CN101512311A - 用于曲面的触觉传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于具有多维曲率和小曲率半径的物体的曲面的触觉传感器及其制备方法。该用于曲面的触觉传感器包括：下层图案，该下层图案包括在下层方向上以一定间隔排布的多个下层聚合物膜层、排布在该下层聚合物膜层上的下层金属层、以及排布在该下层金属层上的多个下层电阻；上层图案，该上层图案包括在垂直于所述下层方向的方向上以一定间隔排布的多个上层聚合物膜层、排布在该上层聚合物膜层上的上层金属层、以及排布在该上层金属层下面的多个上层电阻，以与下层电阻电连接；以及下层聚合物层和上层聚合物层，该下层聚合物层和上层聚合物层用于将所述下层图案和所述上层图案彼此接合。

Description

用于曲面的触觉传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种触觉传感器及其制备方法，更具体地涉及一种用于曲面的触觉传感器及其制备方法，其中，分别在具有优异的弯曲特性和高回复力的上层膜和下层膜上形成金属层和电阻层，并且该上层膜和下层膜彼此垂直地接合，从而增强柔韧性以适用于具有多维曲率和较小曲率半径的物体。
背景技术
近来，通过接触获得关于周围环境信息的触觉功能，例如，接触力、振动、表面粗糙度、热传导率对温度的变化等等，已经被用于高级信息采集。能够代替触觉感知的仿生触觉传感器可以用于血管的显微手术、各种医学诊断(例如，癌症的诊断)和治疗。此外，仿生触觉传感器可以用于在未来的虚拟环境技术中很重要的触觉显示技术。
作为仿生触觉传感器而开发的传感器包括使用在工业机器人的手腕上的具有六个自由度的力矩传感器，和能够感测接触压力和瞬间滑动的用于机器人的抓取的传感器。这些传感器的尺寸比较大，因而存在例如响应性低的问题。
使用制造微电子机械系统(MEMS)的技术证实了开发触觉传感器的可能。但是，由于是使用硅晶片等来开发传感器，因此传感器不具备柔韧性。
图17表示了常规的触觉传感器的一个例子，该传感器由日本东京大学的Takao Someya及其同事于2005年开发。
在这个例子中，常规的触觉传感器是通过在单层膜上进行冲压工艺而制造的，从而实现了柔韧性和一定程度上的延展性。
但是，通过冲压工艺制造的常规的触觉传感器不能使柔韧性最大化，这是因为是对单层膜进行冲压来获得柔韧性。因此，可以将这种常规的触觉传感器用于具有大曲率半径的球形物体。但是，由于缺乏像人类皮肤一样的柔软性，很难将其用于仿人机器人(humanoid robot)的手指或很小的球。
发明内容
因此，本发明是鉴于以上问题而做出的。本发明的一个目的在于提供一种用于曲面的触觉传感器及其制备方法，其中，分别在具有优异的弯曲特性和高回复力的上层聚合物膜层和下层聚合物膜层上形成多个金属层和电阻，并且使用柔韧的聚合物材料将该上层膜和下层膜彼此接合使得聚合物膜的信号线彼此交叉垂直，并且电阻在各个交叉点彼此连接，从而增强柔韧性以适用于具有曲面的物体。
此外，本发明的另一个目的是提供一种用于曲面的触觉传感器及其制备方法，其中，大量的在上层膜和下层膜中形成的信号线为波浪形图案，然后将上层膜和下层膜接合，从而增强在X、Y和对角方向上(即，在所有方向上)的延展-压缩变形，以适用于具有小曲率半径的物体。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于曲面的触觉传感器，该触觉传感器包括：下层图案，该下层图案包括在下层方向上以一定间隔排布的多个下层聚合物膜层、排布在该下层聚合物膜层上的下层金属层、以及排布在该下层金属层上的多个下层电阻；上层图案，该上层图案包括在垂直于下层方向的方向上以一定间隔排布的多个上层聚合物膜层、排布在该上层聚合物膜层上的上层金属层、以及排布在该上层金属层下面的多个上层电阻，以与下层电阻电连接；以及下层聚合物层和上层聚合物层，该下层聚合物层和上层聚合物层将所述下层图案和所述上层图案彼此接合。
