一种压电压阻双层复合柔性触觉传感单元的制备及测试研究

摘要

触觉是自然界多数生物从外界环境获取信息的重要形式之一，也是人类的基本感知能力之一。一些肢体残疾的人群必须通过植入触觉感知器的假肢手去重新获取这种能力。随着触觉传感技术和机器人智能的快速发展，模拟人手功能的触觉传感器近年来已成为研究的热点。国内外研究者基于不同的传感原理、利用不同的敏感材料已成功研制了一批性能优越的触觉传感器，但他们都有各自的局限性。本文的研究目的就是根据人手感知机理和目前传感器的发展趋势，设计制备一种新型的、柔性的、能同时实现动静态检测的触觉传感单元。文章提出了一种人手感知简化模型，基于此模型利用压电材料和压阻材料制备双层薄膜复合的柔性触觉敏感单元。
　　本文对压电材料和压阻聚合物材料的发展和应用有了较深入的研究，着重解释了压电材料的传感原理和高分子复合材料的导电机理，并分析其影响因素，从而选择了合适的敏感材料，并设计了详尽的制备流程。针对柔性触觉传感单元的压电层选用PVDF聚合物，因其极化效果不理想，改进后采用自发极性的铁电共聚物P(VDF-TrFE)粉末，利用旋转涂覆法制备;针对压阻层，选用MWNT/PU复合材料，PU是基底，MWNT为导电填料，通过有机溶剂DMF互溶聚合。先经过纯的MWNT薄膜样本制备测试证实了其优良的压阻性能，并提出体现压阻灵敏度的Gaugefactor的计算方法，后又通过在强酸化学修饰得到了能够稳定分散在基底中的MWNT-OH。并根据渗流模型分析计算得到MwNT的掺杂浓度，设计了直接溶剂蒸发法制备成膜。将双层膜结构连接电极，用PDMS高弹体封装，即得到了柔性的传感单元。
　　本文对制得的传感单元进行了多项电性能测试实验。测试结果显示该传感单元压电灵敏度好，频域时域信号输出准确;压阻灵敏度不高，但能线性度好，力敏性尚可。针对实验测试结果提出了改进方案和今后研究展望。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 基于压电聚合物的触觉传感器

1．2．2 压阻式触觉传感器

1．2．3 电容式触觉传感器

1．3 触觉传感器的发展趋势

1．4 本文研究的主要内容

1．5 本章小结

第二章 人手触觉机理分析和简化模型

2．1 人手触觉机理分析概要

2．2 触觉传感单元简化模型——压电压阻双层薄膜结构

2．3 本章小结

第三章 柔性触觉传感单元敏感材料的选择及导电机理分析

3．1 压电层材料的选择——PVDF聚合物

3．1．1 压电材料的发展

3．1．2 PVDF压电材料传感原理

3．2 压阻层材料的选择——MWNT／PU导电复合材料

3．2．1 多壁碳纳米管(MWNT)简介

3．2．2 纯MWNT薄膜的压阻效应

3．2．3 复合材料的导电机理及压阻效应

3．2．4 影响复合材料导电性能的因素

3．3 封装材料的选择——PDMS聚合物

3．4 其他化学试剂

3．5 本章小结

第四章 柔性触觉传感单元的制备

4．1 压电层-PVDF压电薄膜的制备

4．2 压阻层-MWNT／PU复合材料薄膜的制备

4．2．1 MWNT的分散实验

4．2．2 MWNT／PU复合压阻膜的制备

4．3 电极制作和双层结构封装

4．4 本章小结

第五章 柔性触觉传感单元电性能测试和结果分析

5．1 压电性能测试

5．1．1 灵敏度

5．1．2 时域动态特性

5．1．3 频域动态特性

5．2 压阻性能测试

5．3 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 研究总结

6．2 展望

参考文献