CN103424214B - 柔性电容式触觉传感器及其柔性电容单元的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性电容式触觉传感器，包括柔性电容单元以及与其电连接的信号处理电路电路板，所述柔性电容单元包括柔性绝缘介质层，其上、下表面分别开设与上导电电容极板层、下导电电容极板层的形状相吻合的凹槽，上导电电容极板层嵌入在柔性绝缘介质层的上表面开设的凹槽内，下导电电容极板层嵌入在柔性绝缘介质层的下表面开设的凹槽内。本发明还公开了一种柔性电容式触觉传感器的制备方法。本发明既能同时检测出三维力的大小，又具有良好的整体柔性，结构设计降低了三维力求解的难度，电容式传感器可满足实时检测的要求，并且其结构紧凑，整体性强，从而使其工作稳定，使用方便，适应性好，适用范围广。

Description

柔性电容式触觉传感器及其柔性电容单元的制备方法

技术领域

本发明涉及传感器制备技术领域，尤其是一种柔性电容式触觉传感器及其柔性电容单元的制备方法。

背景技术

触觉是机器人获取环境信息的一种重要知觉形式，是机器人实现与环境直接作用的必需媒介，它具有很强的敏感能力，可直接测量对象和环境的多种性质特征。常用的机器人触觉传感器种类繁多，按敏感机理不同主要分为压阻式、压电式、电容式、光传感器式、磁传感式、超生传感式和机械传感式等。一个理想的触觉传感器，除了成本低廉、制备简单和耐用性强等要求之外，还必须具有同时三维力检测和柔韧性好等特点。尤其是在服务和医疗机器人领域，它们需要在同一生存环境下与人类直接接触，需要使用一些柔性类似人类皮肤的触觉感知表面来确保使用的安全性。

电容式传感器是将被测参数变换为电容量的测量装置，具有测量范围大，灵敏度高，动态响应时间短，功耗低等优点，为了克服一些外界条件如电源电压、环境温度变化等的影响，可采用差动式的电容传感器。公告号为CN101059380A、专利名称为“一种柔性电容式触觉传感器的制作方法”的专利，利用PDMS中间层，制备柔性PI衬底、图形化的金属敏感电极和PI绝缘保护层，实现了有机柔性材料与传统MEMS工艺的兼容，所制作的电容式触觉传感器可挠性好，能同时感受切向力和法向力的大小；然而，由于该传感器敏感电极仍采用Al或Cr/Au金属薄膜，在所贴附表面曲率较大时会因电极和介质的弹性模量差异引起较大误差，还未实现真正的全柔性。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种实现整个敏感单元的全柔性、可检测出三维力的大小、响应时间短、灵敏度高、性能稳定的柔性电容式触觉传感器。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种柔性电容式触觉传感器，包括柔性电容单元以及与其电连接的信号处理电路电路板，所述柔性电容单元由位于中间层的柔性绝缘介质层，以及分别位于其上、下表面的上导电电容极板层和下导电电容极板层组成，柔性绝缘介质层的上、下表面分别开设与上导电电容极板层、下导电电容极板层的形状相吻合的凹槽，上导电电容极板层嵌入在柔性绝缘介质层的上表面开设的凹槽内，下导电电容极板层嵌入在柔性绝缘介质层的下表面开设的凹槽内。

所述上导电电容极板层由第一长方形电容极板以及分别位于其左、右两侧的第一、二直角梯形电容极板组成，三个电容极板之间有间距且间距相等，第一、二直角梯形电容极板的形状、大小一致，第一长方形电容极板的长与第一、二直角梯形电容极板非组成直角的腰相互平行；所述下导电电容极板层由第二长方形电容极板以及分别位于其上、下两侧的第三、四直角梯形电容极板组成，三个电容极板之间有间距且间距相等，第三、四直角梯形电容极板的形状、大小一致，第二长方形电容极板的长与第三、四直角梯形电容极板非组成直角的腰相互平行。

所述柔性绝缘介质层采用可流动成型的柔性绝缘高分子材料制备；所述上、下导电电容极板层采用可流动成型的柔性导电材料制备。

所述柔性电容单元通过柔性导线与信号处理电路电路板电连接。

所述柔性绝缘介质层的上表面的中心位置处开设与第一长方形电容极板的形状相吻合的凹槽，以及与第一、二直角梯形电容极板的形状相吻合的凹部；柔性绝缘介质层的下表面的中心位置处开设与第二长方形电容极板的形状相吻合的凹槽，以及与第三、四直角梯形电容极板的形状相吻合的凹部；第一、二长方形电容极板的形状、大小一致，第一、二、三、四直角梯形电容极板的形状、大小一致。

