CN100436306C - 一种触觉传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种触觉传感器及其制作方法，包括触觉接触层(1)、间隔层(2)、衬底层(3)，各层均采用柔性材料制成。触觉接触层(1)上方带有微型凸台阵列。间隔层(2)位于触觉接触层(1)与衬底层(3)之间，在与微型凸台对应的位置上形成空腔阵列。在触觉接触层(1)，衬底层(3)与间隔层(2)的直接接触面上分别有若干平行排列的行电极(4)和列电极(5)，行电极和列电极在空间位置上垂直排列，每个交叉处为一个开关敏感单元。每个单元的受力大小不同时，产生不同的通断信号反映物体的表面凹凸形貌。该触觉传感器解决了现有触觉传感器结构复杂、不易贴附于弯曲表面进行测量、空间分辨率低的缺点，制成的传感器为全柔性，且结构简单、分辨率高、易于批量生产。

Description

一种触觉传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于机电一体化技术领域，特别涉及一种应用于机电一体化测量技术的触觉传感器，还涉及其制作方法。

背景技术

触觉是接触、冲击、压迫等机械刺激感觉的综合。触觉传感器是一种测量自身敏感面与外界物体相互作用参数(触觉、压觉、力觉、滑觉、热觉等)的装置，敏感面包含很多触觉敏感元，并以阵列的形式排列。触觉传感器可以用来进行曲面分布式接触测量、形状辨识、表面高度起伏判别、主动触觉感知等。

传统触觉传感器受到材料与工艺的限制，一直难于商品化。硅、金属等硬质材料缺乏柔顺性，是传统触觉传感器难以和人类皮肤相比的一个主要原因，因此选择柔性材料制作触觉传感器倍受关注。

河北工业大学岳宏，李铁军等人在1997年1月申请的专利号为97203692.X的实用新型专利中，提供了一种具有填充电流变流体(ERF)泡沫垫的机器人触觉传感器，该触觉传感器由三层组成：上层是带有条型导电橡胶电极的硅橡胶层，这是由特殊工艺，按设计要求制成的整体橡胶薄膜；中间层是充满ERF的聚胺脂泡沫垫，这一层将作为上下电极形成的电容器的介电材料；传感器的第三层是带有行电极的印刷电路板。硅橡胶层上的条形导电橡胶电极与印刷电路板上的每行电极在空间上垂直排列，每个交叉处形成一个电容作为一个敏感单元。

填充电流变流体的泡沫垫在电场的作用下易于变形，与物体接触后，根据其电容信号的变化，可以识别物体表面形状，从而抓握准确。该传感器与物体的接触面为柔性面，能够在较小的接触力下产生较大变形，但是其基底材料为硬质的印刷电路板，因此不易贴附于弯曲表面进行测量。由于导电橡胶电极层采用特殊工艺制成，制作难度较大，难以实现批量生产，其空间分辨率也受到一定限制，该传感器的空间分辨率为2.5mm。

发明内容

本发明为了克服现有触觉传感器的硬质衬底不能贴附于弯曲表面测量、制作难度较大、空间分辨率低等不足，将微机电系统(MEMS)工艺与柔性材料结合起来，提出了一种柔性开关式微触觉传感器以及制作这样一种触觉传感器的简单、高效率、低成本的方法。

本发明提出的触觉传感器包括触觉接触层1、间隔层2、衬底层3、行电极4和列电极5。触觉接触层1、间隔层2、衬底层3均采用柔性聚合物材料制成，触觉接触层1上表面有微型凸台阵列。每一个微型凸台是传感器与被测物体接触的一个敏感点。间隔层2位于触觉接触层1与衬底层3之间，它并不是一个连续层，而是在与触觉接触层1上表面的微型凸台对应的位置上形成空腔阵列。微型凸台的周边可以有凹环结构，从而使微型凸台更容易产生变形，提高敏感度。

