CN105606270A - 一种基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，用于解决现有传感器不能同时检测触觉和压觉的问题，其特征在于：是在一柔性基底上呈上下结构设置有电容层和电阻层，电容层用于感知触觉信息，电阻层用于感知压觉信息，电容层位于电阻层的上方。本发明的全柔性触压觉传感器，与普通触觉传感器和压力传感器相比，既能分辨较小的触觉力，同时又能实现对较大的压力的测量，提高了传感器小量程段的分辨力和灵敏度，保证了传感器不同量程段的分辨率和精度；本发明的传感器的所用材料均具有柔性，同时将所有引线引至底部，使该传感器更易于阵列化，更便于维护。

Description

一种基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器
技术领域
本发明属于传感技术领域，涉及一种应用于人工智能皮肤的全柔性触压觉传感器。
背景技术
人类皮肤是一个精巧又复杂的感知系统，在其中包含着多种生物传感器。这些传感器能够感知多种外界刺激，例如热量的变化、触摸、挤压、形变、化学腐蚀等等，人类皮肤不仅能够感知这些外界刺激，而且具有很高的灵敏性和分辨能力。人类皮肤对于机械刺激的感知，主要分为触觉感知和压觉感知，皮肤中的触觉小体可以感知触觉刺激，环层小体可以感知压觉刺激。触觉是由非常轻微且不足以引起皮肤形变的刺激产生，压觉是由能够引起皮肤形变的力产生。随着电子皮肤的发展，电子皮肤已经能够检测出多种外界刺激，并且被应用于机器人、触觉检测、温度监控、健康医疗等领域。常见的触觉传感器和压力传感器种类繁多，按其检测机理的不同主要分为：压阻式、压电式、电容式等几种。在电子皮肤的各种应用中，触觉和压觉占有极其重要的地位。
目前国内外研制出的触觉传感器只能检测一个较小的压力，压力传感器有一个较大的量程，但其分辨力相对于其小量程段来说是不足的。美国斯坦福大学的鲍哲南等人对两电极间的柔性填充物进行了微结构改造，采用空心球微结构，能非常灵敏地检测外界压力，但只能检测0～10kPa小量程段的应力。浙江大学的梅德庆等人，提出了一种用平顶金字塔微结构作为介电层的电容式触觉传感器，该传感器在触觉力检测上，具有很高的灵敏度，然而最大只能检测4N的应力。YangyongWang等人介绍了一种弹性基体内嵌的可拉伸织物传感器，可以实现2MPa应力检测，但小量程段应力检测灵敏度和精度不足。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有触觉传感器和压觉传感器所存在的不足之处，提出一种基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，以解决现有传感器不能兼具检测触觉力和压觉力功能的问题。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，其特点在于：
本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，其结构在于：是在一柔性基底上呈上下结构设置有电容层和电阻层，所述电容层用于感知触觉信息，所述电阻层用于感知压觉信息，所述电容层位于所述电阻层的上方。
所述电阻层以碳纳米管/炭黑填充硅橡胶为敏感材料；所述电容层以硅橡胶或PDMS为敏感材料(优选为硅橡胶)。
所述柔性基底以聚酰亚胺为材质。
所述电容层和所述电阻层皆采用上下电极结构；在柔性基底的上表面设置有下电极，在所述下电极的上方设置有电阻层，在所述电阻层的上方设置有公共电极，在所述公共电极的上方设置有电容层，在所述电容层的上方设置有上电极，在所述上电极的上方设置有柔性保护层；所述电阻层以所述公共电极作为上电极，以所述下电极作为下电极；所述电容层以所述上电极作为上电极，以所述公共电极作为下电极。
所述上电极和所述公共电极以有机硅导电银胶为材料，所述下电极以铜为材料。
所述柔性保护层为硅橡胶层，用于保护上电极和防滑。
在所述柔性基底的上表面设置有上电极焊盘和公共电极焊盘；所述上电极以漆包线作为上电极引出线引至上电极焊盘；所述公共电极以漆包线作为公共电极引出线引至公共电极焊盘；所述上电极焊盘通过过孔与位于柔性基底下表面的上电极信号线相连，所述公共电极焊盘通过过孔与位于柔性基底下表面的公共电极信号线相连；所述下电极与位于柔性基底上表面的下电极信号线相连。这种设置方式可以使布线更加灵活，更便于阵列化。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，与普通触觉传感器和压力传感器相比，既能分辨较小的触觉力，同时又能实现对较大的压力的测量，提高了传感器小量程段的分辨力和灵敏度，保证了传感器不同量程段的分辨率和精度；