所述下层图案和所述上层图案可以被制成波浪形。
所述下层金属层和所述上层金属层可以由常规的金属材料形成。此外，可以通过电镀工艺或使用电子束或溅射装置进行沉积。
所述下层电阻和上层电阻可以由选自如下组中的一种形成：压敏油墨、镍铬合金(Ni-Cr)、碳黑和碳纳米管。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制备用于曲面的触觉传感器的方法，该方法包括：在下层聚合物膜层上沉积下层金属层；蚀刻所述下层金属层和所述下层聚合物膜层以形成在某个方向上以一定间隔排布的多个下层金属层和下层聚合物膜层；在以一定间隔排布的所述下层金属层上形成多个下层电阻，以形成下层图案；在上层聚合物膜层上沉积上层金属层；蚀刻所述上层金属层和所述上层聚合物膜层以形成在某个方向上以一定间隔排布的多个上层金属层和上层聚合物膜层；在以一定间隔排布的所述上层金属层上形成多个上层电阻，以形成上层图案；以及将所述下层图案和所述上层图案彼此接合，以使所述下层金属层和所述上层金属层彼此垂直地交叉，并且所述下层电阻和所述上层电阻在各个交叉点处彼此电连接。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制备用于曲面的触觉传感器的方法，该方法包括：形成下层聚合物膜层后，进行冲压工艺以形成在某个方向上以一定间隔排布的多个下层聚合物膜层；在以一定间隔排布的所述下层聚合物膜层上形成下层金属层；在所述下层金属层上形成多个下层电阻，以形成下层图案；形成上层聚合物膜层后，进行冲压工艺以形成在某个方向上以一定间隔排布的多个上层聚合物膜层；在以一定间隔排布的所述上层聚合物膜层上形成上层金属层；在所述上层金属层上形成多个上层电阻，以形成上层图案；以及将所述下层图案和所述上层图案彼此接合，以使所述下层金属层和所述上层金属层彼此垂直地交叉，并且所述下层电阻和所述上层电阻在各个交叉点处彼此电连接。
在所述制备用于曲面的触觉传感器的方法中，将所述下层图案和所述上层图案彼此接合的步骤可以包括：将所述下层图案粘附到下层聚合物层上；将所述上层图案粘附到上层聚合物层上；以及将与所述下层图案粘着的所述下层聚合物层和与所述上层图案粘着的所述上层聚合物层叠加，使得所述下层电阻和所述上层电阻彼此连接，并通过固化使所述下层图案与所述上层图案接合。
此外，在所述制备用于曲面的触觉传感器的方法中，将所述下层图案和所述上层图案彼此接合的步骤可以包括：将下层图案和上层图案叠加，使得所述下层电阻和所述上层电阻彼此连接，将叠加的下层图案和上层图案装入模具中，并向该模具中充入液态的聚合物材料，通过固化以进行接合。
此外，优选地，所述上层图案和所述下层图案被制成波浪形。
附图说明
下面，将通过具体描述结合附图使本发明的上述和其它的目的、特征以及其它优点得到更清楚的理解。
图1的(A)、(B)和(C)表示根据本发明的较低级实施方式的用于曲面的触觉传感器的平面图；
图2表示图1的(C)所示的用于曲面的触觉传感器的截面图；
图3表示根据本发明的较高级实施方式的用于曲面的触觉传感器的平面图；
图4-9依次为表示根据本发明的较低级实施方式的制备用于曲面的触觉传感器的方法的平面图；
图10的(A)至图14依次为表示根据本发明的较高级实施方式的制备用于曲面的触觉传感器的方法的平面图；