在触觉接触层1与间隔层2的直接接触面上有若干不相交排列的行电极4，在衬底层3与间隔层2的直接接触面上有若干不相交排列的列电极5，行电极4和列电极5在空间位置上相互交错，每个交叉处形成一个开关敏感单元。行电极4和列电极5的交叉处位置与触觉接触层1上表面的微型凸台位置对应，其中行电极4和列电极5的每个交叉处部分分别作为每个开关单元的上、下电极，为了提高敏感度，行电极4和列电极5通常不是等宽的条形，而是作为上、下电极的交叉处部分比别的部分要略宽。

作为本发明一项优选方案，所述的触觉弹性层的材料为硅橡胶或聚酰亚胺的任意一种。

作为本发明一项优选方案，所述的间隔层的材料为硅橡胶或聚酰亚胺的任意一种。

作为本发明一项优选方案，所述的衬底层的材料为硅橡胶或聚酰亚胺的任意一种。

由于该触觉传感器的各层都是采用柔性材料制成，因此当传感器受到力的作用时，上下电极之间的间距减小，每个开关敏感单元的受力大小不同，上下电极的接触与否也不同。通过扫描电路对每个开关敏感单元进行行列扫描，得到每个单元不同的通断信号，从而反映物体的表面凹凸形貌。

本发明提出的触觉传感器的具体工艺步骤为：

(1)在基底上刻蚀出凹坑阵列；

(2)在已刻蚀出凹坑阵列的基底上制作牺牲层；

(3)在牺牲层上涂敷柔性材料，固化，形成触觉接触层1；

(4)在触觉接触层1上旋涂光刻胶，曝光，显影，然后溅射金属，制作行电极4；

(5)去除牺牲层，将整体柔性薄膜从基片上分离；

(6)在另一片基底上制作牺牲层；

(7)涂敷柔性材料，固化，形成衬底层3；

(8)在衬底层3上旋涂光刻胶，曝光，显影，然后溅射金属，制作列电极5；

(9)再涂敷柔性材料，将列电极5覆盖住，固化，形成间隔层2；

(10)刻蚀柔性材料，形成空腔，露出列电极5；

(11)将整体柔性薄膜从基片上分离；

(12)将步骤(5)和步骤(11)分离下来的上下两部分柔性薄膜结构对准，然后粘合在一起。

本发明的有益效果是：由于本发明将柔性材料与MEMS加工工艺结合起来，制成的触觉传感器厚度很薄，具有很好的柔性和弹性，类似人的真实皮肤，可以贴附于任意曲面进行测量。MEMS加工技术使传感器尺寸缩小，空间分辨率可以达到1.5mm，甚至更小，并可得到一个清晰、锐利的接触面图像边界；该触觉传感器结构简单，增强了检测和使用过程的鲁棒性，并且可以进行批量生产，降低了成本。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1：本发明提出的触觉传感器单元剖视图；

图2：8×8的触觉传感器俯视图；

图3：图2的A-A向剖视图；

图4：图3的B-B向剖视图；

图5：图3的C-C向剖视图；

图6：7×10的带有圆形凸台且凸台周边有环形凹环的触觉传感器俯视图；

图7：带有圆形凸台且凸台周边有环形凹环的触觉传感器单元剖视图；

图8：本发明提出的触觉传感器的制作流程图。

图中：1-触觉接触层 2-间隔层 3-衬底层 4-行电极 5-列电极

具体实施方式

实施例一：

参见图2、图3、图4、图5，本实施例是一个含8×8个敏感单元阵列的柔性开关式微触觉传感器，包括触觉接触层1、间隔层2、衬底层3。触觉接触层1、间隔层2和衬底层3的材料都是硅橡胶。触觉接触层1上表面带有8×8的微型凸台阵列，每一个微型凸台是传感器与被测物体接触的一个敏感点。间隔层2位于触觉接触层1与衬底层3之间，它在与触觉接触层1上表面微型凸台对应的位置上形成一个8×8的空腔阵列。

