基于PVDF的压电触觉传感器的研究进展

触觉是人类通过皮肤感知外界环境的一种形式,如感知来自外界的温度、湿度、压力、振动等,以及感受目标物体的形状、大小、材质、软硬程度等[1].皮肤的感知只能定性而非定量检测,而触觉传感器不仅可以模仿人类皮肤的功能,还可以将外部信息定量地转化为电信号,从而实现更为精确的检测和识别功能.近些年,随着材料科学、柔性电子和纳米技术的飞速发展,触觉传感器的灵敏度、量程和空间分辨率等性能得到迅速的提升,已广泛应用于工业机器人、智能假肢和便携式电子产品领域,特别是柔性化触觉传感器在未来的人机交互系统、智能机器人、移动医疗等领域展现出巨大的应用前景.因此,新型柔性化触觉传感器已成为触觉传感器的重要研究方向,并将朝向更加柔性化、集成小型化、智能化、多功能化和人性化方向发展.

按传感机制的不同,柔性触觉传感器通常分为电阻式[2- 3]、电容式[4- 6]、压电式[7- 10]、电感式[11- 12]、电磁式[13- 14]和光电式[15- 17]等类型.因传感原理的不同,其性能有自身的优势和不足.电阻式、电容式、压电式是目前关注最多、应用最广的3类.电阻式触觉传感器是利用材料的压阻效应来感知外界的压力、应力等触觉信息.早期的电阻式触觉传感器通常将导电颗粒填充到绝缘聚合物中[18],在外力作用下使导电颗粒间分立,复合材料的电阻率发生变化而呈现压阻效应.Tian等[19]研制出的石墨烯应变传感器呈现出良好的线性响应和循环稳定性,对该传感器的研究发现,石墨烯薄膜在外部压力下边缘会形成微小裂缝,从而导致薄膜电阻增大,表现为压阻效应.近期,基于导电聚合物[20]、金属颗粒[21]、碳纳米管[22]、还原性氧化石墨烯[23]等新材料的电阻式触觉传感器的研究也时有报道.电阻式触觉传感器虽然大都呈现出高敏感性和宽量程的特点,但普遍存在长期稳定性和耐久性较差、迟滞效应明显、需要外部供电等问题,从而制约其高端应用[24- 26].与电阻式相比,电容式传感器具有高敏感性、低能耗、不依赖温度等优势[27- 28].电容式触觉传感器是基于平行板电容器原理,即机械应力使电容器发生几何形变,通过测量电容值就可得到施加应力大小.使用弹性模量小的介电层材料,如聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体[29]、发泡弹性体[30]、织物电介质层[31]、纯净的空气[32]等,可以显著提高传感器的柔性和灵敏度,是目前电容式触觉传感器的研究热点.Schwartz等[33]将 PDMS微结构作为有机薄膜晶体管(OTFT)的栅介质层制作了柔性电容传感器,具有8.4 kPa-1的高灵敏度和小于1 mW的低功耗特性,同时实现了高灵敏度、信号传导和信号放大3种功能.但是,电容式传感器普遍存在寄生电容、电磁干扰和阵列单元间的邻近串扰等现象而影响其性能.压电式触觉传感器利用材料的压电效应来获得触觉信息,具有高灵敏度、动态响应、低能耗甚至自供能等优势,在发展快速动态响应、低能耗、自供能的柔性触觉传感器方面具有独特的优势,已成为柔性触觉传感器的重要研究方向之一[34- 35].虽然传统的压电材料石英和钛酸锆铅(PZT)基陶瓷等因其优异的压电特性而获得广泛的应用,但易脆性使其难以满足可穿戴式触觉传感器对高韧性的要求.为此,一些新型的压电材料被发现,以取代生产上的传统材料,如聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)、有机复合PZT、纳米结构ZnO和MoS2等[36- 39].其中,PVDF和PVDF-TrFE具有介电常数低、柔性好、机械强度高、声阻抗易匹配、频响范围宽、能抗化学性和腐蚀性等优点,且易形成大面积形状复杂的薄膜,被认为是最有前途的柔性压电式触觉传感器候选材料之一[40].