图15为表示本发明的制备具有柔韧性的触觉传感器的方法的照片；
图16为表示本发明的触觉传感器的信号处理的电路图；和
图17表示常规的触觉传感器的一个例子。
具体实施方式
下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行详细的描述。
图1的(A)、(B)和(C)表示根据本发明的较低级实施方式的用于曲面的触觉传感器的平面图。图2表示图1的(C)所示的用于曲面的触觉传感器的截面图。
参见图1的(A)、(B)和(C)，图1的(A)表示该触觉传感器的下层图案的平面图。图1的(B)表示该触觉传感器的上层图案的背面的平面图。图1的(C)表示将该下层图案和该上层图案结合得到的触觉传感器的平面图。根据本发明的实施方式，该用于曲面的触觉传感器包括分别具有下层聚合物膜层11和上层聚合物膜层21的下层图案1和上层图案2。
在这个例子中，所述下层聚合物膜层11和上层聚合物膜层21可以由具有高回复力和优异的弯曲特性的柔韧的聚合物膜形成，例如，聚酰亚胺膜和聚酯膜或金属板(例如，Va-Cu金属板)。
所述下层聚合物膜层11和所述上层聚合物膜层21被图案化，使得所述下层聚合物膜层11或所述上层聚合物膜层21在某个方向上以一定间隔排布。所述下层聚合物膜层11或所述上层聚合物膜层21以彼此垂直的方式排布。
向以一定间隔排布的各个下层聚合物膜层11上提供下层金属层12。向所述下层金属层12上提供多个矩阵排布的下层电阻13。
此外，向以一定间隔排布的各个上层聚合物膜层21上提供上层金属层22。向所述上层金属层22上提供多个矩阵排布的上层电阻23。
此外，所述下层电阻13和所述上层电阻23可以由选自如下组中的一种制成：压敏油墨、镍铬合金(Ni-Cr)、碳黑和碳纳米管。当使用压敏油墨时，通过使用丝网印刷法来涂覆压敏油墨以形成所述下层电阻13和所述上层电阻23。当使用镍铬合金时，可以通过使用电子束或溅射装置来沉积镍铬合金并蚀刻该沉积的镍铬合金来形成所述下层电阻13和所述上层电阻23。
尽管图中用圆来表示所述下层电阻13和所述上层电阻23，但是它们也可以是矩形的。
所述下层金属层12以第一方向排布，且所述上层金属层22以与第一方向垂直的第二方向排布，这样所述下层电阻13和所述上层电阻23在各个交叉点彼此电连接。
此外，在所述下层图案与所述上层图案相接触的部分，所述下层聚合物膜层11和所述上层聚合物膜层21为圆形或矩形。
在另一方面，可以由各种具有高回复力、优异弯曲特性和柔韧性的聚合物材料形成下层聚合物层和上层聚合物层，例如，PDMS(聚二甲基硅氧烷)、聚硅氧烷和聚氨酯(PU)。由于PDMS易磨损，优选使用具有高耐磨性和回复力的PU代替PDMS。
根据本发明的较低级实施方式，在具有高柔韧性的上层聚合物膜层和下层聚合物膜层上分别形成所述金属层和电阻，然后将它们彼此粘接，从而形成该触觉传感器。因此，不能在X或Y方向上拉伸该触觉传感器，但是该触觉传感器在对角方向上的柔韧性增加了，这样可以在对角方向上拉伸该触觉传感器。
因此，该触觉传感器可以应用于比乒乓球的尺寸还小的具有多维曲率的球形物体，以及具有一维曲率的圆柱和具有大曲率半径的球面。因此，该触觉传感器可以应用于仿人机器人的手指或很小的球面。
图3表示根据本发明的较高级实施方式的用于曲面的触觉传感器的平面图。图中省略了对与较低级实施方式具有相同功能的结构的描述。
参见图3，下层图案和上层图案均制成波浪形，这是本发明的上层的实施方式的特征。
根据本发明的较高级实施方式，在所述用于曲面的触觉传感器中，所述下层图案和所述上层图案具有波浪形图案。因此增加了该触觉传感器在X、Y和对角方向上的柔韧性，从而可以在所有方向上拉伸该触觉传感器。