在触觉接触层1与间隔层2的直接接触面上有8行平行排列的行电极4，在衬底层3与间隔层2的直接接触面上有8列平行排列的列电极5，行电极4和列电极5在空间位置上垂直排列，每个交叉处形成一个开关敏感单元。行电极4和列电极5的交叉处位置与触觉接触层1上表面的微型凸台位置对应，其中行电极4的每个交叉处部分作为每个开关单元的上电极，列电极5的每个交叉处部分作为每个开关单元的下电极，需要指出的是，为了提高敏感度，行电极4和列电极5不是等宽的条形，而是作为上、下电极的交叉处部分比别的部分要略宽。

参见图8，该柔性开关式微触觉传感器的具体工艺步骤为：

(1)采用各向异性湿法刻蚀的方法在用作基底的硅片上刻蚀出8×8的方形凹坑，参见8(a)；

(2)在已刻蚀的硅片上通过热氧化形成二氧化硅牺牲层，参见8(b)；

(3)在二氧化硅牺牲层上旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)，固化形成触觉接触层1，参见8(c)；

(4)在触觉接触层1上旋涂光刻胶，曝光，显影，然后溅射铜，制作行电极4；用丙酮去除触觉接触层1上的光刻胶，露出行电极4，参见8(d)；

(5)将制作好的硅片放在氢氟酸中浸泡几分钟，然后把硅片上的整体结构从硅片上分离，参见8(e)；

(6)在另一片用作基底的硅片上旋涂光刻胶，曝光，参见8(f)；

(7)在已曝光过的光刻胶上旋涂PDMS，固化形成衬底层3，参见8(g)；

(8)在衬底层3上旋涂光刻胶，曝光，显影，然后溅射铜，制作列电极5；用丙酮将衬底层3上的光刻胶去掉，露出列电极5，参见8(h)；

(9)旋涂PDMS，将列电极5覆盖住，固化，形成间隔层2，参见8(i)；

(10)在间隔层2上旋涂光刻胶，曝光，显影，用等离子体刻蚀出空腔，露出列电极5，参见8(j)；

(11)将制作好的硅片放在丙酮中浸泡几分钟，然后把硅片上的整体结构从硅片上分离，参见8(k)；

(12)将步骤(5)和步骤(11)分离下来的上下两部分柔性薄膜结构对准，然后粘合在一起，参见8(l)。

实施例二：

参见图6、图7，本实施例是一个含7×10个敏感单元阵列的柔性开关式微触觉传感器，包括触觉接触层1、间隔层2、衬底层3。触觉接触层1、间隔层2和衬底层3的材料都是聚酰亚胺。触觉接触层1上表面带有7×10的微型凸台阵列，每一个微型凸台是传感器与被测物体接触的一个敏感点。间隔层2位于触觉接触层1与衬底层3之间，它在与触觉接触层1上表面微型凸台对应的位置上形成一个7×10的空腔阵列。每个微型凸台的周边有一圈凹环，该凹环结构使微型凸台更容易产生变形，从而提高敏感度。

在触觉接触层1与间隔层2的直接接触面上有7行平行排列的行电极4，在衬底层3与间隔层2的直接接触面上有10列平行排列的列电极5，行电极4和列电极5在空间位置上成30度交角菱形排列，每个交叉处形成一个开关敏感单元。行电极4和列电极5的交叉处位置与触觉接触层1上表面的微型凸台位置对应，其中行电极4的每个交叉处部分作为每个开关单元的上电极，列电极5的每个交叉处部分作为每个开关单元的下电极。

