CN108007613A - 基于石墨烯泡沫的三维力传感器 - Google Patents

基于石墨烯泡沫的三维力传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯泡沫的三维力传感器，包括大小相同、平行设置的顶层和底层，顶层和底层之间、顶层和底层的四角处均固定设有分隔柱，四个分隔柱构成支撑层；顶层和底层之间的中心位置设有三维移动单元，三维移动单元与顶层连接，三维移动单元的正下方设有正压力石墨烯泡沫单元，正压力石墨烯泡沫单元与底层连接，三维移动单元的水平方向四个面外侧均设有侧石墨烯泡沫单元，侧石墨烯泡沫单元的外侧设有侧石墨烯支撑层，侧石墨烯支撑层与底层连接，所述支撑层、侧石墨烯支撑层、三维移动单元的材料均为超弹性材料。本发明具有较高的灵敏度与稳定性，能够解耦三维力，测量单元间没有串扰。

Description

基于石墨烯泡沫的三维力传感器
技术领域
本发明属于电子器件技术领域，涉及一种基于石墨烯泡沫的三维力传感器，用于测量仿生机器人与物体之间的三维力。
背景技术
压力传感器是利用压敏材料受压后的物理形变转化为电信号的器件，被广泛应用于医学、机器人、航空航天和工业生产等领域。当一个压力作用于物体表面时，在接触面会受到来自物体内部大小相等方向相反的应力，称为界面应力。这种压力按照作用方向可分为两种，与界面垂直的压力称为正压力(常为一维，记Z向)，与界面平行的压力称为剪切力(常为二维，记X向和Y向)。在实际应用中，绝大部分压力既不垂直于界面，也不平行于界面，而是同时耦合了Z向正压力、X和Y向剪切力，称为三维界面压力。因此，通过三维力传感器将这种三维界面压力解耦成一维正压力和二维剪切力后进行测量，具有极其重要的科学意义和迫切的实用价值。
三维力传感器在多个领域具有广泛的潜在应用前景。例如，在医学工程领域，对于需要使用假肢行走的截肢患者而言，假肢的好坏直接影响到他们的生活，获得良好的舒适性与移动性是众多医生和科研工作者所追求的目标，为了帮助患者改善舒适性，研究截肢表面与假肢接口之间的三维界面应力分布对于改善舒适性具有至关重要的作用。又如，在医学工程领域，足底三维力的测量被认为是研究步态的关键技术，为糖尿病和拇外翻等疾病提供重要的参考数据。再如，在机器人领域，机器人手在实现“抓”和“握”等功能时更是需要三维力的测量。因此，三维力传感器在医学、机器人和工业等多个领域具有广泛的应用前景。
目前三维力传感器的研究主要有：1.基于压阻材料的三维力传感器，如现有技术1(申请号：200410065900.0，名称：柔性三维力触觉传感器，公开日：2006.7.5)由压敏电阻、处理电路、弹性基底、三维力敏感阵列、柔性填充材料、柔性电路板、弹性保护层构成，能够测量X轴、Y轴、Z轴的受力，但传感器无法解耦三维力，传感器会出现较大误差。现有技术2(申请号：201210193314.9，名称：仿人型机器人多指手柔性三维力触觉传感器及其三维力，公开日：2012.10.3)由传力半球层、上下柔性电极层、复合压阻材料构成，能够测量正压力与剪切力，但当正压力与剪切力同时作用在传感器时，传感器无法解耦三维力，传感器会出现较大误差。2.基于电容的三维力传感器，如现有技术3(申请号：201210501846.4，名称：三维界面应力传感器，公开日：2013.3.20)公开的传感器包括驱动电极、中间层、感应电极，能够通过电容的变化测量三维力的大小，但其易产生杂散电容与耦合电容，并且单元间的串扰会影响该传感器测量结果，传感器稳定性较差。又如现有技术4(申请号：201520560274.6，名称：一种接触式平行板三维力压力传感器，公开日：2015.11.11)公开的传感器包括控制单元、各方向电容单元组，能够测量三维力的大小，但其结构无法解耦三维力，且易产生杂散电容与感应电容，传感器误差较大、稳定性差。
由上述可见，压阻式三维力传感器具有较好的稳定性，但其结构并不能解耦三维力，传感器误差较大。电容式三维力传感器具有较高的灵敏度、柔性与温度独立等优点被广泛采用，但在实际应用中存在杂散电容与耦合电容，测量单元间存在串扰，严重影响测量结果，传感器稳定性较差。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供一种基于石墨烯泡沫的三维力传感器，具有较高的灵敏度与稳定性，能够解耦三维力，测量单元间没有串扰，解决了现有技术中三维力传感器测量误差大、稳定性差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于石墨烯泡沫的三维力传感器，包括大小相同、平行设置的顶层和底层，顶层和底层之间、顶层和底层的四角处均固定设有分隔柱，四个分隔柱构成支撑层；顶层和底层之间的中心位置设有三维移动单元，三维移动单元与顶层连接，三维移动单元的正下方设有正压力石墨烯泡沫单元，正压力石墨烯泡沫单元与底层连接，三维移动单元的水平方向四个面外侧均设有侧石墨烯泡沫单元，侧石墨烯泡沫单元的外侧设有侧石墨烯支撑层，侧石墨烯泡沫单元与侧石墨烯支撑层之间没有间隙，侧石墨烯支撑层与底层连接，每个侧石墨烯泡沫单元与相应的侧石墨烯支撑层构成剪切力传感单元；剪切力传感单元的顶部低于支撑层的顶部；所述支撑层、侧石墨烯支撑层、三维移动单元的材料均为超弹性材料。