因此，可以将该触觉传感器用于具有多维曲率和很小曲率半径的物体。
此外，根据本发明的实施方式，由于所述金属层和所述电阻形成在具有高柔韧性的聚合物膜层上，所以不容易发生信号线上的金属剥落。因此，由于所述金属层和所述聚合物膜层之间具有高的接触强度，使得该触觉传感器具有高耐久性。
所述用于曲面的触觉传感器使用接触电阻法(contact resistance method)是本领域公知的，本发明的实施方式即用于该方法。因此，省略了接触传感器的附图及其结构的详细描述。
下面，将对本发明的实施方式的制备用于曲面的触觉传感器的方法进行详细的描述。
图4-8依次为表示根据本发明的较低级实施方式的制备用于曲面的触觉传感器的方法的平面图。
参见图4，形成了下层聚合物膜层110和下层金属层120。
参见图5的(A)所示的截面图和图5的(B)所示的平面图，将所述下层金属层120和所述下层聚合物膜层110图案化并进行蚀刻，以形成在某个方向上以一定间隔排布的多个下层金属层120和下层聚合物膜层110。
在该例子中，尽管没有在图中表示出，但是该下层聚合物膜层110和该下层金属层120可以被制成波浪形图案。
参见图6的(A)和图6的(B)，在下层金属层120上形成多个下层电阻130，以形成下层图案100。此外，通过与形成下层图案的方法相同的方法形成下面将描述的上层图案200，该上层图案200包括上层聚合物膜层210、上层金属层220和上层电阻230。
所述下层电阻130和上层电阻230可以由选自如下组中的一种构成：压敏油墨、镍铬合金(Ni-Cr)、碳黑和碳纳米管。当使用压敏油墨时，使用丝网印刷法来涂覆压敏油墨以形成所述下层电阻130和上层电阻230。当使用镍铬合金时，可以通过使用电子束或溅射装置来沉积镍铬合金然后蚀刻该沉积的镍铬合金以形成所述下层电阻130和上层电阻230。
此外，所述下层聚合物膜层110和所述上层聚合物膜层210可以由具有高回复力和优异的弯曲特性的柔韧的聚合物膜形成，例如，聚酰亚胺膜和聚酯膜或金属板(例如，Va-Cu金属板)。
参见图7，所述下层图案100和所述上层图案200分别与下层聚合物层140和上层聚合物层240粘结。
参见图8，所述下层图案100和所述上层图案200彼此叠加，使得所述下层金属层120和所述上层金属层220彼此交叉。通过固化将所述下层图案100和所述上层图案200接合，使得所述上层图案200的上层电阻230和所述下层图案100的下层电阻130在各个交叉点处彼此电连接。
通过另一种方式，如图9所示，所述下层图案100和所述上层图案200彼此叠加，使得所述下层金属层120和所述上层金属层220彼此交叉，并且所述上层电阻230和所述下层电阻130彼此电连接。然后，将所述下层图案100和所述上层图案200装入到模具250中。向该模具250中填充液态的聚合物材料，并通过固化来进行接合。在这种方式中，形成覆盖所述下层图案100和所述上层图案200的固化的聚合物材料层140和240，从而在安装所述下层图案100和所述上层图案200时起到绝缘作用。
下层聚合物层140和上层聚合物层240可以由各种具有优异的回复力和高柔韧性的聚合物材料形成，例如，PDMS、聚硅氧烷和聚氨酯。由于PDMS易磨损，优选使用具有高耐磨性和回复力的PU代替PDMS。
图10的(A)到图14依次为表示根据本发明的较高级实施方式的制备用于曲面的触觉传感器的方法的平面图。
参见图10的(A)所示的横截面图和图10的(B)所示的平面图，进行冲压工艺使得下层聚合物膜层310在某个方向上以一定的间隔排布。
参见图11的(A)所示的横截面图和图11的(B)所示的平面图，在以一定间隔排布的所述下层聚合物膜层310上沉积下层金属层320。