所述柔性绝缘介质层采用聚二甲基硅氧烷PDMS或室温硫化硅橡胶RTV制备；所述上、下导电电容极板层采用硅脂导电胶制备。

本发明的另一目的在于提供一种柔性电容式触觉传感器的柔性电容单元的制备方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）将由柔性绝缘高分子材料制备的混合液，倒入硅片模具，硅片模具上设置与上导电电容极板层、下导电电容极板层的形状相吻合的凹槽；

（2）加热硅片模具，使混合液完全固化，将硅片模具与固化后的混合液分离，得到上、下表面设有凹槽的柔性绝缘介质层；

（3）将由柔性导电材料制备的混合液涂布到柔性绝缘介质层的上、下表面的凹槽内。

在制备柔性绝缘介质层时，步骤一，按使用要求选择合适质量比，即液态主剂和固化剂的质量比为8～12：1的绝缘高分子混合液，对其超声搅拌40分钟，将搅拌后的混合液倒入预制的硅片模具上，该硅片模具上设有与上导电电容极板层的形状相吻合的凹槽；步骤二，加热已浇铸混合液的硅片模具，加热温度80～100℃，保温50～70分钟，使其中液体完全固化，将硅片模具与固化后的绝缘高分子材料分离，得到上表面有凹槽的柔性绝缘介质层；步骤三，将硅片模具逆时针旋转90度，重复步骤一、二、三，制备柔性绝缘介质层的下表面，得到上、下表面均设置凹槽的柔性绝缘介质层。

在制备上、下导电电容极板层时，将合适质量比，即液态主剂与固化剂的质量比为8～12：1的导电高分子混合液涂布到柔性绝缘介质层的上、下表面的凹槽内。

由上述技术方案可知，本发明中上、下导电电容极板层采用“斜交叉”结构，改变了传统的电容压力传感器上下电极板“垂直十字交叉”结构，使得可测电容（C1,C2,C3,C4）的变化趋势对切向力的方向和大小极为敏感；在上、下导电电容极板层“斜交叉”结构的同时，增加了一个上、下导电电容极板层“垂直十字交叉”的中间电容C5结构，任意三维力加载，中间电容C5的上下电极板重叠面积均不变，仅极板间距发生变化，此结构设计使得三维力求解时，能将法向力单独求解出来，降低了求解难度；采用柔性绝缘介质层，且电容极板也采用柔性高导电材料，两者紧密粘合，杨氏模量相近，为“一体化”结构，使得传感器在曲面曲率较大仍能保持整体的高度柔性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中柔性电容单元的结构示意图；

图3是图2中上导电电容极板层的结构示意图；

图4是图2中下导电电容极板层的结构示意图；

图5是图2中上、下导电电容极板层叠加的结构示意图。

具体实施方式

一种柔性电容式触觉传感器，包括柔性电容单元以及与其电连接的信号处理电路电路板5，所述柔性电容单元由位于中间层的柔性绝缘介质层2，以及分别位于其上、下表面的上导电电容极板层1和下导电电容极板层3组成，柔性绝缘介质层2的上、下表面分别开设与上导电电容极板层1、下导电电容极板层3的形状相吻合的凹槽，上导电电容极板层1嵌入在柔性绝缘介质层2的上表面开设的凹槽内，下导电电容极板层3嵌入在柔性绝缘介质层2的下表面开设的凹槽内，如图1、2所示，所述柔性电容单元通过柔性导线4与信号处理电路电路板5电连接。所述柔性绝缘介质层2采用可流动成型的柔性绝缘高分子材料制备；所述上、下导电电容极板层1、3采用可流动成型的柔性导电材料制备。所述柔性绝缘介质层2采用聚二甲基硅氧烷PDMS或室温硫化硅橡胶RTV或其他或其它可流动成型的柔性绝缘高分子材料制备；所述上、下导电电容极板层1、3采用硅脂导电胶或其他可流动成型的柔性导电材料制备。