1 PVDF触觉传感器原理及制作工艺

1.1 PVDF触觉传感器的工作原理

基于PVDF的压电触觉传感器利用外部正压力、横向应变、剪切力或振动等机械刺激使电极两端产生压电势来实现检测和识别功能,其敏感单元的基本结构由上电极、PVDF薄膜和下电极组成[41],如图1所示.当有正压力施加在PVDF薄膜表面时,薄膜向下弯曲的瞬间产生压电电荷,并积累在上、下电极两端产生电势差.当压力释放后,PVDF薄膜快速恢复至无电荷状态.当PVDF薄膜上施加一个恒定的压力时,两端的压电电荷会因压电薄膜漏电而逐渐减小到0.这表明PVDF薄膜无法测量静态力,但却对动态力的变化十分敏感,所产生的电荷与施加的压力成正比.如图2所示,PVDF压电薄膜通常有3个轴向:机械拉伸轴、横向拉伸轴、极化轴.由于电极一般在上下表面,所以电荷只能沿极化轴方向传输,而力可以施加在任何轴向.沿极化轴方向施加压力(考虑薄膜厚度)时,薄膜产生的压电电荷(Q1)与施加压力(F)之间的关系为

Q1=d33F

(1)

式中,d33为极化轴方向的压电常数.同理,沿机械拉伸轴方向拉伸薄膜产生的压电电荷(Q2)与施加压力(F)之间的关系为

(2)

式中:d31为机械拉伸轴方向的压电常数;A=Ll,s=lt,L为薄膜横向宽度,l为薄膜长度,t为薄膜厚度.

由式(1)和(2)可知,当PVDF触觉传感器受到外界的作用(与物体之间产生接触力和滑移等)时,将在两个电极端产生对应的压电电荷,通过电荷放大器将电荷信号转换为电信号.因此,根据采集到的电信号可得知物体表面的几何性质和材料性质等有效信息[15].

图1 PVDF压电触觉传感器基本结构[41]
Fig.1 Basic structure of PVDF-based piezoelectric tactile sensor

图2 PVDF薄膜的轴向定义
Fig.2 Axis definition of PVDF film

1.2 PVDF触觉传感器的制作工艺

PVDF触觉传感器的核心工艺是PVDF薄膜的制备,制备方法包括真空蒸镀法、溶液流延法、压膜法、溶胶凝胶法、旋涂法和静电纺丝法等.其中旋涂法和静电纺丝法是实验室制备PVDF薄膜常用的两种主要方法.旋涂法具有薄膜厚度可控、高性价比、节能、低污染等优势[42].静电纺丝法则是一种简单、低成本、多功能的技术,广泛用于制造长而连续的微/纳米级纤维[43- 44],其工艺原理如图3所示[45].在电源施加的高压电场作用下,注射泵里的PVDF聚合物溶液或熔体表面产生电荷,并受到电场力和表面张力的共同作用,在电纺的针头形成一个圆锥形液滴,称之为泰勒锥.如果持续增加电压,带电的锥形液滴克服表面张力,逐渐拉长变细,突破锥顶而射向收集基底,最后形成PVDF纤维状薄膜.通常,制备完成的PVDF薄膜中大多是螺旋式的非极性α相,结构稳定却不具有压电性,需要对薄膜施加拉伸应力或外加高强度电场,让PVDF聚合物中杂乱取向的分子偶极矩沿特定的方向取向一致,从而形成压电性能良好的β相,具体的转化方法包括高压结晶法[46]、电场极化法[47]、单轴或双轴拉伸法[48- 49]、表面电荷法[50]、热极化法[51]和电晕极化法[52]等.除了极化方法外,极化过程中电场大小、温度、时间等都会影响获得β相的含量,从而影响PVDF薄膜的压电特性.真空蒸镀和光刻是制备PVDF触觉传感器电极的传统方法,过程复杂耗时且成本高.为了进一步简化电极制备工艺和降低成本,3D打印、喷墨打印、丝网印刷等新型薄膜技术被广泛应用在阵列式PVDF触觉传感器制备中.Li等[53]通过将柠檬酸铜水溶液和硼氢化钠溶液同时喷墨打印的方法在PVDF薄膜上氧化还原生成铜导线.Lee等[54]采用喷墨打印在PVDF/ZnO复合薄膜上制备rGO电极,从而提高触觉传感器的灵敏度.Khan等[55]通过印刷PVDF-TrFE/多壁碳纳米管(MWCNTs)纳米复合材料和打印银电极的方法制作了大面积柔性化压力传感器阵列.

