙醇（ACS，純度＞99.50%）由阿拉丁工業(yè)公司提供。

1.2 傳感器制備

傳感器制備流程與制備樣品結(jié)果如圖1 所示，主要可分為以下4個(gè)步驟：1）在室溫下，將0.06 g CB 混入10 mL的無(wú)水乙醇中，混合超聲1 h，再磁力攪拌1 h，稱取1.94 g WPU倒入燒杯中磁力攪拌4 h，制得CB／WPU高電阻漿料。將0.15 g GR倒入10 mL的無(wú)水乙醇中，混合超聲1 h后，再磁力攪拌1 h，稱取0.28 g WPU倒入燒杯中磁力攪拌4 h，制得GR／WPU低電阻漿料。2）將CB／WPU 低電阻漿料澆注置底部附著硅膠皮的激光鋼網(wǎng)模具中，使用刮板按相同的方向刮涂，并在60 ℃干燥30 min。固化后將GR／WPU 高電阻漿料通過(guò)激光鋼網(wǎng)模涂覆在CB／WPU膜上，隨后抽真空處理30 min并在60 ℃下干燥1 h。3）充分干燥后，切割樣品（尺寸20 mm×5 mm），為確保有完整的裂紋，向樣品的兩端施加2%的應(yīng)變，以形成均勻的裂紋。4）在每個(gè)樣品兩端涂覆導(dǎo)電銀膠并在兩端引出導(dǎo)電銀布用作傳感器電極。待導(dǎo)電銀膠固化后，將聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）預(yù)聚液均勻的涂覆在樣品表層，作為傳感器的封裝層。隨后將其置于真空干燥箱60 ℃干燥2 h，固化后制得傳感器。

圖1 傳感器制備流程與制備樣品結(jié)果

從圖1（b）中可以看出，該傳感器的拉伸長(zhǎng)度可由初始的10 mm拉伸到20 mm，拉伸應(yīng)變達(dá)100%。圖1（c）為扭轉(zhuǎn)和彎曲狀態(tài)下的傳感器，表明該傳感器具有良好的拉伸性。圖1（d）顯示傳感器的厚度為422 μm。

1.3 導(dǎo)電填料比例對(duì)傳感器性能的影響

導(dǎo)電粒子的形貌和結(jié)構(gòu)是決定復(fù)合材料的導(dǎo)電性的重要因素。圖2為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的GR對(duì)GR／WPU層的性能影響，圖2（a）中插圖顯示GR／WPU層體積電阻率隨著導(dǎo)電填料的變化曲線圖，隨著導(dǎo)電填料的增加，體積電阻率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。綜合考慮GR／WPU層薄膜的導(dǎo)電性、拉伸性和表層規(guī)則裂紋制備的可行性，GR的質(zhì)量分?jǐn)?shù)選定為35%。圖2（b）為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CB對(duì)柔性應(yīng)變傳感器的特性影響，確定GR／WPU 層GR 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35 %的前提下，綜合考慮CB／WPU導(dǎo)電薄膜不僅要具備高拉伸性能還需要導(dǎo)電性，故CB／WPU 層導(dǎo)電填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)選定為3%。

圖2 傳感器最佳導(dǎo)電填料配比

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 傳感器的微觀表征

圖3 為柔性應(yīng)變傳感器的表面形貌掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）圖。圖3（a）為該傳感器的GR／WPU層在不同放大倍數(shù)下的SEM圖。圖3（b）為基于雙層導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的柔性應(yīng)變傳感器的橫截面SEM 圖，圖中可以清晰看到雙層導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。圖3（c）為傳感器表面的規(guī)則裂紋結(jié)構(gòu)的SEM圖。如圖3（c）所示，2 個(gè)裂縫之間的間距約為0.85 mm。

圖3 傳感器表面形貌SEM圖

2.2 傳感器的機(jī)理與仿真

假設(shè)R1和R0分別是GR／WPU 層和CB／WPU 層的初始電阻，L為傳感器的初始長(zhǎng)度。在初始狀態(tài)下傳感器的初始電阻為R1＝R0。其中，n為裂紋數(shù)，ε為應(yīng)變，ΔR為下層裂紋下各部分電阻的變化量。

