CN102435376A - 柔性三维力传感器及其解耦方法和制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性导电橡胶的柔性三维力传感器并提出了制作方法。柔性三维力传感器的基体为柔性导电橡胶，中间由四层微电极和导线阵列组成，并且每一层的导线都外接信号处理电路，通过检测电阻值的变化从而测得三维力的大小。柔性三维力传感器的关键是微电极和导线的制作，本专利采用了基于SU-8+PDMS的UV-LIGA工艺制作微电极和导线阵列。然后，把制作好的微电极和导线阵列放入传感器的模腔中，注入液态柔性导电橡胶。最后，经过一段时间的冷却固化，即可制作出了柔性三维力传感器。由于微电极的间距小，大大提高了传感器的灵敏度和精度，并可以批量化生产传感器。

Description

柔性三维力传感器及其解耦方法和制作方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，旨在设计一种柔性三维力传感器，并提出了柔性三维力传感器的解耦方法和制作方法。

背景技术

柔性三维力传感器在仿生机器人的研发和应用中具有很重要的地位。高精度、高分辨率的柔性三维力传感器可以使得机器人灵敏的感觉到外部的受力情况，进而做出相应的反应，圆满的完成人交予的各项任务，并可以和人进行互动，使得机器人更加智能化和人性化。因此，研究人员为了得到性能优异的柔性三维力传感器，做出了不懈的努力。

目前国内外学者制作的柔性三维力传感器主要有以下两种制作方案：

第一种是柔性三维力传感器中的敏感元件单元是刚性的，利用柔性材料如硅橡胶等作为传递信息的媒介，即在柔性材料内部植入刚性传感器。这种柔性三维力传感器虽然接触面为柔性，但由于触觉传感器本体不为柔性，弯曲变形受到一定限制。

第二种是柔性三维力传感器中的敏感单元虽然是刚性的，但可以靠柔性的组织机构组合而成。如科学家使用网状设计，可以将各类的电子线路嵌入到一张柔软的塑料薄膜上，这种典型的结构形式是利用MEMS工艺制作而成的。该触觉传感器的制造工艺复杂，制造成本高。

发明内容：为了解决以上问题，本专利以柔性导电橡胶为基体，利用基于SU-8+PDMS的UV-LIGA工艺加工出微电极和导线，然后用夹具夹持已定位好的微电极和导线，并放置在已经做好的传感器模腔中，随后注入液态导电橡胶，就可以得到柔性三维力传感器。柔性三维力传感器内部微电极和导线采用了基于SU-8+PDMS的UV-LIGA工艺制作而成，减小了微电极间的距离，使得在一定的导电橡胶内能布置更多的传感器阵列，从而提高传感器的灵敏度和精度。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题就是提供一种柔性三维力传感器及其解耦方法和制作方法。

为解决这个问题，本发明采用以下技术方案：

柔性三维力传感器，包括第一层导线、第二层导线、第三层导线和第四层导线，所述第一层导线、第二层导线、第三层导线和第四层导线，层面间相互平行、各层导线间距相同；所述第一层导线、第二层导线、第三层导线和第四层导线上分别等间距连接多只第一层电极、第二层电极、第三层电极和第四层电极；其中，各相邻层之间的导线垂直排列，相隔层的导线平行排列；所述第一层导线、第一层电极、第二层导线、第二层电极、第三层导线、第三层电极、第四层导线、第四层电极间均填充有导电橡胶；第一层导线、第二层导线、第三层导线和第四层导线均是绝缘导线。

尤其是，所述的柔性三维力传感器，所述每只第一层电极的投影均位于四个第二层电极构成的正方形的中心、也位于四个第三层电极构成的正方形的中心、同时也位于四个第四层电极构成的正方形的中心；第一层导线相互间的间距与第一层电极相互间的间距相同，第二层导线的相互间的间距与第二层电极相互间的间距相同，第三层导线相互间的间距与第三层电极相互间的间距相同，第四层导线相互间的间距与第四层电极相互间的间距相同，并且第一层导线相互之间的间距与各层的层间距相同；

柔性三维力传感器的三维力的解耦方法：选定第一层导线，以其为基点：先检测第二层导线与第一层导线之间的电阻值，由电阻值的变化即可确定Fz的大小；同理检测第三层导线与第一层导线之间的电阻值，由电阻值的变化即可确定Fy的大小；同理检测第四层导线与第一层导线之间的电阻值，由电阻值的变化即可确定Fx的大小；