图3 静电纺丝工艺原理图[45]
Fig.3 Schematic diagram of the electrospinning process

2 PVDF触觉传感器的研究进展

1969年Kawai[56]首次报道PVDF具有压电特性,随后PVDF压电薄膜因具有优异的性能而在触觉传感器领域受到广泛的关注,已成为目前的研究热点之一.多年来,科研人员一直围绕着PVDF薄膜压电性能的优化、器件结构的改进、器件集成化、柔弹性化、仿生化等方面不断提升和完善其性能,以拓展其应用领域.

2.1 PVDF触觉传感器压电性能的优化

与无机压电材料(如PZT等)相比,PVDF的压电系数相对较小,大大限制了其高端应用.近些年，学术界和产业界一直在探索提高PVDF压电系数的有效方法,在PVDF中加入三氟乙烯(TrFE)制备的PVDF-TrFE共聚物薄膜呈现出更好的压电响应、更大的工作频率范围和优良的拉伸性能[57].Sharma等[58]制作的基于PVDF-TrFE导管式压力传感器有着比普通传感器高4倍的灵敏度(99 μV/mmHg)和短5倍的响应时间(0.26 s).未来,PVDF-TrFE共聚物在压电传感器[59]、应力传感器[60]、触觉传感器[54]、发电机[61]、加速器[62]等领域都具有潜在的应用.

PVDF和纳米结构材料的杂化也是提高PVDF触觉传感器压电性能的有效途径[63].研究表明,在PVDF中加入石墨烯、碳纳米管、单壁碳纳米管以及粘土等材料作为晶核,可以提高PVDF聚合物中β相的含量[64- 65],从而改善压电特性和提高传感器的性能.例如,Yu等[66]将多壁碳纳米管(MWCNTs)作为纳米填料加入到PVDF络合物中,有效改善了PVDF纳米纤维的β相组成,添加5%(质量分数) MWCNTs的传感器对应的最大输出电压是未添加时的3倍.Lou等[67]利用PVDF-TrFE/rGO复合纤维网络制作出柔性压力传感器,相比单一PVDF及其共聚物材料的传感器,其性能大幅提升,灵敏度达15.6 kPa-1,响应速度达5 ms,检测极限低至1.2 Pa.

另外,将PVDF高聚物材料与无机陶瓷材料相结合,制备出的复合膜可以成倍提升PVDF触觉传感器的压电性能.Gupta等[68]将BaTiO3和PVDF-TrFE混合,使PVDF-TrFE压电系数提高至222 pC/N,且仍保持了良好的柔韧性.Deng等[69]研制的基于PVDF/ZnO纳米纤维(CPZNs)的自供电压电传感器(PES)可在弯曲和按压两种模式下工作,显示出0.33 V/(kPa)的超高灵敏度和16 ms的高速响应.Li等[70]在PVDF纳米纤维中掺入纳米AuNCs,采用静电纺丝技术制备出复合压电膜,器件的压电性能较未添加时提高了近10倍.总体而言,采用有机/无机压电材料共混制备的复合压电薄膜克服了无机陶瓷材料自身的脆性和聚合物材料的温度限制,且具备高柔韧性和高灵敏度.

2.2 PVDF触觉传感器的微结构化

从材料角度对PVDF薄膜的改性极大地提高了触觉传感器的压电性能和灵敏度,但在实际应用时往往不仅要识别力的大小,还要辨别力的方向和位置,对触觉传感器器件微结构的合理设计已被证实为一种有效的解决方案.Dargahi[71]设计了一种由3片PVDF薄膜构成的触觉传感器(如图4所示).外力位置到PVDF薄膜的距离和施加在压电薄膜上的应力成反比,从3片压电薄膜上分别得到不同的位置曲线,3条曲线的交点即是外力的位置和大小.这种三单元传感器克服了传感元件之间的串扰问题,避免了复杂的阵列结构设计.