如图3所示，所述上导电电容极板层1由第一长方形电容极板1a以及分别位于其左、右两侧的第一、二直角梯形电容极板1b、1c组成，三个电容极板之间有间距且间距相等，第一、二直角梯形电容极板1b、1c的形状、大小一致，第一长方形电容极板1a的长与第一、二直角梯形电容极板1b、1c非组成直角的腰相互平行；如图4所示，所述下导电电容极板层3由第二长方形电容极板3a以及分别位于其上、下两侧的第三、四直角梯形电容极板3b、3c组成，三个电容极板之间有间距且间距相等，第三、四直角梯形电容极板3b、3c的形状、大小一致，第二长方形电容极板3a的长与第三、四直角梯形电容极板3b、3c非组成直角的腰相互平行。换句话说，下导电电容极板层3是上导电电容极板层1逆时针旋转90°得到的，第一、二、三、四直角梯形电容极板1b、1c、3b、3c是一个“斜交叉”结构，中间的第一、二长方形电容极板1a、3a是一个“垂直交叉”结构，通过上述电容极板之间的有序交叉重叠，每个传感器单元内可得到五个电容输出，即电容C1、C2、C3、C4、C5。

如图3、4所示，所述柔性绝缘介质层2的上表面的中心位置处开设与第一长方形电容极板1a的形状相吻合的凹槽，以及与第一、二直角梯形电容极板1b、1c的形状相吻合的凹部；柔性绝缘介质层2的下表面的中心位置处开设与第二长方形电容极板3a的形状相吻合的凹槽，以及与第三、四直角梯形电容极板3b、3c的形状相吻合的凹部；第一、二长方形电容极板1a、3a的形状、大小一致，第一、二、三、四直角梯形电容极板1b、1c、3b、3c的形状、大小一致。

在制备柔性电容单元时，其步骤如下：（1）将由柔性绝缘高分子材料制备的混合液，倒入硅片模具，硅片模具上设置与上导电电容极板层1、下导电电容极板层3的形状相吻合的凹槽；（2）加热硅片模具，使混合液完全固化，将硅片模具与固化后的混合液分离，得到上、下表面设有凹槽的柔性绝缘介质层2；（3）将由柔性导电材料制备的混合液涂布到柔性绝缘介质层2的上、下表面的凹槽内。

在制备柔性绝缘介质层2时，步骤一，按使用要求选择合适质量比，即液态主剂和固化剂的质量比为8～12：1的绝缘高分子混合液，对其超声搅拌40分钟，将搅拌后的混合液倒入预制的硅片模具上，该硅片模具上设有与上导电电容极板层1的形状相吻合的凹槽；步骤二，加热已浇铸混合液的硅片模具，加热温度80～100℃，保温50～70分钟，使其中液体完全固化，将硅片模具与固化后的绝缘高分子材料分离，得到上表面有凹槽的柔性绝缘介质层2；步骤三，将硅片模具逆时针旋转90度，重复步骤一、二、三，制备柔性绝缘介质层2的下表面，得到上、下表面均设置凹槽的柔性绝缘介质层2。

在制备上、下导电电容极板层1、3时，将合适质量比，即液态主剂与固化剂的质量比为8～12：1的导电高分子混合液涂布到柔性绝缘介质层2的上、下表面的凹槽内。

本发明的三维柔性触觉传感器在使用过程中，当其对外受力时，其所受到的力可以分解到三个不同方向，x方向，y方向和z方向。该力使柔性绝缘介质层2因受挤压而变形，本发明中的极板和介质层是“一体化”结构，即受力时两者不会发生相对滑动平移，电容的变化量仅与绝缘介质层的形变有关，反映的是极板间距和极板间重叠面积的变化。

本发明在使用过程中，具体受力分析为：

（1）当只有z方向单维法向力加载时，极板间距减小，即所测得的5个电容输出均增加，根据5个电容的增量计算间距的变化，取其平均值，根据材料应力应变关系推导出相应法向力大小；

（2）当只有x或y方向单维切向力加载时，介质层厚度即极板间距基本不变，除电容C5外，电容C1、C2、C3、C4的极板重叠面积发生改变，由于上下电容的斜交叉特殊设计，电容的变化趋势与受力方向相关，可采用施力方向上两个电容的差分法计算相应电容极板的面积变化，再根据弹性体的剪切应力应变关系推导出相应切向力大小；

（3）当任意方向三维力加载时，介质层的厚度即极板间距减小，而除电容C5外，电容C1、C2、C3、C4的极板重叠面积发生变化，首先根据电容C5的变化计算出极板间距，再分别根据x和y方向的电容差分，代入计算得到的极板间距值，分别得到x和y方向的变化值，基于力-形变的线性叠加原理推导出三维力Fx、Fy、Fz的大小。

