CN104897317A - 基于仿生结构的柔性触-压觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于仿生结构的柔性触-压觉传感器，用于解决现有传感器不能同时实现触觉和压觉功能的问题。包括表层衬底、表层感应电极、表层弹性层、驱动电极、底层弹性层、底层感应电极和底层衬底。表层衬底的上表面设置有应力收集突起，其下表面耦合有表层感应电极，表层弹性层的下表面耦合有驱动电极，上表面刻蚀有深度小于表层弹性层厚度的敏感空隙，该敏感空隙与应力收集突起和表层感应电极上下垂直对齐；底层衬底的上表面耦合有底层感应电极，表层衬底、表层弹性层、底层弹性层和底层衬底自上而下依次叠加。本发明能够模仿人体皮肤同时实现触觉和压觉功能，可扩展成电子皮肤用于仿生机器人实现对外界压力刺激的大范围高精度测量。

Description

基于仿生结构的柔性触-压觉传感器

技术领域

本发明属于仿生电子技术领域，特别涉及一种具有仿生结构的柔性触-压觉传感器，可用于仿生机器人以模仿人体皮肤同时实现触觉和压觉功能。

背景技术

随着仿生电子学、生物力学、医学工程、新材料技术、传感器技术和机器人技术等新兴交叉学科和方向的发展及融合，具有人体皮肤感觉功能的柔性传感器得到了广大科研工作者、医生和工程师的重视和研究，并且被广泛应用到了智能机器人、康复医学、矫形外科和制鞋业等学科和行业。

人体皮肤对外界压力刺激所引起的感觉，称为触觉和压觉，微弱的压力刺激使皮肤触觉感受器兴奋引起的感觉称为触觉；较强的压力刺激使皮肤组织变形而引起的感觉称为压觉。外界压力刺激使皮肤的触-压感受器发生形变，产生生物电传递到大脑完成对触觉和压觉的感知。人体皮肤的触-压感受器主要分为触觉小体Meissnercorpuscle、环层小体Paciniancorpuscle、梅克尔触盘Merkel disk和拉菲尼小体Ruffiniendings，其中触觉小体和梅克尔触盘对瞬时力敏感，具有较高的感知精度；环层小体和拉菲尼小体对静态力敏感，具有较大的感知范围，这四种感受器综合作用使得人体皮肤产生触觉和压觉。

目前以模仿人体皮肤对压力刺激感受为主的柔性传感器的研究主要有：1以轻微压力检测为主的触觉传感器，如中国专利申请，授权号CN 102589759A，该发明公开了一种触觉传感器，名称为“基于压阻式和电容式组合的仿生柔性触觉传感器阵列”。该仿生柔性触觉传感器阵列从下至上依次由柔性基底层、电容层、压阻层和表面封装层构成，能够模仿人体皮肤实现静态力和瞬态力的同时测量，但其测量范围较小，无法同时实现压觉功能。2以较大压力测量为主的压觉传感器，如中国专利申请，授权号CN 102980691 A，该发明公开了一种压觉传感器，名称为“三维界面应力传感器”。该传感器包括顶层、驱动电极、中间层、感应电极和底层，能够模仿人体皮肤实现压觉功能测量三维界面应力，但其测量精度不高，无法同时实现触觉功能。

由上述可知，现有柔性触觉传感器虽然能够模仿人体皮肤触觉功能测量瞬时力，但其测量范围较小，难以同时完成压觉模仿；柔性压觉传感器虽然能够模仿人体皮肤压觉功能测量静态力，但其测量精度不高，难以同时完成触觉模仿。其原因在于模仿触觉功能的瞬时力和模仿压觉功能的静态力的测量范围相差数个量级，已有传感器在测量精度和测量范围上不能同时满足，难以实现触觉和压觉的同时模仿。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种基于仿生结构的柔性触-压觉传感器，以解决现有传感器不能模仿人体皮肤同时实现触觉和压觉功能的问题。

本发明的技术原理是：

平板电容的输出电容与极板间距成反比，与极板间的重合面积成正比。

人体皮肤由表皮、真皮和皮下组织三层组成。人体皮肤的触-压觉功能由分布于其内的四种触-压感受器触觉小体、环层小体、梅克尔触盘和拉菲尼小体综合作用产生。

根据以上技术原理，实现本发明目的所采取的技术方案为：

一种基于仿生结构的柔性触-压觉传感器，包括表层衬底1、表层感应电极2、表层弹性层3、驱动电极4、底层弹性层5、底层感应电极6和底层衬底7，其中：

所述表层衬底1的上表面设置有应力收集突起11，其下表面耦合有表层感应电极2，所述应力收集突起11与表层感应电极2上下垂直对齐；

所述表层弹性层3的上表面刻蚀有敏感空隙31，该敏感空隙31的深度小于表层弹性层3的厚度，且其与表层衬底1下表面上的表层感应电极2的位置对应；在表层弹性层3的下表面中心位置耦合有驱动电极4；