图4 三单元触觉传感器的结构[71]
Fig.4 Structure of three-element tactile sensor

通常,二维平面三明治结构的传感器难以实现真正的三维立体测量,为了获取物体的边缘孔径、表面方向性和相关尺寸等信息,将敏感元件设计为各种微结构,不仅有助于提高灵敏度,而且可获得物体表面的三维信息.Li等[72]研发了一种模具转移技术和局部直流极化技术,用PVDF-TrFE薄膜制作出圆顶和凹凸的微结构,成功开发出串扰小、结构多变、灵敏度高的触觉传感器.实验结果显示,凹凸形和圆顶形结构的传感器可测量的最小力分别达40 mN和25 mN.Kim等[73]开发了一种充气膨胀技术用于制备带小圆顶的PVDF薄膜,并成功制作出具有立体结构的触觉传感器,结构如图5所示.相比于平面结构,该传感器具有更高的灵敏度和更小的串扰效应,但存在PVDF压电薄膜层附着力差的不足.现有的微结构触觉传感器往往需要精细的纳米结构设计和加工工艺,过程复杂且昂贵,器件性能稳定性差.结构多样、机械灵活性好、生物兼容的PDMS微结构用在触觉传感器中,不仅可以增大传感器与物体的接触面积、检测微小力和提高传感器的响应速率,还能降低PVDF触觉传感器的工艺难度.Chuang等[74]制作了一种夹层结构的柔性触觉传感器,由PDMS微结构、聚苯乙烯(PS)制成的上下软基和软基间的PVDF压电阵列构成.该结构传感器的灵敏度较没有PDMS微结构的压电触觉传感器提高了约30%.近期,Yu等[75]提出了一种动态三轴PVDF柔性触觉传感器,其新颖之处是在PVDF薄膜上制作了金字塔形状的PDMS微结构,这种微结构可改善力的传递,从PDMS微结构传递的三轴接触力引起4个PVDF压电电容的电荷变化,可计算出力的法向分量和剪切分量.

图5 圆顶形触觉传感器阵列及结构示意图[75]

Fig.5 Array and structure diagram of dome-shaped tactile sensor

2.3 PVDF触觉传感器的集成化

PVDF触觉传感器单元采集到的信号通常极为微弱,需要利用低噪声高增益前置放大器将信号放大后输入到后端处理电路.因此,采用触觉传感器单元与前置放大电路集成对提高传感器信噪比、抗干扰等性能具有重要的价值.2009年,Dahiya等[76]设计制作了一种压电式氧化物半导体场效应晶体管(POSFET),通过在金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的栅极上旋涂一层约2.5 μm厚的PVDF-TrFE来实现PVDF触觉敏感单元与MOSFET的集成,结构如图6所示.该传感器在0.1～5.0 N动态正压力(正弦,20 Hz)作用下呈现出良好的线性响应,灵敏度为50 mV/N.近年,薄膜晶体管(TFT)技术的发展与成熟,使得PVDF触觉传感器与TFT的组合也成为一种新的低成本集成化技术.Maita等[77]研制出基于低温多晶硅TFT的柔性触觉传感器(POSTFT),其结构如图7所示.该集成传感器在200 Hz频率下的灵敏度可达430 mV/N,且具有线性响应好、超薄、柔性化、弯曲稳定性好等优点.Spanu等[78]采用PVDF传感器单元和有机薄膜晶体管(OTFT)集成研制出高灵敏度、超低工作电压的基于浮栅OTFT的PVDF触觉传感器,其结构如图8所示.该传感器特别适合微小力的探测,可以测量小至20 mN(对应300 Pa)的正压力,在20～240 Hz工作频率范围具有良好的稳定性.该集成传感器为制备大面积、集成化的柔性触觉传感器提供了新的思路.最近,Chuang等[79]将PVDF压电敏感单元与TFT阵列集成,研制出一种基于压电换能器原理的触觉传感器,可以实现高分辨率的形状识别和力测量,在1～6 N压力范围内该触觉传感器对法向应力有线性响应.

图6 压电式氧化物半导体场效应晶体管[76]

Fig.6 Piezoelectric oxide semiconductor field effect transistor

图7 压电式氧化物半导体薄膜晶体管[77]
Fig.7 Piezoelectric oxide semiconductor thin film transistor

图8 带浮栅结构的有机电荷调制场效应晶体管[78]

Fig.8 Organic charge-modulated field effect transistor with floating gate structure