本发明要解决的另外一个技术问题就是微电极和导线的密度小，间距大，检测的灵敏度和精度低。

为了解决上述问题，本专利采用了基于SU-8+PDMS的UV-LIGA工艺来批量制作微电极和导线，并制作柔性三维力传感器。包括以下步骤：

步骤1基片的预处理

步骤2甩胶

结合IBM提供的SU-8的参数，选用SU-850光刻胶，以250r/min的速度旋转10秒，然后再以1200r/min的速度旋转30秒，完成涂胶，胶厚为100微米；

步骤3前烘

把已经甩胶的基片放在烘箱里进行烘烤，首先在65℃条件下烘烤10分钟，然后加温至95℃烘烤30分钟，最后在烘箱中逐步降到室温即可；

步骤4曝光

利用曝光功率密度为12.6mW/cm2，的光刻机进行曝光，曝光分两步进行，时间分别选为12S，14S；

步骤5SU-8的曝光后烘烤

后烘也在烘箱中进行，由室温首先上升到65℃大约用时10分钟，保持30分钟，再缓慢上升到95℃大约用时10分钟，然后保持30分钟，再慢慢的降温到65℃，大约用时30分钟，再保持20分钟，最后再逐步降到室温，大约用时30分钟；

步骤6显影

用专门的显影液进行显影，时间大约为20分钟，并放在超声波容器中加速显影的速度，显影后，利用异丙醇清洗3到5分钟，最后用氮气把试样吹干；

步骤7做PDMS模

在形成的SU-8胶膜中注入配好的PDMS溶液，然后放在100℃的烘箱中一个小时。最后，把形成的PDMS胶膜取下来即可；

步骤8溅射种子层

在形成的PDMS胶膜上溅射一层镍，使得能够进行微电镀。这样，PDMS胶膜就形成了，就可以大批量的生产微电极和导线了；

步骤9微电镀

最后，把形成的溅射有镍金属的PDMS模放入电镀槽中，并与阴极相连进行电镀，电镀铜。经过一段时间的电镀，就得到了微电极和导线的阵列，微电极半径为1mm，厚度为100μm，电极间距为4mm，最后，把形成好的微电极和导线阵列取出来即可；

步骤10涂绝缘漆

把导线涂抹上聚氨酯绝缘漆，使得导线成为绝缘导线；

步骤11固定微电极和导线

把经过上述步骤生产出来的微电极和导线组成的阵列按照尺寸要求排列好，用相应的夹具夹持住并放入柔性三维力传感器的方形模腔中；

步骤12注入液态柔性导电橡胶

向模腔中注入液态柔性导电橡胶，经过一段时间的冷却固化即可得到新型的柔性三维力传感器。

相对于目前的技术来说，本专利的有益结果为：第一，在有限的导电橡胶内部可以提高布置的微电极和导线的密度，从而提高了检测的灵敏度与精度；第二，避免了在使用中传统的焊接后的电极与导线经常断裂的现象，保证柔性三维力传感器持续正常的工作。第三，可以批量生产微电极和导线，对于柔性三维力传感器的批量应用提供了保证。

附图说明

图1为柔性三维力传感器的示意图。

图2为传感器阵列单元受三维力前后变化示意图；图2.1为O点受三维力前后位置的变化图；图2.2为三维坐标轴图；图2.3为传感器阵列单元示意图。。

图3为柔性三维力传感器的制作方法示意图，abcdefg。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

参见图1，柔性三维力传感器由层面间相互平行、各层导线间距相同的第一层导线1、第二层导线3、第三层导线5和第四层导线7，以及第一层导线1、第二层导线3、第三层导线5和第四层导线7上分别等间距连接的多只第一层电极2、第二层电极4、第三层电极6和第四层电极8组成。其中，第一层导线1与第三层导线5平行排列，第二层导线3与第四层导线7平行排列，并且第一层导线1与第二层导线3垂直排列，第二层导线3与第三层导线5垂直排列，第三层导线5与第四层导线7垂直排列，即各相邻层之间的导线垂直排列，相隔层的导线平行排列。每只第一层的电极2的投影均位于四个第二层电极4构成的正方形的中心、也位于四个第三层电极6构成的正方形的中心、同时也位于四个第四层电极8构成的正方形的中心。第一层导线1相互间的间距与第一层电极2相互间的间距相同，第二层导线3的相互间的间距与第二层电极4相互间的间距相同，第三层导线5相互间的间距与第三层电极6相互间的间距相同，第四层导线7相互间的间距与第四层电极8相互间的间距相同，并且第一层导线1相互之间的间距与各层的层间距相同。上述第一层导线1、第一层电极2、第二层导线3、第二层电极4、第三层导线5、第三层电极6、第四层导线7、第四层电极8间均填充有导电橡胶9.第一层导线1、第二层导线3、第三层导线5和第四层导线7均是绝缘导线。

