导电橡胶力敏传感器研究进展

yong FU Zhaoyang，LI Bin，ZHANG Xue（ School of Chemical Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500 ， China） Abstract： Application prospect and basic characteristics of conductive rubber force sensitive sensor are main factors that introduced and analyzed． Through studing on preparation process of sensitive unit of the sensor， influence the conductive properties of composite materials such as type of filler， filling quantity， material properties of the substrate and preparation technology are pointed out． Through research on piezoresistive characteristic of conductive rubber sensor， conductive mechanism of conductive rubber composite material are expounded． The development process of structural design of sensor is also described from the detection of simple oneway pressure to threedimensional force． Main factors which restrict development of conductive rubber force sensor and future research trend are pointed out． Key words： conductive rubber； conductive characteristics； force sensitive sensor 特别是用导电橡胶做成的传感器还是很少 。 导电橡胶 少， 力敏传感器也可以做为触觉传感器 。对于触觉传感器的研 究方面， 人们不断尝试从电容、 聚偏二氟乙烯 （ PVDF ） 、 光 已经取得了一 波导等技术出发来研制机器人触觉传感器， 定的成果。 Mami T 等人采用 3 只电阻应变片布置在橡胶中制成 可以感受三维力的传感器
于动态特性的评价没有统一标准 。合肥工业大学的刘平等 人在研究导电橡胶传感器的时间响应时， 发现当加载周期 性交变应力于材料上时， 材料的响应频率与所施加外力的 频率相等。响应幅值与复合材料电阻处在渗流区的位置有 关， 复合材料的电阻处于渗流区接近高阻态一端时， 响应幅 值高
［7 ］
e 2 mφ ， (h ) V exp 4π 槡 h
填
料
结构是上下 2 块电极， 中间是敏感材料
， 或是将 2 个电
制备导电橡胶首先考虑的是填料， 用于制备导电橡胶 的填料有金属填料（ 金属粉、 金属纤维） 、 碳系填料（ 炭黑、 石墨） 、 复合材料（ 镀金属的粉体、 纤维） 等。 添加不同种类 填料的导电橡胶导电性能各不相同， 同一类型的导电填料 也因生产厂家不同而存在差别 。同一种填料随着用量的增 加， 导电橡胶的导电性增强， 但是其力学性能会相对降低 。 西北橡胶塑料研究设计院的雷海军等人以银粉和镍粉分别 填充硅橡胶， 研究了金属填料种类、 用量及细度对导电硅橡 胶导电性能和物理性能的影响
［8 ］ ［9 ］ ［10 ， 11 ］
2． 3
电场发射理论
电场发射理论承认隧道效应的合理性， 但这种导电现
象是由电子内部电场发射产生的 。 Van B 等人根据电场发 射理论得出了普适方程 式中
［12 ］
J = AE n exp（ － B / E） ，
（ 3）
J 为电流密度， E 为场强， n 和 B 为复合材料的特征
1． 1
静态特性
目前， 国内外研究学者对导电橡胶的性能已经做了很
多研究， 但基本集中在导电性能上 。 将导电橡胶应用在传 感器就需要考虑其静态特性和动态特性 。 导电橡胶的灵敏 度受填料性能、 橡胶弹性模量、 渗流区的影响
［6 ］ ［5 ］
。 Nikolai W
研究发现增加少量的混合填料可以增加导电橡胶的灵敏 度 。在研究导电橡胶灵敏度时还要考虑导电橡胶界面压 式中
2． 2
wenku.baidu.com隧道效应理论
量子力学隧道效应理论利用量子力学研究导电材料导
电率和导电颗粒间隙之间的关系， 考虑到了填料的浓度和 环境温度对导电性的影响 。 Simmons J G 提出了具有普适 性的隧道效应方程 J= 式中 3 （ 2 mφ） 2s
1 /2 ［10 ］
1． 2
动态特性
目前， 对导电橡胶传感器的动态特性研究较少， 而且关
2
（ 2）
J 为电流密度， m 和 e 分别为单位电子的质量和电荷
h 为普朗克常数， s 为间隙宽度， V 为外加 φ 为间隙势垒， 量， 电源电压。该理论认为： 由于微观粒子具有波动性， 即使电 子不具有足够的能量从势垒顶部翻越过势垒， 它们仍然能 因而可以在相互靠近但并不接触的导 够在势垒之间移动， 电粒子之间进行传递， 使体系导电。 在二元组分导电复合 材料中， 当填料的体积分数较低时， 隧道效应对材料的导电 行为影响较大。
（ 1） 为导电填料占复合材料的体积分数， σ c 为临界渗 流阈值； σ1 为基体的导电率； σ h 为导电填料的导电率； σ m 为复合材料的导电率； t 为复合材料的渗流系数 。 该理论认 为： 在混合物中的粒子被基体介质包裹着， 该介质层就可以 拥有和复合导电材料相同的电导率 。 该理论可以解释填料 在临界浓度下导电复合材料电阻率突变现象， 以及电阻率 与填料浓度之间的关系 。