参见图8，该柔性开关式微触觉传感器的具体工艺步骤为：

(1)采用各向同性湿法刻蚀的方法在用作基底的玻璃片上刻蚀出7×10的圆形凹坑，参见8(a)；

(2)在已刻蚀的玻璃片上旋涂光刻胶，图形化，参见8(b)；

(3)在已图形化上的光刻胶上旋涂聚酰亚胺，固化形成触觉接触层1，参见8(c)；

(4)在触觉接触层1上旋涂光刻胶，曝光，显影，然后溅射铂，制作行电极4；用丙酮将触觉接触层1上的光刻胶去掉，露出行电极4，参见8(d)；

(5)将制作好的玻璃片放在丙酮中浸泡几分钟，然后把玻璃片上的整体结构从玻璃片上分离，参见8(e)；

(6)在另一片用作基底的玻璃片上旋涂光刻胶，曝光，参见8(f)；

(7)在已曝光过的光刻胶上旋涂聚酰亚胺，固化形成衬底层3，参见8(g)；

(8)在衬底层3上旋涂光刻胶，曝光，显影，然后溅射铂，制作列电极5；用丙酮将衬底层3上的光刻胶去掉，露出列电极5，参见8(h)；

(9)旋涂聚酰亚胺，将列电极5覆盖住，固化，形成间隔层2，参见8(i)；

(10)在间隔层2上旋涂光刻胶，曝光，显影；采用湿法刻蚀的方法，将聚酰亚胺刻蚀出空腔，露出列电极5，参见8(j)；

(11)将制作好的玻璃片放在丙酮中浸泡几分钟，然后把玻璃片上的整体结构从玻璃片上分离，参见8(k)；

(12)将步骤(5)和步骤(11)分离下来的上下两部分柔性薄膜结构对准，然后粘合在一起，参见8(l)。

Claims (7)

1、一种触觉传感器，包括触觉接触层(1)、间隔层(2)、衬底层(3)、行电极(4)和列电极(5)，其特征在于：触觉接触层(1)、间隔层(2)、衬底层(3)均采用柔性聚合物材料制成，触觉接触层(1)上表面有微型凸台阵列；间隔层(2)位于触觉接触层(1)与衬底层(3)之间，在与触觉接触层(1)上表面的微型凸台对应的位置上形成空腔阵列；在触觉接触层(1)与间隔层(2)的直接接触面上有若干不相交排列的行电极(4)，在衬底层(3)与间隔层(2)的直接接触面上有若干不相交排列的列电极(5)，行电极(4)和列电极(5)在空间位置上相互交错，行电极(4)和列电极(5)的交叉处位置与触觉接触层(1)上表面的微型凸台位置对应。

2、根据利用权利要求1所述的一种触觉传感器，其特征在于：所述的微型凸台的周边有凹坑结构。

3、根据利用权利要求1所述的一种触觉传感器，其特征在于：所述的触觉弹性层(1)的材料为硅橡胶或聚酰亚胺的任意一种。

4、根据利用权利要求1所述的一种触觉传感器，其特征在于：所述的间隔层(2)的材料为硅橡胶或聚酰亚胺的任意一种。

5、根据利用权利要求1所述的一种触觉传感器，其特征在于：所述的衬底层(3)的材料为硅橡胶或聚酰亚胺的任意一种。

6、根据权利要求1-7所述的任意一种触觉传感器，其特征在于：所述的行电极(4)和列电极(5)在两者交叉处部分比别的部分要略宽。

7、一种制备权利要求1所述触觉传感器的方法，其特征在于包括下述步骤：

(a)在基底上刻蚀出凹坑阵列；；

(b)在已刻蚀出凹坑阵列的基底上制作牺牲层；

(c)在牺牲层上涂敷柔性材料，固化，形成触觉接触层(1)；

(d)在触觉接触层(1)上旋涂光刻胶，曝光，显影，然后溅射金属，制作行电极(4)；

(e)去除牺牲层，将整体柔性薄膜从基片上分离；

(f)在另一片基底上制作牺牲层；

(g)涂敷柔性材料，固化，形成衬底层(3)；

(h)在衬底层(3)上旋涂光刻胶，曝光，显影，然后溅射金属，制作列电极(5)；

(i)再涂敷柔性材料，将列电极(5)覆盖住，固化，形成间隔层(2)；

(j)刻蚀柔性材料，形成空腔，露出列电极(5)；

(k)将整体柔性薄膜从基片上分离；

(l)将步骤(e)和步骤(k)分离下来的上下两部分柔性薄膜结构对准，然后粘合在一起。

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