2、本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，以聚酰亚胺为柔性基底，电容层、电阻层、电极均为柔性材料，与传统传感器相比，具有良好的柔性，可以实现传感器的弯曲变形，能够更好的贴合机器人皮肤表面，实现对触觉力和压觉力的检测，提高了传感器的适用性；
3、本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器通过改变电容层的材质、调节电容层与电阻层的高度、改变电阻层的碳纳米管/炭黑的质量分数与比例，可以改变该传感器的灵敏度与量程，进一步扩展了其应用范围；
4、本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器制备工艺简单，与一般多层上下结构力敏传感器相比，该传感器通过漆包线将电极均引致柔性基底的上表面，更易于阵列化，也了避免布线繁琐、不美观等问题。
附图说明
图1是本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的垂直剖面结构图；
图2是本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的拆分立体图；
图3是本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的电极引线示意图；
图4是本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的阵列结构示意图；
图5是本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的阵列引线示意图；
图6是本发明实施例1基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的电容-应力曲线关系图；
图7是本发明实施例1基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的电阻-应力曲线关系图；
图8是本发明实施例1基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的动态响应曲线图；
图9是本发明实施例2基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的电容-应力曲线关系图；
图10是本发明实施例3基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的电阻-应力曲线关系图；
图中标号：1柔性保护层；2上电极；3电容层；4公共电极；5电阻层；6柔性基底；7下电极；8公共电极引出线；9公共电极焊盘；10上电极引出线；11上电极焊盘；12传感单元；13上电极信号线；14公共电极信号线；15下电极信号线。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2所示，本实施例基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器有一个多层的上下结构，是在柔性基底6的上表面设置有下电极7，在下电极7的上方设置有电阻层5，在电阻层5的上方设置有公共电极4，在公共电极4的上方设置有电容层3，在电容层3的上方设置有上电极2，在上电极2的上方设置有柔性保护层1；
其中电容层3位于电阻层5的上方，电容层3厚度为1mm，电阻层5厚度为2mm，整个传感器高度为3.5mm，直径为8mm；
电阻层5以碳纳米管/炭黑填充硅橡胶为敏感材料，采用上下电极结构，以公共电极4为上电极，以下电极7为下电极，电阻层用于检测压觉信息；
电容层3以硅橡胶为敏感材料，采用上下电极结构，以上电极2为上电极，以公共电极4为下电极，电容层对压力具有很强的敏感性，能够检测到微小的压力信息，即能够检测触觉信息；
柔性保护层1是均匀涂抹在上电极2上的一薄层硅橡胶，用于保护上电极和防滑作用；
基于柔性印刷电路板(FPCB)技术，柔性基底6选用聚酰亚胺为材质，上电极7是通过镀在柔性基底上表面的一层铜；
如图3所示，上电极引出线10、公共电极引出线8均选用漆包线作为导线，上电极焊盘11、公共电极焊盘9与下电极7均在柔性基底6的上表面；
上电极2由上电极引出线10引至上电极焊盘11，公共电极4由公共电极引出线8引至公共电极焊盘9；
