彈性電極與導(dǎo)電橡膠電接觸問(wèn)題的研究

1、    彈性電極與導(dǎo)電橡膠電接觸問(wèn)題的研究    周建輝 司新毅 及沖沖 余志永摘 要：為了解決仿生機(jī)器人觸覺(jué)傳感器的彈性電極與導(dǎo)電橡膠的電接觸的問(wèn)題，從材料和結(jié)構(gòu)兩方面提出了相應(yīng)的解決方案，并介紹了利用電子束蒸鍍和等離子體處理技術(shù)進(jìn)行彈性電極制備的方法。關(guān)鍵詞：彈性電極；導(dǎo)電橡膠；電接觸doi：10.16640/ki.37-1222/t.2018.08.146觸覺(jué)傳感器是覆蓋于仿生機(jī)器人表面的關(guān)鍵部件，可以檢測(cè)周圍環(huán)境的壓力、溫度等各種信息。用于壓力檢測(cè)的壓阻式觸覺(jué)傳感器是非常重要的一種觸覺(jué)傳感器，如何解決其彈性電極與導(dǎo)電橡膠的電接觸問(wèn)題是研究的難點(diǎn)之

2、一1-2。所謂電接觸，主要是為確保電路連續(xù)的電子/電氣設(shè)備的載流元件和它們之間的界面。電接觸的目的是實(shí)現(xiàn)電連接，只有建立良好的金屬-金屬接觸才能達(dá)到這樣的目標(biāo)。彈性電極和與其接觸的元件之間的電接觸問(wèn)題已有數(shù)十年的研究歷史，本文中彈性電極基于銀納米線與pdms制作而成，主要從接觸電阻和磨損兩個(gè)方面研究彈性電極與導(dǎo)電橡膠間的電接觸問(wèn)題，尋求改善電極性能并提高觸覺(jué)傳感器使用壽命和可靠性的方法。1 彈性電極與導(dǎo)電橡膠電接觸問(wèn)題分析接觸電阻和電極磨損是銀納米線/pdms彈性電極與導(dǎo)電橡膠電接觸的主要問(wèn)題。1.1 接觸電阻接觸電阻指的是電流通過(guò)元件接觸點(diǎn)時(shí)在接觸處形成的收縮電阻和膜電阻之和。經(jīng)研究分析，接

3、觸電阻主要受下列因素影響：接觸件材料：規(guī)格相同的情況下，接觸件的材質(zhì)對(duì)接觸電阻有影響。正壓力：是指垂直于接觸表面的力，主要取決于接觸件的幾何形狀和材料性能。表面狀態(tài)：接觸件表面由于塵埃、油污等沉積形成的表膜，以及物理吸附、化學(xué)吸附所形成的污染膜，都能導(dǎo)致接觸電阻增大。使用電壓：使用電壓達(dá)到一定閾值，可擊穿接觸件膜層，導(dǎo)致接觸電阻下降。在閾值電壓附近，電壓降的微小波動(dòng)都會(huì)引起接觸電阻的變化。電流：當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，焦耳熱作用可使接觸件界面金屬軟化或熔化，從而降低接觸電阻。1.2 磨損磨損是由于表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)從一個(gè)物體的接觸表面逐步損失的過(guò)程。通常表現(xiàn)為物體尺寸和（或）形狀的變化。磨損受到材料、

4、滑動(dòng)速度、載荷等因素的影響。對(duì)于本文中的銀納米線/pdms彈性電極，主要通過(guò)潤(rùn)滑或減小相對(duì)滑動(dòng)來(lái)降低磨損。潤(rùn)滑可通過(guò)選取適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，減少接觸面的相對(duì)滑動(dòng)可通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。2 電接觸問(wèn)題的解決方案有效地解決銀納米線/pdms彈性電極與導(dǎo)電橡膠的電接觸問(wèn)題，可改善電極磨損問(wèn)題，提高仿生機(jī)器人觸覺(jué)傳感器的測(cè)量精度、使用壽命和可靠性。因此，提出以下解決方案：（1）材料方面：在彈性電極與導(dǎo)電橡膠之間引入金屬層。充分利用電子束蒸鍍、磁控濺射、氧等離子體等先進(jìn)技術(shù)將彈性電極與導(dǎo)電橡膠的表面鍍上一層納米級(jí)厚度的金屬層。在接觸面形成金屬金屬接觸，可改善彈性電極與導(dǎo)電橡膠的接觸性能，降低接觸表面的電極

5、磨損，有利于提高仿生機(jī)器人表面觸覺(jué)傳感器的使用壽命和可靠性。（2）結(jié)構(gòu)方面：合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)減小接觸面的相對(duì)滑動(dòng)。相關(guān)研究表明，較大厚度的pdms微平臺(tái)在拉伸時(shí)的形變幾乎可以忽略不計(jì)。據(jù)此合理設(shè)計(jì)pdms在對(duì)應(yīng)彈性電極處的結(jié)構(gòu)，可使銀納米線/pdms彈性電極與導(dǎo)電橡膠的相對(duì)滑動(dòng)進(jìn)一步降低，以達(dá)到改善電接觸、降低磨損的效果。3 基于電子束蒸鍍和等離子體處理技術(shù)的彈性電極的制備分析了彈性電極與導(dǎo)電橡膠電接觸的問(wèn)題，并設(shè)計(jì)了解決方案。針對(duì)給出的解決方案，利用電子束蒸鍍和等離子體處理技術(shù)進(jìn)行彈性電極的制備。氧等離子體處理主要起到清潔表面的作用，可以加強(qiáng)金屬與pdms基底的附著力。彈性電極制作過(guò)程如下：首先

6、利用傳統(tǒng)的模具固化成型法制作銀納米線/pdms彈性電極，再利用氧等離子體處理設(shè)備對(duì)電極表面進(jìn)行處理，然后利用電子束蒸鍍?cè)O(shè)備將5nm cr和50nm au依次蒸發(fā)附著于彈性電極表面，其中，au為硬度最小的貴金屬，具有很好的抗氧化性；cr能夠改善au與pdms基底的附著性，最后再一次進(jìn)行氧等離子體處理，便得到了新的彈性電極，其電接觸問(wèn)題得到了很好的解決。4 結(jié)論針對(duì)用于仿生機(jī)器人觸覺(jué)傳感器的彈性電極與導(dǎo)電橡膠的電接觸的問(wèn)題，從材料和結(jié)構(gòu)兩方面提出了相應(yīng)的解決方案，并介紹了利用電子束蒸鍍和等離子體處理技術(shù)進(jìn)行彈性電極制備的方法。采用這種彈性電極制作仿生機(jī)器人觸覺(jué)傳感器，可大大提高觸覺(jué)傳感器的使用壽命和可靠性，具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)：1王國(guó)彪，陳殿生，陳科位等.仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)j. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015（06）.2劉少?gòu)?qiáng)，黃惟一，王愛(ài)民，宋愛(ài)國(guó).機(jī)器人觸覺(jué)傳感技術(shù)研發(fā)的歷史現(xiàn)狀與趨勢(shì)j.機(jī)器人，2002，24（04）：363-366.項(xiàng)目來(lái)源：華北理工大學(xué)科學(xué)研究基金資助（z201625）山東工業(yè)技術(shù)2018年8期山東工業(yè)技術(shù)的其它文章作業(yè)安全分析法jsa在鉆井