参见图12的(A)所示的横截面图和图12的(B)所示的平面图，在所述下层金属层320上形成多个下层电阻330，以形成下层图案300。此外，通过与形成下层图案300的方法相同的方法形成下面将描述的上层图案400，该上层图案400包括上层聚合物膜层410、上层金属层420和上层电阻430。
参见图13，所述下层图案300和所述上层图案400分别与下层聚合物层340和上层聚合物层440粘结。
参见图14，所述下层图案300和所述上层图案400彼此叠加，使得所述下层金属层320和所述上层金属层420彼此交叉。通过固化将所述下层图案300和所述上层图案400接合，使得所述上层电阻430和所述下层电阻330在各个交叉点处彼此电连接。
此外，尽管图中没有表示，但是所述下层图案300和所述上层图案400可以如图9中所示的方式接合。就是说，将所述下层图案300和所述上层图案400彼此叠加，并装入到模具中。然后，将液态的聚合物材料填充到该模具中，通过固化进行接合。
图15为表示本发明的制备具有柔韧性的触觉传感器的方法的照片。
参见图15，根据本发明的实施方式，将分别包括了形成在具有优异的柔韧性的聚合物层上的金属层的所述下层图案和上层图案彼此接合，使得形成在下层图案和上层图案上的信号线彼此垂直地交叉。
如上所述制备的触觉传感器具有优异的柔韧性，并且不容易发生由金属形成的信号线的脱离。因此，如图15的照片所示，可以将该触觉传感器应用于具有小曲率半径的球形物体。
参见图16，在8×8的矩阵中形成8个下层图案和8个上层图案。图16表示与外力相应的所述下层电阻和所述上层电阻之间的接触电阻，以及与该接触电阻相应的信号增益电路图。
向模拟放大器(OPAMP)530的负输入端施加来自输出端的输出。向该模拟放大器530的正输入端施加一个电压，该电压与施加在除了与作为测量对象的电阻A连接的主输入线之外的输入线上的电压相等。
换句话说，向该模拟放大器530的正输入端施加电压VG。向与作为测量对象的电阻A连接的主输入线施加电压Vin，向除了所述主输入线之外的输入线施加电压VGND。电压VGND和电压VG相等。
优选地，连接在所述模拟放大器530的输出端和负输入端之间的反馈电阻的电阻值Rf设定为与力传感器中所包括的电阻的电阻值相等。
相应于图16中的电阻A的电阻值Roo的所述模拟放大器(OPAMP)的输出值Vout由下面的等式(1)所表示。
V out = - R r R 00 V in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ( 1 )
如上所述，在本发明的触觉传感器中，在具有高回复力和优异的弯曲特性的上层图案和下层图案的聚合物层中分别形成多个信号线和电阻。所述上层图案和下层图案接合，使得所述上层图案和下层图案的信号线彼此交叉垂直，从而所述上层图案的电阻与所述下层图案的电阻在各个交叉点处相接触。因此，所述信号线和电阻形成在具有优异柔韧性的膜之间，从而可以将该触觉传感器应用于具有曲率的物体。
此外，在本发明的触觉传感器中，所述上层图案和下层图案中形成的多个信号线具有波浪形图案，然后使用聚合物材料将所述上层和下层图案接合。因此，增加了该触觉传感器在X、Y和对角方向上(即，在所有方向上)的延展性。因此，可以将该触觉传感器应用于具有小曲率半径的物体上，例如，仿人机器人的手指或非常小的球面。
尽管以说明为目的地公开了本发明的优选的实施方式，本领域技术人员将会理解，可以进行各种更改、添加和替代，而不背离随附的权利要求书中所公开的本发明的范围和精神。

Claims (10)

1、一种用于曲面的触觉传感器，该触觉传感器包括：
