用于人體運動監測的雙層柔性應變傳感器

朱雅倩，汪鵬飛，李育文，黃 英，劉彩霞

（合肥工業大學微電子學院，安徽 合肥 230601）

0 引 言

近年來，隨著人工智能（artificial intelligence，AI）的發展，人類對基于柔性應變傳感器的智能可穿戴設備的需求也隨之增長。柔性應變傳感器因其價格低廉、制作工藝簡單，結構簡單、靈敏度高等特點受到大量學者的廣泛關注［1～3］。文獻［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、寬應變范圍和良好穩定性能的應變感應功能織物。該傳感器應變范圍為0%～60%，最大靈敏度系數（gauge factor，GF）為55.2；文獻［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變傳感器性能好壞的2個重要參數，對傳感器的應用具有重要意義。例如，監測人類脈搏、心跳等生理活動引起的微小應變時需要傳感器具有高靈敏度系數［6，7］，實時監測手指關節和膝關節運動時，則需要拉伸范圍超過50 %的柔性應變傳感器［8～10］。然而從現階段的大多數研究結果可以看出，高靈敏度和高拉伸性這兩種性能很難在一種柔性應變傳感器中平衡存在［11］。傳感器如果需要同時具備高靈敏度、高拉伸性和高穩定性等性能，則需要引進更加先進的技術和制備方法，對目前傳感器研究領域來說這是一個巨大的挑戰。

基于目前柔性應變傳感器所存在的問題，本文中提出了一種基于雙層導電層結構的柔性應變傳感器。選取環保性、穩定性和機械性能優異的WPU［12］為基底，具備高導電性的石墨烯［13］和低成本的炭黑為導電填料。通過使用逐層（layer by layer，LBL）組裝技術和激光鋼網模具在傳感器表層制造出規則裂紋結構實現具有高靈敏度和寬工作范圍的柔性應變傳感器。

基于該傳感器設計了一種智能可穿戴美國手語（American sign language，ASL）解釋系統，同時也對人類面部情緒識別進行了研究。研究結果表明，傳感器的這種高度的綜合性能使其在運動檢測、人體健康監測、柔性機器人皮膚等方面具有廣闊的應用前景。

1 柔性傳感單元研制

1.1 實驗材料

本文所使用的炭黑（carbon black，CB）-3100 由SPC 化學公司提供，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）由成都有機化工有限公司提供，純度＞99.50%質量分數，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；無水乙醇（ACS，純度＞99.50%）由阿拉丁工業公司提供。

1.2 傳感器制備

傳感器制備流程與制備樣品結果如圖1 所示，主要可分為以下4個步驟：1）在室溫下，將0.06 g CB 混入10 mL的無水乙醇中，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 高電阻漿料通過激光鋼網模涂覆在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%的應變，以形成均勻的裂紋。4）在每個樣品兩端涂覆導電銀膠并在兩端引出導電銀布用作傳感器電極。待導電銀膠固化后，將聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）預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果

從圖1（b）中可以看出，該傳感器的拉伸長度可由初始的10 mm拉伸到20 mm，拉伸應變達100%。圖1（c）為扭轉和彎曲狀態下的傳感器，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 導電填料比例對傳感器性能的影響

導電粒子的形貌和結構是決定復合材料的導電性的重要因素。圖2為不同質量分數的GR對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電填料的變化曲線圖，隨著導電填料的增加，體積電阻率呈現逐漸下降的趨勢。綜合考慮GR／WPU層薄膜的導電性、拉伸性和表層規則裂紋制備的可行性，GR的質量分數選定為35%。圖2（b）為不同質量分數CB對柔性應變傳感器的特性影響，確定GR／WPU 層GR 的質量分數為35 %的前提下，綜合考慮CB／WPU導電薄膜不僅要具備高拉伸性能還需要導電性，故CB／WPU 層導電填料的質量分數選定為3%。

圖2 傳感器最佳導電填料配比

2 實驗結果

2.1 傳感器的微觀表征

圖3 為柔性應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層在不同放大倍數下的SEM圖。圖3（b）為基于雙層導電結構的柔性應變傳感器的橫截面SEM 圖，圖中可以清晰看到雙層導電結構。圖3（c）為傳感器表面的規則裂紋結構的SEM圖。如圖3（c）所示，2 個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 傳感器的機理與仿真