实施例2

当力施加到柔性三维力传感器上时，力来自三个不同的方向，即由X方向、Y方向和Z方向的力合并而成，最终使得第一层电极2与第二层电极4、第三层电极6、第四层电极8间的导电橡胶受到挤压，发生位移变化，进而电阻值发生变化。变化前后的电阻值由行列扫描得到，再结合导电橡胶的状态方程F＝f(Δi)，Δi为X、Y、Z方向的位移，公式中的f函数由导电橡胶的性质决定。

参见图2，第一层电极2分别与其对应的四个第二层电极4、四个第三层电极6、四个第四层电极8构成传感器阵列单元，根据行列扫描到的电阻值的变化而分别测得Z方向、Y方向、X方向上的力。假设第一层电极2为原点O，假设相对应的四个电极依次为a、b、c、d，并假设受力前原点O与a、b、c、d的等效电阻为Ra、Rb、Rc、Rd。当柔性三维力传感器受到三维力作用时，原点O移动到O’点，Ra、Rb、Rc、Rd就会发生相应的变化。

三维力的解耦方式如下：

以第一层电极2与四个第二层电极4组成的检测单元检测Z方向分力。当O点受到Z方向的分力(假设力的方向为垂直向下)时，O向下移动到O’点，因为|oa|、|ob|、|oc|和|od|都将减小相同的长度，则Ra、Rb、Rc、Rd减小相同的电阻值，由电阻值的变化即可得到Z方向的分力的大小；

同理，以第一层电极2与四个第三层电极6组成的检测单元检测Y方向分力。当O点受到Y方向的分力(假设为正方向)时，O向前移动到O’点，则|oa|和|od|将增大相同的长度，则Ra和Rd增大相同的电阻值；|ob|和|oc|将减小相同的长度，则Rb和Rc减小相同的电阻值，由电阻值的变化即可得到Y方向的分力的大小。

以第一层电极2与四个第四层电极8组成的检测单元检测X方向分力。当O点受到X方向的分力(假设为正方向)时，O向右移动到O’点，则|oa|和|ob|将增大相同的长度，则Ra和Rb将增大相同的电阻值；|oc|和|od|将减小相同的长度，则Rc和Rd减小相同的电阻值，由电阻值的变化即可得到X方向的分力的大小。

实施例3

参见图3，柔性三维力传感器的制作方法为：

其中步骤1至10为采用了基于SU-8+PDMS的UV-LIGA工艺来批量制作微电极和导线的制作方法，步骤11至12为传感器的组装、固化成型。

步骤1基片的预处理

以硅片为基片，并对其进行清洁处理。主要用异丙基或者甲醇冲洗，如果有油污的话，还需要用甲叉二氯清洗，才能彻底清除，然后把基片烘干。

步骤2甩胶

结合IBM提供的SU-8的参数，选用SU-850光刻胶，以250r/min的速度旋转10秒，然后再以1200r/min的速度旋转30秒，完成涂胶，胶厚为100微米。

步骤3前烘

为了减少SU-8胶中热应力的产生和由此引起的影响，把已经甩胶的基片放在烘箱里进行烘烤，首先在65℃条件下烘烤10分钟，然后加温至95℃烘烤30分钟，最后在烘箱中逐步降到室温即可。

步骤4曝光(图3中A)

利用曝光功率密度为12.6mW/cm²的光刻机进行曝光，曝光分两步进行，时间分别选为12S，14S。

步骤5SU-8的曝光后烘烤

后烘也在烘箱中进行，由室温首先上升到65℃大约用时10分钟，保持30分钟，再缓慢上升到95℃大约用时10分钟，然后保持30分钟，再慢慢的降温到65℃，大约用时30分钟，再保持20分钟，最后再逐步降到室温，大约用时30分钟。

步骤6显影(图3中B)

用专门的显影液进行显影，时间大约为25分钟，并放在超声波容器中加速显影的速度，显影后，利用异丙醇清洗3到5分钟，最后用氮气把试样吹干。

步骤7做PDMS模(图3中C、D)

在形成的SU-8胶膜中注入配好的PDMS溶液，然后放在100℃的烘箱中一个小时。最后，把形成的PDMS胶膜取下来即可。

步骤8溅射种子层(图3中E)

在形成的PDMS胶膜上溅射一层镍10，使得能够进行微电镀。这样，PDMS胶膜就形成了，就可以大批量的生产微电极和导线了。

步骤9微电镀(图3中F)

最后，把形成的溅射有镍金属的PDMS模放入电镀槽中，并与阴极相连进行电镀，电镀铜。经过一段时间的电镀，就得到了微电极和导线的阵列11，微电极半径为1mm，厚度为100μm，电极间距为4mm，最后，把形成好的微电极和导线阵列取出来即可。