2.4 PVDF触觉传感器的柔弹性化

近年,以电子皮肤为代表的可穿戴设备在全球范围内加速发展,成为新的经济增长引擎.电子皮肤是一种让机器人产生触觉的感知系统,在智能制造、医疗、人机交互等领域显示出广阔的应用前景.电子皮肤通常需要对弯曲、延展、挤压、扭转等各种形变产生触觉感知,因此,电子皮肤的高柔性和高弹性显得至关重要.PVDF触觉传感器因其独特的柔韧性特别适合于制作电子皮肤.2013年,Seminara等[80]以柔性PCB板为基底,PVDF压电薄膜为敏感单元,研制出基于PVDF薄膜的可扩展分布式触觉传感器阵列,实现了触觉传感器阵列在大范围平面上的覆盖,其结构如图9所示.实验结果表明,该传感器在1 Hz～1 kHz频率范围内的输出电荷与施加应力呈线性响应.Miki等[81]采用RIE刻蚀的方法制作了非连通的PVDF微结构触觉传感器,可以有效地解决传感器阵列中相邻电极间因串扰而引起的分辨率下降问题,用作电子皮肤时显示出更高的灵敏度和更高的分辨率.

图9 基于PVDF压电聚合物的柔性触觉传感器阵列结构图[80]

Fig.9 Structure of a flexible tactile sensor array based on PVDF piezoelectric polymer

真实的人类皮肤实际上是高度复杂的传感器网络,可以感知温度、压力等多重信息.为了使触觉传感器更加接近人类皮肤,开发高柔性、多功能、高灵敏度的触觉传感器是电子皮肤领域的主要研究方向.He等[82]将PVDF和四角针状ZnO(T-ZnO)纳米材料混和,在柔性织物衬底上研制出一种集自供电、自清洁、触觉传感、气体探测为一体的多功能传感器,如图10所示.将传感器弯曲相同角度(57°)时,纯PVDF/织物衬底和T-ZnO/PVDF/织物衬底的压电电压分别为0.18和0.23 V.该传感器还对氧气和湿度敏感.虽然这仍不是模拟真实人类皮肤的最佳方案,但这种新颖的多功能、高柔性及可自供电的触觉传感促进了电子皮肤领域的发展.

图10 基于PVDF压电聚合物的柔性触觉传感器阵列结构[82]

Fig.10 Structure of a flexible tactile sensor array based on PVDF piezoelectric polymer

为了能够覆盖于机器人等载体复杂的三维表面和活动关节,触觉传感器还必须具有高弹性和可拉伸性,如何确保其在大拉伸状态下仍能正常工作是研究的重点与难点之一.Yu等[83]通过静电纺丝和原位聚合技术制备了一种图案化PANI/PVDF纳米纤维应变传感器.由于图形化结构的存在,该传感器的拉伸率可达110%,比普通无纺织布高出2.6倍,手指感应以及按压测试都显示出较快的响应时间和良好的恢复性,在1 000次折叠后仍表现出良好的耐久性.Ahn等[84]提出并制作了一种既能做压电能量采集器又能做触觉传感器的自供电传感器阵列,采用弹性导管、PVDF带和PI带编织成5×5传感器阵列,面积为9 cm×9 cm.作为触觉传感器工作时,该传感器具有高灵敏度和高灵活性.

2.5 PVDF触觉传感器的仿生化

目前,一些高性能触觉传感器已具备人和动物的部分触觉感知功能,可以不断地从环境中获取信息并且重建与环境的联系,在仿生传感器方面得到一定的应用,可挖掘潜力巨大.研究表明,训练过后的啮齿类动物可以利用胡须来辨别纹理的细密程度.Tiwana等[85]利用这一原理研制出一种新型的基于PVDF的鼠须触觉传感器.该传感器体积小且具有生物兼容性,在5～236 Hz频率下工作时可以辨别不同的纹理.Koç等[86]从壁虎、蜘蛛等昆虫的四肢触觉传感中得到灵感,成功研制出PVDF压电薄膜与PDMS集成的垂直纤维阵列传感器,可以模仿这类昆虫吸附在物体表面得到触觉信息的行为.人类手指具有复杂的触觉传感阵列,能够同时感知冲击、振动和触摸等信息.为使触觉传感器具有人类手指的功能,Yi等[87]利用PVDF薄膜、PDMS层和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)块研制出人工指尖,能够有效地进行表面粗糙度的识别.