所述底层衬底7的上表面中心位置耦合有底层感应电极6，其面积大于表层感应电极2；

所述表层衬底1、表层弹性层3、底层弹性层5和底层衬底7自上而下依次形成层叠结构。

作为优选，上述基于仿生结构的柔性触-压觉传感器，所述表层衬底1和底层衬底7均采用矩形柔性聚合物板材，且两者横截面对应的边长相等。

作为优选，上述基于仿生结构的柔性触-压觉传感器，所述表层弹性层3和底层弹性层5均采用弹性聚合物，其中表层弹性层3的形状为矩形板材，且其横截面对应的边长与表层衬底1和底层衬底7相等，底层弹性层5的形状为矩形立方体，且其横截面对应的边长小于表层衬底1、表层弹性层3和底层衬底7。

作为优选，上述基于仿生结构的柔性触-压觉传感器，所述应力收集突起11的数量为n，n≥1。

作为优选，上述基于仿生结构的柔性触-压觉传感器，所述表层感应电极2和敏感空隙31的数量与应力收集突起11相等。

作为优选，上述基于仿生结构的柔性触-压觉传感器，所述表层感应电极2的面积小于敏感空隙3，且两者的形状相似。

作为优选，上述基于仿生结构的柔性触-压觉传感器，所述表层衬底1、表层弹性层3、底层弹性层5和底层衬底7横截面上的对应边相互平行。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明的结构由于采用了模仿人体皮肤的多层多电极仿生结构，表层电极与驱动电极形成表层输出电容具有较高的测量精度，可模仿人体皮肤实现触觉功能；底层电极与驱动电极形成底层输出电容具有较大的测量范围，可模仿人体皮肤实现压觉功能；多个输出电容能够模仿人体皮肤同时实现触觉和压觉功能。

2.本发明的表层衬底和底层衬底均采用了柔性聚合物，表层弹性层和底层弹性层均采用了弹性聚合物，使得整个传感器为全柔性设计，可扩展成阵列制作柔性电子皮肤用于仿生机器人，应用到康复医学、矫形外科和制鞋业等学科和行业中，具有较高的应用前景。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明表层感应电极的仰视图；

图3是本发明驱动电极的仰视图；

图4是本发明底层感应电极的俯视图；

图5是本发明扩展成柔性电子皮肤的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细阐述。应当理解，所述实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的保护范围。此外应理解，在阅读了本发明描述的内容以后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的保护范围。

参照图1，本发明包括表层衬底1、表层感应电极2、表层弹性层3、驱动电极4、底层弹性层5、底层感应电极6和底层衬底7；表层衬底1采用PET材料，以便于表层感应电极2的低温沉淀，形状为正方形板材，以便于扩展成阵列制作柔性电子皮肤，该正方形板材的大小为10mm×10mm，厚度为0.5mm；在表层衬底1的上表面中心位置设置有2×2个形状为凸台状的应力收集突起11，这四个应力收集突起11能够收集外界轻微压力刺激，以帮助表层感应电极完成触觉功能模仿；在表层衬底1的下表面耦合有2×2个形状为正方形的表层感应电极2，其位置与2×2个应力收集突起11上下对应，且其大小与应力收集突起11的下底面相等。表层弹性层3采用矩形PDMS板材，其横截面对应的边长与表层衬底1相等，厚度为0.5mm，在该表层弹性层3的上表面中心位置设置有2×2个边长为2.2mm的正方形敏感空隙31，相邻两个敏感空隙31之间的距离与相邻两个表层感应电极2相等且位置上下对应，该敏感空隙31的深度小于表层弹性层3的厚度；在表层弹性层3的下表面中心位置耦合有正方形驱动电极4，该驱动电极4和四个表层感应电极2之间形成输出电容具有较高的测量精度，可实现压觉功能的模仿。底层弹性层5采用正方体PDMS材料，其边长为0.9mm,厚度为3mm，中间刻蚀有井状空间，用于增加底层输出电容的灵敏度。底层衬底7采用矩形PET板材，其横截面对应的边长与表层衬底1相等，厚度为1mm，在底层衬底7的上表面中心位置耦合有底层感应电极6。