如图5所示，展示了本实施例全柔性触压觉传感器阵列的引线方式，上电极信号线13和公共电极信号线14位于柔性基底6的下表面，下电极信号线15位于柔性基底6的上表面；
上电极焊盘11通过过孔与上电极信号线13相连，公共电极焊盘9通过过孔与公共电极信号线14相连，下电极7与下电极信号线15相连。
本实施例全柔性触压觉传感器的柔性基底6以聚酰亚胺为材质，利用柔性印刷电路板(FPCB)技术，将下电极7、公共电极焊盘9、上电极焊盘11制作在柔性基底6上，使电极、焊盘能够任意弯曲变形，具有良好的柔性；
电阻层5以碳纳米管/炭黑填充硅橡胶为敏感材料，其中以TNM5型碳纳米管和CB3100型炭黑作为混合导电填料，分别由中国科学院成都有机化学有限公司和瑞士SPC公司生产，选用中昊晨光化工研究院有限公司的GD401型硅橡胶作为柔性基体。为保证传感器的灵敏度和稳定性，碳纳米管/炭黑混合填料的质量分数为5％，保证在“渗流区”附近，以便受力时利用导电粒子间距变化产生电阻的变化；且两者质量比为2：3，保证填料分布均匀，形成稳定的力学结构，保证机械性能。碳纳米管/炭黑和硅橡胶通过溶液共混法制备。利用3D打印技术打印出一个内径8mm中空的圆柱形模具，将该模具放置在下电极上，使模具中空部分与下电极对齐，然后将制备好的适量碳纳米管/炭黑/硅橡胶混合溶液倒进模具中，待混合溶液在室温下硫化成型，取下圆柱形模具，即可获得直径8mm，厚度2mm的以碳纳米管/炭黑填充硅橡胶为敏感材料的电阻层5。
电容层3选用中昊晨光化工研究院有限公司的GD401型硅橡胶为电介质材料，该硅橡胶可以在室温下自行固化成型，且固化成型后具有很好的柔韧性。利用3D打印技术打印一个内径为8mm的圆柱形模具，将适量的上述硅橡胶倒入该模具中，待其固化成型，从模具中取出已成型的硅橡胶即可。
为保证传感器具有良好的柔性，电极应该具有良好的柔性和导电性，本实施例选用南京喜力特胶粘剂有限公司的YC-02型有机硅导电银胶作为上电极2和公共电极4的材料，YC-02型有机硅导电银胶甲、乙组分按质量比10:1均匀混合后室温下可自行固化，且固化后具有良好的导电性、可拉伸性及柔软性等优点。在电阻层5的上表面均匀涂抹一层YC-02型有机硅导电银胶，作为公共电极，利用漆包线作为公共电极引出线8，将公共电极4引至公共电极焊盘9，与此同时，将已制得的上述电容层3放置在公共电极4上，以保证电阻层5与电容层3能牢靠粘合。
在电容层3的上表面，均匀涂抹一层有机硅导电银胶，作为上电极2，同时利用漆包线作为上电极引出线10，将上电极2引致上电极焊盘11，然后在上电极2的上表面涂抹一层硅橡胶作为柔性保护层1。
如图4，展示了本实施例全柔性触压觉传感器的阵列示意图，将各个传感器单元12在柔性基底6上排布成阵列形式。
本实施例的全柔性触压觉传感器检测触压觉的机理如下：电容层3以硅橡胶为电介质，采用上下电极结构，当电容层受到挤压时，电容层3上下两端的上电极2和公共电极4之间的间距会发生变化，从而导致电容值的变化；电阻层5以碳纳米管/炭黑填充硅橡胶为敏感材料，碳纳米管/炭黑填充硅橡胶属于导电粒子填充聚合物复合材料，导电粒子在聚合物内部互相“连接”形成导电网络，并形成稳定的力学结构，当传感器受到不同大小的力的挤压，敏感材料内部导电网络受到不同程度的影响，从而引起电阻值的变化；然后通过信号处理电路对输出信号的处理与分析，即可检测作用在传感器上的力的大小。
电容层3以硅橡胶为电介质，可以检测触觉力，采用上下电极结构，当外力作用在传感器上时，会使电容层3的上下电极间距减小，电容层3的电容值将会增加，其电容-应力关系曲线如图6，当压力增加至20N(312.5kPa)以上，电容值基本不再改变，趋于饱和；当压力小于10N(156.25kPa)时电容层具有很高的灵敏度，分辨力为0.1N，能够良好的分辨和检测触觉力。
电阻层5，采用上下电极，敏感材料为碳纳米管/炭黑填充硅橡胶。当外力作用在传感器上时，敏感材料受到挤压，上下电极之间竖直方向导电粒子形成更多的有效导电网络，导致敏感材料电阻值减小，呈负压阻效应。电阻-应力关系曲线如图7所示，分辨力为1N，由于采用上下电极结构，导电网络受外力影响范围宽，电极间敏感材料随外力形变大，且由于形变引起的应变效应和导电网络变化引起的压阻效应均导致电阻值下降，两者协同作用，使电阻层能够感知外界力。
上述电容层3在10N以内，具有较高的灵敏度和分辨力，但对较大的力的感知能力很弱；上述电阻层5，能检测0～100N(0～1562.5kPa)，但其分辨力无法满足对触觉力检测的要求，同时用于触觉力检测时误差较大。为了实现兼具检测触觉力和压觉力的功能，本实施例利用信号处理电路将上述电容层3和电阻层5的优势相结合。