［3 ］
。合肥工业大学的黄英等人利用导电橡胶做成了三
［4 ］
维触觉传感器
。 导电橡胶力敏传感器的综合性能和市
场上的其他同类传感器还有一定的差距， 总的来说， 这种传
2
传 感 器 与 微 系 统
第 32 卷
感器技术还不是很成熟， 但是这种传感器具有耐腐蚀 、 柔韧 性好等优点， 是未来传感器发展的重要方向 。 1 导电橡胶传感器基本特性
。该传感器容易受环境温度， 电压扰动等影响。 环
境温度对导电橡胶的导电性的影响有 2 个方面： 一是橡胶 受热产生膨胀， 使导电粒子间隙增大， 影响电导率； 二是升 温产生热扰动， 使间隙中电场发生变化， 电子热激活增强， 影响电导率。不同的导电橡胶受温度的影响不同， 总体来 温度升高使导电橡胶的电导率增加 。 说， 2 力敏性原理 导电橡胶传感器测力的基本原理是： 导电橡胶在一定 范围的压力作用下， 导电橡胶的阻值会随着压力的增大逐 渐减小。假设导电橡胶初始电阻为 R， 随着压力的增加电 阻减小 ΔR， 其输出的电流会增大 ΔI。可以根据电流的变化 量或是电阻的变化量来反映受力的情况 。 导电橡胶的阻值 受压力发生变化的内部机理目前研究的还不是很深入 。 研 究导电材料的导电机理有助于更好地理解该传感器的力敏 特性。对于导电机理的研究有很多种说法， 目前已有渗流 理论
感器的发展中的主要因素， 并对未来研究方向提出了展望 。 关键词： 导电橡胶； 导电特性； 力敏传感器 中图分类号： TP 212． 6 文献标识码： A 文章编号： 1000 —9787 （ 2013 ） 06 —0001 —04
Research progress of conductive rubber force sensitive sensor*
常数。该理论认为虽然导电粒子之间存在绝缘的基体， 当 距离小于 10 nm 时， 这些粒子之间的强大电场可能使电子 越过树脂界面势垒而跃迁到邻近的导电粒子上， 从而产生 电流。由于电场发射理论受温度和导电填料的质量分数影 响较小， 其相对于渗流理论有更广泛的适用范围 。 3 敏感单元的制备 敏感单元是力敏性触觉传感器重要组成部分， 其主要
、 有效介质理论
［12 ］
、 量子力学隧道效应理论
、 电
场发射理论
等。
第6 期
付朝阳， 等： 导电橡胶力敏传感器研究进展
3
由导电橡胶制成。导电橡胶的制备过程直接影响导电橡胶 的导电性， 从而会影响到传感器的性能 。
4． 1
一维传感器
简单的导电橡胶传感器， 敏感单元仅受轴向力， 其基本
［19 ］
3． 1
DOI:10.13873/j.1000-97872013.06.028
2013 年 第 32 卷 第 6 期
传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
1
檸殠
檸檸檸檸檸殠 综述与评论 檸殠
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首次合成了聚乙炔薄膜， 后来又经掺杂发现了可导电的高 也就是导电高分子材料 。 目前添加了导电粒子的压 聚物， 力敏感导电橡胶被人们广泛关注 。导电橡胶具有良好的柔 耐磨性， 该材料在一定的应力范围内电阻值随着应力 韧性、 的变化而变化， 具有很好的压阻特性。 导电橡胶力敏性传 感器就是利用导电材料的压阻特性设计的一种新型传感 器。 导电橡胶在很多领域都有应用， 导电性差的导电橡胶 如做成防静电胶鞋； 导电性好的 一般作为防静电材料使用， 导电橡胶一般制成防过热 / 过电流元件， 如用于保温床、 保 温容器等。但是， 利用导电橡胶的力敏性做成的产品比较
收稿日期： 2013 —04 —01 * 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51167008 ）
檸檸檸檸檸殠
摘 引 言
导电橡胶力敏传感器研究进展
付朝阳，李 斌，张学勇
（ 昆明理工大学 化学工程学院， 云南 昆明 650500 ）
*
要： 介绍了导电橡胶力敏传感器的应用前景， 分析了导电橡胶传感器的基本特性 。 通过对该传感器 敏感单元制备过程的研究， 指出了影响复合材料导电性能的主要因素包括填料类型 、 填充量、 基体材料性 能以及制备工艺等。通过对导电橡胶传感器压阻特性的研究， 阐述了导电橡胶复合材料的导电机理 。 描 述了该传感器的结构设计从检测简单的单向压力到检测三维力的发展过程 。表述了制约导电橡胶力敏传
2． 1
渗流理论
渗流理论认为体系的导电机理为导电粒子相互连接成
电子在链内移动使材料导电 。 它主要是用来解释电阻 链， 率与填料浓度之间的关系 。有效介质理论的主要思想是把 复合材料的每个颗粒看成处于导电率相同的一种介质中 。 McLahlan D S 等人将有效介质理论和渗流理论的模型相结
［9 ］ 合推导出通用有效介质普适（ GEM） 方程 /t 1/t 1/t 1/t （ 1 － ） （ σ1 （ σh － φ m ） h － σm ） 1/t + 1/t 1/t = 0 ， （ 1 － σc ） σc］ （ 1 － σc ） σc］ σ +［ σm σh + ［ σm 1/t t
［1 ］
20 世纪 70 年代， Heeger 和 MacDiarmid 等人 白川英树、
。 Kentaro N 等人利用 2 个正
Y 切向力［2］ 。 交直立的压阻式悬臂梁嵌入弹性体内检测 X， 导电橡胶触觉传感器研究比较晚， 但也取得一定的成果。 重庆大学的秦岚等人利用导电橡胶做成大面积的阵列传感 器
阻对灵敏度的影响。导电橡胶传感器的精度除了与敏感材 料的性能有关， 还与采集电路有关。 特别是阵列传感器各 节点之间的电阻串扰会使传感器输出的数据产生很大的误 差， 所以， 在设计采集电路时一定要考虑消除串扰 。 材料在 变形的过程中都需要一定的时间， 特别是高聚合物会发生 比较缓慢的非弹性形变， 也就是电阻弛豫现象。 导电橡胶 是高分子材料的一种， 在一恒定外力作用下， 其静态时间响 应特性也会产生弛豫过程 。通过改善材料的特性能减少这 种弛豫时间， 但不能完全消除。