表层感应电极2、驱动电极4和底层感应电极6均采用AZO为导线材料。表层衬底1、表层弹性层3、底层弹性层5和底层衬底7经过表面活化后，自上而下依次粘合连接在一体，形成层叠结构；为了方便外围电路的导线连接，粘结时感应电极2和底层感应电极6采用x轴水平方向布置，驱动电极4采用y轴水平方向布置。采用这种多层多电极的仿生结构的原因是模仿人体皮肤三层多感受器的结构。

参照图2，表层感应电极2是由四个采用导电性、柔韧性和低温沉淀性良好的AZO柔性透明电极材料的触觉感应电极组成，每个触觉感应电极大小为2mm×2mm，这四个触觉感应电极和驱动电极4之间形成输出电容具有较高的测量精度，可实现压觉功能的模仿；该表层感应电极2沿同一方向的两个电极之间通过导线连接，线宽为0.2mm。

参照图3，驱动电极4耦合于表层弹性层3下表面的中心位置，其形状为8mm×8mm的正方形，在正方形的一组对边上设置有连接导线。驱动电极4分别与表层感应电极2和底层感应电极6之间形成输出电容。

参照图4，底层感应电极6耦合于底层衬底7的上表面中心位置，其形状为6mm×6mm的正方形，在正方形的一组对边上设置有连接导线。底层感应电极6与驱动电极4之间形成的输出电容具有较大的测量范围，可模仿人体皮肤实现压觉功能。

参照图5，是本发明扩展成柔性电子皮肤的结构示意图，采用一体成型制作的方式进行扩展，即所述传感的各层直接制作成传感器阵列所需尺寸后，再进行层叠绑定。所述柔性电子皮肤的各个电极之间沉淀电极作为导线进行连接。所述的基于仿生结构的触-压觉传感器可扩展成阵列制作成电子皮肤，用于仿生机器人模仿人体皮肤实现触-压觉功能，可用于康复医学、矫形外科和制鞋业等学科和行业。

Claims (7)

1.一种基于仿生结构的柔性触-压觉传感器，其特征在于：包括表层衬底(1)、表层感应电极(2)、表层弹性层(3)、驱动电极(4)、底层弹性层(5)、底层感应电极(6)和底层衬底(7)，其中：

所述表层衬底(1)的上表面设置有应力收集突起(11)，其下表面耦合有表层感应电极(2)，所述应力收集突起(11)与表层感应电极(2)上下垂直对齐；

所述表层弹性层(3)的上表面刻蚀有敏感空隙(31)，该敏感空隙(31)的深度小于表层弹性层(3)的厚度，且其与表层衬底(1)下表面上的表层感应电极(2)的位置对应；在表层弹性层(3)的下表面中心位置耦合有驱动电极(4)；

所述底层衬底(7)的上表面中心位置耦合有底层感应电极(6)，其面积大于表层感应电极(2)；

所述表层衬底(1)、表层弹性层(3)、底层弹性层(5)和底层衬底(7)自上而下依次形成层叠结构。

2.根据权利要求1所述的基于仿生结构的柔性触-压觉传感器，其特征在于所述表层衬底(1)和底层衬底(7)均采用矩形柔性聚合物板材，且两者横截面对应的边长相等。

3.根据权利要求1所述的基于仿生结构的柔性触-压觉传感器，其特征在于所述表层弹性层(3)和底层弹性层(5)均采用弹性聚合物，其中表层弹性层(3)的形状为矩形板材，且其横截面对应的边长与表层衬底(1)和底层衬底(7)相等，底层弹性层(5)的形状为矩形立方体，且其横截面对应的边长小于表层衬底(1)、表层弹性层(3)和底层衬底(7)。

4.根据权利要求1所述的基于仿生结构的柔性触-压觉传感器，其特征在于所述应力收集突起(11)的数量为n，n≥1。

5.根据权利要求1所述的基于仿生结构的柔性触-压觉传感器，其特征在于所述表层感应电极(2)和敏感空隙(31)的数量与应力收集突起(11)相等。

6.根据权利要求1所述的基于仿生结构的柔性触-压觉传感器，其特征在于所述表层感应电极(2)的面积小于敏感空隙(3)，且两者的形状相似。

7.根据权利要求1所述的基于仿生结构的柔性触-压觉传感器，其特征在于所述表层衬底(1)、表层弹性层(3)、底层弹性层(5)和底层衬底(7)横截面上的对应边相互平行。