產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)傳感器的電阻可表示為

靈敏度系數(shù)公式表達(dá)為

將式（1）代入式（2），即

由電阻率公式可得R＝ρL／S，將其代入式（3），即

式中ρ1，ρ2（假設(shè)ρ1和ρ2不變）分別為GR／WPU層和CB／WPU層的初始電阻率。S為該傳感器橫截面的面積（兩者截面積設(shè)為相等）。

拉伸前后傳感器的導(dǎo)電機(jī)理、應(yīng)力應(yīng)變仿真示意圖及電流密度仿真示意如圖4 所示。從圖4（a）中可以看出，在初始狀態(tài)下傳感器表面的裂紋縫隙過(guò)小可忽略不計(jì)，此時(shí)傳感器的導(dǎo)電路徑分布在GR／WPU 層表面。當(dāng)對(duì)其施加外部應(yīng)力時(shí)，傳感器表面規(guī)則裂紋的縫隙隨著外力的增加而擴(kuò)大，此時(shí)傳感器的導(dǎo)電路徑由GR／WPU層的底部流向CB／WPU層的頂部，再由CB／WPU 層的頂部流向GR／WPU層的頂部，整體沿著“S”形導(dǎo)電路徑流動(dòng)。圖4（b）為在施加10 N力時(shí)，敏感單元在2%和7%應(yīng)變下的應(yīng)力應(yīng)變模擬圖，當(dāng)施加外力時(shí)，應(yīng)力主要集中在裂紋處。圖4（c）為施加2%和7%應(yīng)力時(shí)不同視角的模擬電流密度，GR／WPU層和CB／WPU層的電導(dǎo)率分別設(shè)置為1 000 S／m和1 S／m。從圖4（c）中可以看出電流主要集中分布于裂縫處。

圖4 傳感器導(dǎo)電機(jī)理與有限元仿真

2.3 特性測(cè)試與性能分析

傳感器特性測(cè)試平臺(tái)如圖5 所示，利用電動(dòng)拉力測(cè)驗(yàn)機(jī)和直流電阻測(cè)驗(yàn)儀測(cè)試傳感器的動(dòng)、靜態(tài)特性。

圖5 傳感器特性測(cè)試平臺(tái)

傳感器的動(dòng)、靜態(tài)特性測(cè)試如圖6 所示。圖6（a）為基于不同導(dǎo)電層的柔性應(yīng)變傳感器在拉伸過(guò)程中相對(duì)電阻變化。基于上導(dǎo)電層（GR／WPU）的應(yīng)變傳感器顯示出高靈敏度，但僅拉伸到約2%時(shí)導(dǎo)電路徑斷裂，傳感器無(wú)法工作。而基于下導(dǎo)電層（CB／WPU）在拉伸率超過(guò)100%時(shí)仍保持良好的導(dǎo)電路徑，但GF卻小于9。對(duì)比下基于雙層導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的傳感器兼具高靈敏度和高拉伸性能。插圖為應(yīng)變傳感器在0%～40%應(yīng)變范圍內(nèi)的靈敏度系數(shù)為466，在40%～100%應(yīng)變范圍內(nèi)的靈敏度系數(shù)為1569。圖6（b）為傳感器在不同頻率下做5次加載-卸載循環(huán)的重復(fù)性測(cè)試，數(shù)據(jù)結(jié)果表明，該傳感器具有優(yōu)異的應(yīng)變隨動(dòng)特性和響應(yīng)能力。圖6（c）中的數(shù)據(jù)可得傳感器的響應(yīng)時(shí)間為86 ms。圖6（d）為傳感器以5 mm／s 的速度拉伸至40 %的狀態(tài)下將近1 000次的加載-卸載循環(huán)測(cè)試。表明該傳感器具備良好的循環(huán)耐久性和重復(fù)性。

圖6 傳感器動(dòng)、靜態(tài)特性測(cè)試結(jié)果

為傳感器的彎曲特性測(cè)試結(jié)果，S為20 mm（S為2 個(gè)位移臺(tái)的初始間距），半徑的計(jì)算公式為：R＝S／β。弦長(zhǎng)與彎曲角度的關(guān)系計(jì)算公式為