综上，本发明既能同时检测出三维力的大小，又具有良好的整体柔性，结构设计降低了三维力求解的难度，电容式传感器可满足实时检测的要求，并且其结构紧凑，整体性强，从而使其工作稳定，使用方便，适应性好，适用范围广。

Claims (9)

1.一种柔性电容式触觉传感器，其特征在于：包括柔性电容单元以及与其电连接的信号处理电路电路板，所述柔性电容单元由位于中间层的柔性绝缘介质层，以及分别位于其上、下表面的上导电电容极板层和下导电电容极板层组成，柔性绝缘介质层的上、下表面分别开设与上导电电容极板层、下导电电容极板层的形状相吻合的凹槽，上导电电容极板层嵌入在柔性绝缘介质层的上表面开设的凹槽内，下导电电容极板层嵌入在柔性绝缘介质层的下表面开设的凹槽内。

2.根据权利要求1所述的柔性电容式触觉传感器，其特征在于：所述上导电电容极板层由第一长方形电容极板以及分别位于其左、右两侧的第一、二直角梯形电容极板组成，三个电容极板之间有间距且间距相等，第一、二直角梯形电容极板的形状、大小一致，第一长方形电容极板的长与第一、二直角梯形电容极板非组成直角的腰相互平行；所述下导电电容极板层由第二长方形电容极板以及分别位于其上、下两侧的第三、四直角梯形电容极板组成，三个电容极板之间有间距且间距相等，第三、四直角梯形电容极板的形状、大小一致，第二长方形电容极板的长与第三、四直角梯形电容极板非组成直角的腰相互平行。

3.根据权利要求1所述的柔性电容式触觉传感器，其特征在于：所述柔性绝缘介质层采用可流动成型的柔性绝缘高分子材料制备；所述上、下导电电容极板层采用可流动成型的柔性导电材料制备。

4.根据权利要求1所述的柔性电容式触觉传感器，其特征在于：所述柔性电容单元通过柔性导线与信号处理电路电路板电连接。

5.根据权利要求2所述的柔性电容式触觉传感器，其特征在于：所述柔性绝缘介质层的上表面的中心位置处开设与第一长方形电容极板的形状相吻合的凹槽，以及与第一、二直角梯形电容极板的形状相吻合的凹部；柔性绝缘介质层的下表面的中心位置处开设与第二长方形电容极板的形状相吻合的凹槽，以及与第三、四直角梯形电容极板的形状相吻合的凹部；第一、二长方形电容极板的形状、大小一致，第一、二、三、四直角梯形电容极板的形状、大小一致。

6.根据权利要求3所述的柔性电容式触觉传感器，其特征在于：所述柔性绝缘介质层采用聚二甲基硅氧烷PDMS或室温硫化硅橡胶RTV制备；所述上、下导电电容极板层采用硅脂导电胶制备。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的柔性电容式触觉传感器的柔性电容单元的制备方法，该方法包括下列顺序的步骤：

（1）将由柔性绝缘高分子材料制备的混合液，倒入硅片模具，硅片模具上设置与上导电电容极板层、下导电电容极板层的形状相吻合的凹槽；

（2）加热硅片模具，使混合液完全固化，将硅片模具与固化后的混合液分离，得到上、下表面设有凹槽的柔性绝缘介质层；

（3）将由柔性导电材料制备的混合液涂布到柔性绝缘介质层的上、下表面的凹槽内。

8.根据权利要求7所述的柔性电容单元的制备方法，其特征在于：在制备柔性绝缘介质层时，步骤一，按使用要求选择合适质量比，即液态主剂和固化剂的质量比为8～12：1的绝缘高分子混合液，对其超声搅拌40分钟，将搅拌后的混合液倒入预制的硅片模具上，该硅片模具上设有与上导电电容极板层的形状相吻合的凹槽；步骤二，加热已浇铸混合液的硅片模具，加热温度80～100℃，保温50～70分钟，使其中液体完全固化，将硅片模具与固化后的绝缘高分子材料分离，得到上表面有凹槽的柔性绝缘介质层；步骤三，将硅片模具逆时针旋转90度，重复步骤一、二、三，制备柔性绝缘介质层的下表面，得到上、下表面均设置凹槽的柔性绝缘介质层。

9.根据权利要求7所述的柔性电容单元的制备方法，其特征在于：在制备上、下导电电容极板层时，将合适质量比，即液态主剂与固化剂的质量比为8～12：1的导电高分子混合液涂布到柔性绝缘介质层的上、下表面的凹槽内。