步骤10涂绝缘漆

把导线涂抹上聚氨酯绝缘漆，使得导线成为绝缘导线。

步骤11固定微电极和导线

把经过上述步骤生产出来的微电极和导线组成的阵列按照尺寸要求排列好，用相应的夹具夹持住并放入柔性三维力传感器的方形模腔中。

步骤12注入液态柔性导电橡胶

向模腔中注入液态柔性导电橡胶，经过一段时间的冷却固化即可得到新型的柔性三维力传感器100。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.柔性三维力传感器，其特征在于，包括第一层导线、第二层导线、第三层导线和第四层导线，所述第一层导线、第二层导线、第三层导线和第四层导线，层面间相互平行、各层导线间距相同；所述第一层导线、第二层导线、第三层导线和第四层导线上分别等间距连接的多只第一层电极、第二层电极、第三层电极和第四层电极；其中，各相邻层之间的导线垂直排列，相隔层的导线平行排列；所述第一层导线、第一层电极、第二层导线、第二层电极、第三层导线、第三层电极、第四层导线、第四层电极间均填充有导电橡胶；第一层导线、第二层导线、第三层导线和第四层导线均是绝缘导线。

2.根据权利要求1所述的柔性三维力传感器，其特征在于，所述每只第一层电极的投影均位于四个第二层电极构成的正方形的中心、也位于四个第三层电极构成的正方形的中心、同时也位于四个第四层电极构成的正方形的中心；第一层导线相互间的间距与第一层电极相互间的间距相同，第二层导线的相互间的间距与第二层电极相互间的间距相同，第三层导线相互间的间距与第三层电极相互间的间距相同，第四层导线相互间的间距与第四层电极相互间的间距相同，并且第一层导线相互之间的间距与各层的层间距相同。

3.柔性三维力传感器的三维力的解耦方法：其特征在于，选定第一层导线，以其为基点：先检测第二层导线与第一层导线之间的电阻值，由电阻值的变化即可确定Fz的大小；同理检测第三层导线与第一层导线之间的电阻值，由电阻值的变化即可确定Fy的大小；同理检测第四层导线与第一层导线之间的电阻值，由电阻值的变化即可确定Fx的大小。

4.柔性三维力传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1基片的预处理

步骤2甩胶

结合IBM提供的SU-8的参数，选用SU-850光刻胶，以250r/min的速度旋转10秒，然后再以1200r/min的速度旋转30秒，完成涂胶，胶厚为100微米；

步骤3前烘；把已经甩胶的基片放在烘箱里进行烘烤，首先在65℃条件下烘烤10分钟，然后加热至95℃，保持30分钟，最后在烘箱中逐步降到室温即可；

步骤4曝光

利用曝光功率密度为12.6mW/cm2，的光刻机进行曝光，曝光分两步进行，时间分别选为12S，14S；

步骤5SU-8的曝光后烘烤

后烘也在烘箱中进行，由室温首先上升到65℃大约用时10分钟，保持30分钟，再缓慢上升到95℃大约用时10分钟，然后保持30分钟，再慢慢的降温到65℃，大约用时30分钟，再保持20分钟，最后再逐步降到室温，大约用时30分钟；

步骤6显影

用专门的显影液进行显影，时间大约为20分钟，并放在超声波容器中加速显影的速度，显影后，利用异丙醇清洗3到5分钟，最后用氮气把试样吹干；

步骤7做PDMS模

在形成的SU-8胶膜中注入配好的PDMS溶液，然后放在100℃的烘箱中一个小时。最后，把形成的PDMS胶膜取下来即可；

步骤8溅射种子层

在形成的PDMS胶膜上溅射一层镍，使得能够进行微电镀。这样，PDMS胶膜就形成了，就可以大批量的生产微电极和导线了；

步骤9微电镀

最后，把形成的溅射有镍金属的PDMS模放入电镀槽中，并与阴极相连进行电镀，电镀铜。经过一段时间的电镀，就得到了微电极和导线的阵列，微电极半径为1mm，厚度为100μm，电极间距为4mm，最后，把形成好的微电极和导线阵列取出来即可；

步骤10涂绝缘漆

把导线涂抹上聚氨酯绝缘漆，使得导线成为绝缘导线；

步骤11固定微电极和导线

把经过上述步骤生产出来的微电极和导线组成的阵列按照尺寸要求排列好，用相应的夹具夹持住并放入柔性三维力传感器的方形模腔中；

步骤12注入液态柔性导电橡胶

向模腔中注入液态柔性导电橡胶，经过一段时间的冷却固化即可得到新型的柔性三维力传感器。

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