本实施例的全柔性触压觉传感器的电容提取选用具备I2C兼容型串行接口与片内环境自校准功能、高达16位CDC精度、13路容性输入的AD7147-1，配合单刀双掷开关ADG734，可以轻松实现对多路电容信号的采集；利用一个电桥和一个多路模拟开关CD4067B，可以实现对多路电阻信号的提取；提取的电容、电阻信号被转换为数字信号送入微处理器。在实际工作中，电容信号会先被提取，微处理器根据电容值反算出压力值，若压力值小于10N，则当前压力值即作为测量值；反之，若微处理器根据电容值反算出的压力值大于10N，则提取电阻信号，微处理器再根据电阻值反算出压力值，计算得出的压力值即为测量值。
向本实施例的全柔性触压觉传感器间隔施加和释放作用力，其动态响应与恢复特性如图8所示，可以看出该传感器能快速感知作用力信息并且有良好的重复性。
实施例2
为探索不同敏感材料对传感器性能的影响，本实施例将实施例1中电容层3的敏感材料换为PDMS，其余与实施例1保持相同。所得全柔性触压觉传感器的电容-应力关系曲线图如图9所示，与以硅橡胶为敏感材料作电容层相比，以PDMS为敏感材料的电容层有更高的灵敏度，但分辨力却只有0.5N。
实施例3
为探索不同敏感材料对传感器性能的影响，本实施例将实施例1中电阻层5的敏感材料换为质量分数为6％的碳纳米管/炭黑填充硅橡胶，其余与实施例1保持相同。所得全柔性触压觉传感器的电阻-应力关系曲线图如图10所示，与以质量分数为5％的碳纳米管/炭黑填充硅橡胶作电阻层相比，以质量分数为6％的碳纳米管/炭黑填充硅橡胶作电阻层有较高的灵敏度，但最大只能检测80N(1250kPa)的应力。

Claims (7)

1.一种基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，其特征在于：是在一柔性基底上呈上下结构设置有电容层和电阻层，所述电容层用于感知触觉信息，所述电阻层用于感知压觉信息，所述电容层位于所述电阻层的上方。
2.根据权利要求1所述的基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，其特征在于：所述电阻层以碳纳米管/炭黑填充硅橡胶为敏感材料；所述电容层以硅橡胶或PDMS为敏感材料。
3.根据权利要求1或2所述的基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，其特征在于：所述柔性基底以聚酰亚胺为材质。
4.根据权利要求1或2所述的基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，其特征在于：所述电容层和所述电阻层皆采用上下电极结构；
在柔性基底(6)的上表面设置有下电极(7)，在所述下电极(7)的上方设置有电阻层(5)，在所述电阻层(5)的上方设置有公共电极(4)，在所述公共电极(4)的上方设置有电容层(3)，在所述电容层(3)的上方设置有上电极(2)，在所述上电极(2)的上方设置有柔性保护层(1)；
所述电阻层(5)以所述公共电极(4)作为上电极，以所述下电极(7)作为下电极；所述电容层(3)以所述上电极(2)作为上电极，以所述公共电极(4)作为下电极。
5.根据权利要求4所述的基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，其特征在于：所述上电极(2)和所述公共电极(4)以有机硅导电银胶为材料，所述下电极(7)以铜为材料。
6.根据权利要求4所述的基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，其特征在于：所述柔性保护层(1)为硅橡胶层。
7.根据权利要求4所述的基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，其特征在于：
在所述柔性基底(6)的上表面设置有上电极焊盘(11)和公共电极焊盘(9)；所述上电极以漆包线作为上电极引出线(10)引至上电极焊盘(11)；所述公共电极(4)以漆包线作为公共电极引出线(8)引至公共电极焊盘(9)；
所述上电极焊盘(11)通过过孔与位于柔性基底(6)下表面的上电极信号线(13)相连，所述公共电极焊盘(9)通过过孔与位于柔性基底(6)下表面的公共电极信号线(14)相连；
所述下电极(7)与位于柔性基底(6)上表面的下电极信号线15相连。
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