3 PVDF触觉传感器的应用

PVDF触觉传感器正处于快速发展过程中,近年来在机器手、微创手术(MIS)、健康监测、仿生学、智能假肢、人机交互、能量采集及表面探测等领域都表现优异,应用领域不断拓展.利用PVDF和3D打印技术制作的智能假耳[88],使用PVDF薄膜制作的可识别手势的腕式触觉传感器[89],基于PVDF的人机交互手套,将PVDF和聚吡咯(PPY)结合的人造肌肉纤维[90],都是 PVDF触觉传感器研究逐渐深入化和前沿化的证明,这些研究亦不断扩宽着PVDF触觉传感器的未来发展空间.下面着重从机器手、微创手术、健康监测3个方面介绍PVDF触觉传感器的具体应用.

3.1 PVDF触觉传感器应用于机器手

作为人工智能技术的代表,机器人已广泛应用于智能制造、医疗、交通、安保等众多领域,而作为机器人的关键组件,机器手通常被要求像人一样可完成各种抓取、旋转、弯曲物体等任务.为了完成高难度的手部动作,机器手必须配备高性能的触觉传感器[91],这也是机器人感知功能的重要组成部分.由于PVDF仅可用于感应动态力,为了同时获得动态力和静态力,Choi等[92]研制出PVDF压电薄膜和压阻薄膜相结合的多模态传感器(如图11所示),并利用该传感器开发出一种被称为SKKU Hand II的机器手,其外形与人手极为相似.其中,内部的PVDF触觉传感器检测滑移开始时的动态力,压阻薄膜则检测接触后的法向力和位置.Yan等[93]利用形状记忆合金和PVDF压电薄膜研制出一款能够抓取柔软、易变形或是光滑的物体的夹持器,还可以将收集的信息进行触觉反馈.Chuang等[94]研制出基于PVDF薄膜的柔性触觉传感器,与机器手集成用于检测滑动和接触.柔性触觉传感器也广泛应用于交互式人机界面(iHMI),作为连接人和机器人的桥梁.Deng等[69]利用静电纺丝技术构建了一种基于独特豇豆结构(CPZNs)的柔性自供电压电传感器(PES),能定量测量其弯曲角度,集成了PES的iHMI可完成与人手同步的方式远程控制机器人手动作,实现智能化人机交互.Tian[95]设计了一种针对不同材料的机器人识别系统,其传感器单元由PVDF薄膜、硅橡胶及黄铜钢丝圈构成.实验结果表明,该机器人系统对材料纹理的辨识具有非常高的有效性(95%)和可靠性.

图11 SKKU Hand Ⅱ机器人手指尖和多模态触觉传感器

Fig.11 SKKU Hand Ⅱ robotic fingertip and multimodal touch sensor

3.2 PVDF触觉传感器应用于微创手术

微创手术具有创口小、创伤小、疼痛轻、恢复快的优点,已成为现代医学外科手术治疗的重要手段之一.微创手术中,手术刀直接接触生物组织,但医生却不能直接感知触觉信息,医生的经验和情绪影响操控的精准度,手术安全存在一定的隐患.触觉传感器应用于微创手术,可以帮助医生获得触觉信息,从而有效地提高手术的安全性.2010年,Bonakdar等[96]创新性地将内窥镜吸盘与环形微型PVDF触觉传感器阵列集成,所研制的新型触觉传感器应用于外科手术中，可以帮助医生识别组织特性.Chuang等[97]介绍了一种新颖的用于连接腹腔镜的小型触觉传感器,这种柔性触觉传感器由印有内外电极的柔性印刷电路板(FPC)、PVDF薄膜和嵌入小钢珠的PDMS弹性体组成.由于小钢珠和PDMS材料之间的刚度差异,与动物组织接触会引起压电薄膜上的应力分布不均匀.通过对比该传感器内外电极的电压输出比率,可以区分不同的动物软体.随后,Chuang等[98]又开发了一种PVDF微型触觉传感器,用于检测粘膜下肿瘤硬度.Azizi等[99]研制出一种基于PVDF触觉传感器的抓取器,可实现对抓取材料的感知和识别,并准确给出外科医生允许施加的力的大小,有效防止对健康器官的伤害.