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

產生應變時傳感器的電阻可表示為

靈敏度系數公式表達為

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（兩者截面積設為相等）。

拉伸前后傳感器的導電機理、應力應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，在初始狀態下傳感器表面的裂紋縫隙過小可忽略不計，此時傳感器的導電路徑分布在GR／WPU 層表面。當對其施加外部應力時，傳感器表面規則裂紋的縫隙隨著外力的增加而擴大，此時傳感器的導電路徑由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”形導電路徑流動。圖4（b）為在施加10 N力時，敏感單元在2%和7%應變下的應力應變模擬圖，當施加外力時，應力主要集中在裂紋處。圖4（c）為施加2%和7%應力時不同視角的模擬電流密度，GR／WPU層和CB／WPU層的電導率分別設置為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 傳感器導電機理與有限元仿真

2.3 特性測試與性能分析

傳感器特性測試平臺如圖5 所示，利用電動拉力測驗機和直流電阻測驗儀測試傳感器的動、靜態特性。

圖5 傳感器特性測試平臺

傳感器的動、靜態特性測試如圖6 所示。圖6（a）為基于不同導電層的柔性應變傳感器在拉伸過程中相對電阻變化?；谏蠈щ妼樱℅R／WPU）的應變傳感器顯示出高靈敏度，但僅拉伸到約2%時導電路徑斷裂，傳感器無法工作。而基于下導電層（CB／WPU）在拉伸率超過100%時仍保持良好的導電路徑，但GF卻小于9。對比下基于雙層導電結構的傳感器兼具高靈敏度和高拉伸性能。插圖為應變傳感器在0%～40%應變范圍內的靈敏度系數為466，在40%～100%應變范圍內的靈敏度系數為1569。圖6（b）為傳感器在不同頻率下做5次加載-卸載循環的重復性測試，數據結果表明，該傳感器具有優異的應變隨動特性和響應能力。圖6（c）中的數據可得傳感器的響應時間為86 ms。圖6（d）為傳感器以5 mm／s 的速度拉伸至40 %的狀態下將近1 000次的加載-卸載循環測試。表明該傳感器具備良好的循環耐久性和重復性。

圖6 傳感器動、靜態特性測試結果

為傳感器的彎曲特性測試結果，S為20 mm（S為2 個位移臺的初始間距），半徑的計算公式為：R＝S／β。弦長與彎曲角度的關系計算公式為

式中β為彎曲角度（這里使用彎曲角β來定義彎曲程度），d為弦長。

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

圖7 傳感器彎曲特性測試

3 應用研究

3.1 ASL識別

手語是聽障人士通過非語言進行交流的重要方式，ASL在大多數語言學研究中被選為主要的手勢語言。

如圖8所示，可穿戴數據手套由5 只獨立的應變傳感器集成在一只橡膠手套上制成。圖8（a）為ASL 字母的幾個預定義手勢（“C”、“A”、“U”、“S”和“K”），通過信息采集系統傳遞相應的信號并進行解釋（通過手勢演示ASL字母，測量每根手指不同彎曲狀態下的相對電阻。通過設置拉直、半彎曲和完全彎曲狀態的相對電阻，并與相應的字母匹配。如圖8（b）所示，通過執行預定義手勢，5根手指在不同的彎曲狀態產生相應的信號?？纱┐鲾祿痔资且环N互動設備在機器人和虛擬現實中有助于精細運動的控制。

圖8 ASL識別

3.2 微表情識別

該傳感器還可用于情緒監測，將傳感器貼合于受試者的眼角和嘴部附近的皮膚上，用于監測受試者在情感表達期間由于肌肉運動引起的微小應變。圖9 為受試者在開心和傷心時不同位置的相對電阻變化。圖9（a）為受試者大笑時，眼角處傳感器的相對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。受試者大笑時不同部位的峰值差是肌肉收縮幅度不一致導致的。相較之下，眼角的肌肉僅輕微收縮。圖9（b）為受試者哭泣時，連接在眼角和嘴邊的傳感器的相對電阻變化。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，約為7。實驗結果表明，該傳感器具有監測包括眼瞼周圍、嘴部附近和眼角附近的肌肉在內的眼部肌肉收縮引起的微小應變的能力。在人機交互及虛擬現實等領域有著巨大的應用潛力。

圖9 柔性應變傳感器的面部情緒識別應用

4 結 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變傳感器中平衡存在的問題，本文提出了一種基于雙層導電結構的柔性應變傳感器。研究傳感器的導電填料比例、結構與導電機理、動靜態和彎曲特性。設計信號采集系統對信號進行實時處理；此外，基于該傳感器設計了一種智能可穿戴ASL解釋系統，同時也對人類面部情緒識別進行了研究。傳感器的高度綜合性能使其在運動檢測、人體健康監測、柔性機器人皮膚等方面具有廣闊的應用前景。