弹性电极与导电橡胶电接触问题的研究

周建辉 司新毅 及冲冲 余志永

摘 要：为了解决仿生机器人触觉传感器的弹性电极与导电橡胶的电接触的问题，从材料和结构两方面提出了相应的解决方案，并介绍了利用电子束蒸镀和等离子体处理技术进行弹性电极制备的方法。

关键词：弹性电极；导电橡胶；电接触

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.146

觸觉传感器是覆盖于仿生机器人表面的关键部件，可以检测周围环境的压力、温度等各种信息。用于压力检测的压阻式触觉传感器是非常重要的一种触觉传感器，如何解决其弹性电极与导电橡胶的电接触问题是研究的难点之一[1-2]。所谓电接触，主要是为确保电路连续的电子/电气设备的载流元件和它们之间的界面。电接触的目的是实现电连接，只有建立良好的金属-金属接触才能达到这样的目标。弹性电极和与其接触的元件之间的电接触问题已有数十年的研究历史，本文中弹性电极基于银纳米线与PDMS制作而成，主要从接触电阻和磨损两个方面研究弹性电极与导电橡胶间的电接触问题，寻求改善电极性能并提高触觉传感器使用寿命和可靠性的方法。

1 弹性电极与导电橡胶电接触问题分析

接触电阻和电极磨损是银纳米线/PDMS弹性电极与导电橡胶电接触的主要问题。

1.1 接触电阻

接触电阻指的是电流通过元件接触点时在接触处形成的收缩电阻和膜电阻之和。经研究分析，接触电阻主要受下列因素影响：

接触件材料：规格相同的情况下，接触件的材质对接触电阻有影响。

正压力：是指垂直于接触表面的力，主要取决于接触件的几何形状和材料性能。

表面状态：接触件表面由于尘埃、油污等沉积形成的表膜，以及物理吸附、化学吸附所形成的污染膜，都能导致接触电阻增大。

使用电压：使用电压达到一定阈值，可击穿接触件膜层，导致接触电阻下降。在阈值电压附近，电压降的微小波动都会引起接触电阻的变化。

电流：当电流过大时，焦耳热作用可使接触件界面金属软化或熔化，从而降低接触电阻。

1.2 磨损

磨损是由于表面的相对运动，物质从一个物体的接触表面逐步损失的过程。通常表现为物体尺寸和（或）形状的变化。磨损受到材料、滑动速度、载荷等因素的影响。对于本文中的银纳米线/PDMS弹性电极，主要通过润滑或减小相对滑动来降低磨损。润滑可通过选取适当的润滑材料来实现，减少接触面的相对滑动可通过结构设计实现。

2 电接触问题的解决方案

有效地解决银纳米线/PDMS弹性电极与导电橡胶的电接触问题，可改善电极磨损问题，提高仿生机器人触觉传感器的测量精度、使用寿命和可靠性。因此，提出以下解决方案：

（1）材料方面：在弹性电极与导电橡胶之间引入金属层。充分利用电子束蒸镀、磁控溅射、氧等离子体等先进技术将弹性电极与导电橡胶的表面镀上一层纳米级厚度的金属层。在接触面形成金属—金属接触，可改善弹性电极与导电橡胶的接触性能，降低接触表面的电极磨损，有利于提高仿生机器人表面触觉传感器的使用寿命和可靠性。

（2）结构方面：合理设计结构减小接触面的相对滑动。相关研究表明，较大厚度的PDMS微平台在拉伸时的形变几乎可以忽略不计。据此合理设计PDMS在对应弹性电极处的结构，可使银纳米线/PDMS弹性电极与导电橡胶的相对滑动进一步降低，以达到改善电接触、降低磨损的效果。

3 基于电子束蒸镀和等离子体处理技术的弹性电极的制备

分析了弹性电极与导电橡胶电接触的问题，并设计了解决方案。针对给出的解决方案，利用电子束蒸镀和等离子体处理技术进行弹性电极的制备。氧等离子体处理主要起到清洁表面的作用，可以加强金属与PDMS基底的附着力。

弹性电极制作过程如下：首先利用传统的模具固化成型法制作银纳米线/PDMS弹性电极，再利用氧等离子体处理设备对电极表面进行处理，然后利用电子束蒸镀设备将5nm Cr和50nm Au依次蒸发附着于弹性电极表面，其中，Au为硬度最小的贵金属，具有很好的抗氧化性；Cr能够改善Au与PDMS基底的附着性，最后再一次进行氧等离子体处理，便得到了新的弹性电极，其电接触问题得到了很好的解决。

4 结论

针对用于仿生机器人触觉传感器的弹性电极与导电橡胶的电接触的问题，从材料和结构两方面提出了相应的解决方案，并介绍了利用电子束蒸镀和等离子体处理技术进行弹性电极制备的方法。采用这种弹性电极制作仿生机器人触觉传感器，可大大提高触觉传感器的使用寿命和可靠性，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]王国彪，陈殿生，陈科位等.仿生机器人研究现状与发展趋势[J]. 机械工程学报，2015（06）.

[2]刘少强，黄惟一，王爱民，宋爱国.机器人触觉传感技术研发的历史现状与趋势[J].机器人，2002，24（04）：363-366.

项目来源：华北理工大学科学研究基金资助（Z201625）