式中β為彎曲角度（這里使用彎曲角β來(lái)定義彎曲程度），d為弦長(zhǎng)。

圖7（a）為彎曲角度與弦長(zhǎng)的關(guān)系曲線，圖中曲線顯示彎曲角度隨弦長(zhǎng)的減小而增大。圖7（b）為硅橡膠基底的彎曲角度逐步階梯式增加20°時(shí)傳感器的響應(yīng)曲線，表明該傳感器具有良好的高穩(wěn)定性。測(cè)試結(jié)果表明，該傳感器能夠應(yīng)用于彎曲角度的檢測(cè)。

圖7 傳感器彎曲特性測(cè)試

3 應(yīng)用研究

3.1 ASL識(shí)別

手語(yǔ)是聽(tīng)障人士通過(guò)非語(yǔ)言進(jìn)行交流的重要方式，ASL在大多數(shù)語(yǔ)言學(xué)研究中被選為主要的手勢(shì)語(yǔ)言。

如圖8所示，可穿戴數(shù)據(jù)手套由5 只獨(dú)立的應(yīng)變傳感器集成在一只橡膠手套上制成。圖8（a）為ASL 字母的幾個(gè)預(yù)定義手勢(shì)（“C”、“A”、“U”、“S”和“K”），通過(guò)信息采集系統(tǒng)傳遞相應(yīng)的信號(hào)并進(jìn)行解釋（通過(guò)手勢(shì)演示ASL字母，測(cè)量每根手指不同彎曲狀態(tài)下的相對(duì)電阻。通過(guò)設(shè)置拉直、半彎曲和完全彎曲狀態(tài)的相對(duì)電阻，并與相應(yīng)的字母匹配。如圖8（b）所示，通過(guò)執(zhí)行預(yù)定義手勢(shì)，5根手指在不同的彎曲狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)?？纱┐鲾?shù)據(jù)手套是一種互動(dòng)設(shè)備在機(jī)器人和虛擬現(xiàn)實(shí)中有助于精細(xì)運(yùn)動(dòng)的控制。

圖8 ASL識(shí)別

3.2 微表情識(shí)別

該傳感器還可用于情緒監(jiān)測(cè)，將傳感器貼合于受試者的眼角和嘴部附近的皮膚上，用于監(jiān)測(cè)受試者在情感表達(dá)期間由于肌肉運(yùn)動(dòng)引起的微小應(yīng)變。圖9 為受試者在開(kāi)心和傷心時(shí)不同位置的相對(duì)電阻變化。圖9（a）為受試者大笑時(shí)，眼角處傳感器的相對(duì)電阻值最高峰值約為2.8，嘴部附近的值約為14，貼合在眼角和嘴部附近皮膚上的傳感器的特征值有較大差別。受試者大笑時(shí)不同部位的峰值差是肌肉收縮幅度不一致導(dǎo)致的。相較之下，眼角的肌肉僅輕微收縮。圖9（b）為受試者哭泣時(shí)，連接在眼角和嘴邊的傳感器的相對(duì)電阻變化。眼角處最高峰值幾乎為4，靠近嘴部皮膚上的傳感器的最高峰值要低于大笑時(shí)，約為7。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器具有監(jiān)測(cè)包括眼瞼周圍、嘴部附近和眼角附近的肌肉在內(nèi)的眼部肌肉收縮引起的微小應(yīng)變的能力。在人機(jī)交互及虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。

圖9 柔性應(yīng)變傳感器的面部情緒識(shí)別應(yīng)用

4 結(jié) 論

為了解決高靈敏度和高拉伸性這兩種性能難以在一種柔性應(yīng)變傳感器中平衡存在的問(wèn)題，本文提出了一種基于雙層導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的柔性應(yīng)變傳感器。研究傳感器的導(dǎo)電填料比例、結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電機(jī)理、動(dòng)靜態(tài)和彎曲特性。設(shè)計(jì)信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理；此外，基于該傳感器設(shè)計(jì)了一種智能可穿戴ASL解釋系統(tǒng)，同時(shí)也對(duì)人類面部情緒識(shí)別進(jìn)行了研究。傳感器的高度綜合性能使其在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、人體健康監(jiān)測(cè)、柔性機(jī)器人皮膚等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。