下层图案，该下层图案包括在下层方向上以一定间隔排布的多个下层聚合物膜层、排布在该下层聚合物膜层上的下层金属层、以及排布在该下层金属层上的多个下层电阻；
上层图案，该上层图案包括在垂直于所述下层方向的方向上以一定间隔排布的多个上层聚合物膜层、排布在该上层聚合物膜层上的上层金属层、以及排布在该上层金属层下面以与所述下层电阻电连接的多个上层电阻；以及
下层聚合物层和上层聚合物层，该下层聚合物层和上层聚合物层用于将所述下层图案和所述上层图案彼此接合，使得所述下层电阻和上层电阻在各个交叉点处彼此电连接。
2、根据权利要求1所述的触觉传感器，其中，所述下层聚合物膜层和上层聚合物膜层被制成波浪形图案。
3、根据权利要求1所述的触觉传感器，其中，所述下层聚合物膜层和上层聚合物膜层由选自如下组中的一种形成：聚酰亚胺膜、聚酯膜和Va-Cu金属板。
4、根据权利要求1所述的触觉传感器，其中，所述下层电阻和上层电阻由选自如下组中的一种形成：压敏油墨、镍铬合金、碳黑和碳纳米管。
5、根据权利要求1所述的触觉传感器，其中，在所述下层图案与所述上层图案相接触的部分，所述下层聚合物膜层和上层聚合物膜层为圆形或矩形。
6、一种制备触觉传感器的方法，该方法包括：
在下层聚合物膜层上沉积下层金属层；
蚀刻所述下层金属层和所述下层聚合物膜层以形成在某个方向上以一定间隔排布的多个下层金属层和下层聚合物膜层；
在以一定间隔排布的所述下层金属层上形成多个下层电阻，以形成下层图案；
在上层聚合物膜层上沉积上层金属层；
蚀刻所述上层金属层和所述上层聚合物膜层以形成在某个方向上以一定间隔排布的多个上层金属层和上层聚合物膜层；
在以一定间隔排布的所述上层金属层上形成多个上层电阻，以形成上层图案；以及
将所述下层图案和所述上层图案彼此接合，以使所述下层金属层和所述上层金属层彼此垂直地交叉，并且所述下层电阻和所述上层电阻在各个交叉点处彼此电连接。
7、一种制备触觉传感器的方法，该方法包括：
形成下层聚合物膜层后，进行冲压工艺以形成在某个方向上以一定间隔排布的多个下层聚合物膜层；
在以一定间隔排布的所述下层聚合物膜层上形成下层金属层；
在所述下层金属层上形成多个下层电阻，以形成下层图案；
形成上层聚合物膜层后，进行冲压工艺以形成在某个方向上以一定间隔排布的多个上层聚合物膜层；
在以一定间隔排布的所述上层聚合物膜层上形成上层金属层；
在所述上层金属层上形成多个上层电阻，以形成上层图案；以及
将所述下层图案和所述上层图案彼此接合，以使所述下层金属层和所述上层金属层彼此垂直地交叉，并且所述下层电阻和所述上层电阻在各个交叉点处彼此电连接。
8、根据权利要求6或7所述的方法，其中，将所述下层图案和所述上层图案彼此接合的步骤包括：
将所述下层图案粘附到下层聚合物层上；
将所述上层图案粘附到上层聚合物层上；以及
将与所述下层图案粘着的所述下层聚合物层和与所述上层图案粘着的所述上层聚合物层叠加，使得所述下层电阻和所述上层电阻彼此连接，并通过固化使所述下层图案与所述上层图案接合。
9、根据权利要求6或7所述的方法，其中，将所述下层图案和所述上层图案彼此接合的步骤包括：
将下层图案和上层图案叠加，使得所述下层电阻和所述上层电阻彼此连接，将叠加的下层图案和上层图案装入模具中，向该模具中充入液态的聚合物材料，通过固化来进行接合。
10、根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述下层聚合物层和所述上层聚合物层由选自如下组中的一种形成：聚二甲基硅氧烷、聚硅氧烷和聚氨酯。
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