3.3 PVDF触觉传感器应用于健康监测

越来越多的人因为心脏疾病、肺部疾病、呼吸道疾病等失去生命,部分原因是因为目前的诊疗仪器大都昂贵且非穿戴式,难以实现有效的实时监测.因此,开发一种可穿戴、无约束、低功耗的健康监测传感器十分必要.Hu等[100]开发了基于PVDF压电薄膜的脉冲波传感器,通过脉搏检测和心率变异性(HRV)分析可以检测出驾驶员的睡眠状态.Shin等[101]利用PVDF/ZnO混合薄膜制作了高灵敏度、可穿戴触觉传感器,可用于实时检测压力和监测心率,最小检测压力为4 Pa.结合无线蓝牙技术,可在8 m范围内将没有失真和延时的心脏跳动信号发回智能手机端.除此之外,研究人员面向临床医疗应用开发了各种基于PVDF的传感器,如鼻传感器[102]、床垫[103]、诊断椅[104]等,可实现对人体呼吸、睡眠、心率等信息的实时监测.

4 PVDF触觉传感器的不足及未来趋势

近年来,学界和产业界从器件的压电性能优化、微结构化、集成化、柔性化、仿生化等方面进行了系统的研究,并取得了长足的进展,然而一些关键性科学技术问题还有待于深入研究和攻克.

(1)有机PVDF薄膜的压电系数明显低于传统的无机压电材料,尽管通过聚合物掺杂、与无机压电纳米材料共混等方法,明显改善了压电特性,有效地提升器件性能,但反复变形过程性能退化及其不稳定性机理仍有待于系统深入的研究.

(2)现有的大多数PVDF触觉传感器只能感知力的大小,不能检测力的位置,如何从器件结构设计出发实现三维力的检测也是未来主要的研究方向.

(3)目前,新型微结构的PVDF触觉传感器具有灵敏度高、响应速度快的优点,但其复杂多样的结构造成影响传感器性能的因素及其规律尚不清晰,相应的物理机理分析与模型构建也十分必要.

(4)尽管现有的PVDF触觉传感器应用研究十分活跃,传感器种类繁多,但功能相对单一,大都只能感知力信息.开发既能感知正常的刺激,包括应变、压力、潮湿、pH值和温度等,也能检测环境污染、各种生物标志物及体液的基于PVDF的多功能集成触觉传感器系统,无疑是未来重要的研究方向,所涉及的传感器间的信号串扰和信号融合等关键技术有待深入研究.

(4)PVDF触觉传感器应用在可穿戴电子设备中时,需要考虑到器件的柔弹性、可拉伸性、自供电、生物毒性、大面积制备、成本等问题.但PVDF薄膜本身的可拉伸性和弹性较差,用于覆盖在复杂三维表面和狭小缝隙处时灵活性较差,从而造成其使用受限.把拉伸性能差的PVDF材料做成波浪状,或是将石墨烯、碳纳米管等新型材料通过掺杂或者氧化还原的方式掺入到PVDF中,或是将PVDF和柔性衬底结合起来,都是未来改善PVDF触觉传感器柔弹性的合理途径.对于一些入侵式可穿戴设备,如用于创微手术的触觉传感器,还需对器件的生物兼容性及长期毒性进行研究.

(5)机器手可以代替人类执行危险和重复的任务,在普通环境下仅依靠触觉就能完成任务.但在变化的环境中,机器人需要挪动物体或者执行更加复杂的操作时,就需要更加精细的指导.迄今为止仍没有通用的、可靠的PVDF触觉传感器可以配置在不同的机器手上,目前的发展水平也远不及力传感器和视觉传感器等.未来,可以通过将基于PVDF的触觉传感器和视觉传感器相结合,融合虚拟现实、交互式人机界面、增强现实等技术共同构成传感系统.

5 结论

PVDF及聚合物因具有高灵敏度、高柔韧性、高机械强度、耐化学性、高热稳定性和低介电常数等优点而在触觉传感器领域占据重要的地位.近年来,得益于不断涌现的新型纳米材料、革新性的微结构设计以及微/纳米制造技术等的快速发展,基于PVDF的压电触觉传感器取得了突破性的发展.然而,器件性能退化、多维度、多刺激同时探测的串扰解耦,以及集成传感系统内部器件之间的力、热、电性能匹配等方面仍然存在诸多的挑战,离大规模产业化应用还存在一定的距离.挑战与机遇并存,PVDF触觉传感器将朝着高灵敏度、高稳定性、高可靠性、小型化、智能化、多功能化、便携式、自供能方向发展.