本发明的特征还在于，进一步的，所述支撑层采用的超弹性材料是聚二甲基硅氧烷。
进一步的，所述侧石墨烯支撑层采用的超弹性材料是聚二甲基硅氧烷。
进一步的，所述三维移动单元采用的超弹性材料是聚二甲基硅氧烷。
进一步的，所述顶层和底层均为柔性印刷电路板，顶层和底层的形状均为正方形。
进一步的，所述正压力石墨烯泡沫单元的横截面积小于三维移动单元的横截面积。
进一步的，所述侧石墨烯支撑层的外侧与底层的边缘对齐。
进一步的，所述分隔柱的外侧与顶层、底层的边缘对齐。
进一步的，所述三维移动单元形状为正方体，支撑层形状为长方体，侧石墨烯泡沫单元、侧石墨烯支撑层均为长方体，正压力石墨烯泡沫单元形状为长方体。
本发明的有益效果是，本发明几何尺寸小，灵敏度高，基于集成，能够实时测量、解耦三维力，误差小，可用于智能机器人、康复医疗等领域；与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明相比基于压阻式三维力传感器能够解耦三维力，误差更小。
2.本发明相比电容式三维力具有更好的稳定性，测量单元间没有串扰，稳定性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的内部结构示意图。
图3是本发明实施例去掉顶层的俯视图。
图4是本发明实施例在正压力下侧石墨烯泡沫单元、正压力石墨烯泡沫单元的测量结果。
图5是本发明实施例在剪切力下侧石墨烯泡沫单元、正压力石墨烯泡沫单元的测量结果。
图6是本发明传感器在正压力方向重复性实验数据的曲线图。
图7是本发明传感器在剪切力方向重复性实验数据的曲线图。
图8是本发明传感器在正压力方向的偏差实验数据的曲线图。
图9是本发明传感器在剪切力方向的偏差实验数据的曲线图。
图中，1.顶层，2.支撑层，3.剪切力传感单元，31.侧石墨烯支撑层，32.侧石墨烯泡沫单元，4.底层，5.三维移动单元，6.正压力石墨烯泡沫单元。
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。
本发明的技术原理：泡沫材料在受到外力的情况下会发生压缩，泡沫的细胞壁与细胞壁相互接触。本发明所采用的石墨烯泡沫受到外力压缩时，石墨烯泡沫细胞壁之间发生接触，引起泡沫电阻的变化，本发明基于石墨烯泡沫的三维力传感器利用石墨烯泡沫这一特性，实现对微弱压力的测量；当Z向正压力施加在三维力传感器表面，用于测量正压力的正压力石墨烯泡沫单元会被压缩；当X、Y向剪切力施加在三维力传感器表面，三维力传感器顶层、底层发生相对位移，利用侧石墨烯泡沫单元测量三维力传感器顶层、底层的相对位移，从而测量X、Y向剪切力。
本发明实施例的结构，如图1-3所示，包括大小相同平行设置的顶层1和底层4，顶层1和底层4之间、顶层1和底层4的四角处均固定设有分隔柱，分隔柱的外侧与顶层1、底层4的边缘对齐，四个分隔柱构成支撑层2，用于支撑传感器，支撑层2与顶层1(或底层4)之间相互垂直；顶层1和底层4之间的中心位置设有三维移动单元5，三维移动单元5与顶层1连接，三维移动单元5的正下方设有正压力石墨烯泡沫单元6，用于感应正压力，正压力石墨烯泡沫单元6与底层4连接，正压力石墨烯泡沫单元6的横截面积小于三维移动单元5的横截面积，为了保证三维位移单元5完整压缩正压力石墨泡沫单元6，提高测量精度；三维移动单元5水平方向四个面外侧均设有侧石墨烯泡沫单元32，侧石墨烯泡沫单元32的外侧设有侧石墨烯支撑层31，侧石墨烯泡沫单元32与侧石墨烯支撑层31之间没有间隙，石墨烯支撑层31用于支撑侧石墨烯泡沫单元32，保证剪切力压缩侧石墨烯泡沫单元32，侧石墨烯支撑层31与底层4连接；侧石墨烯支撑层31的外侧与底层4的边缘对齐，每个侧石墨烯泡沫单元32与相应的侧石墨烯支撑层31构成剪切力传感单元3，起到感应剪切力的目的；四个剪切力传感单元3与顶层1(或底层4)之间相互垂直，剪切力传感单元3的顶部低于支撑层2的顶部。
四个剪切力传感单元3与顶层1(或底层4)之间相互垂直，支撑层2与顶层1(或底层4)之间相互垂直，当顶层1与底层4之间发生相对位移，三维移动单元5均匀压缩剪切力传感单元3，使得剪切力传感单元3更容易测量X、Y向剪切力。
支撑层2、侧石墨烯支撑层31、三维移动单元5的材料均为超弹性材料，支撑层2的采用的超弹性材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)，其杨氏模量约为0.55MPa；优选为PDMS的固化比为20:1，是为了保证传感器的上下衬底在剪切力下产生水平方向的相对位移；为了保证传感器整体的柔性，侧石墨烯支撑层31、三维移动单元5采用的超弹性材料是聚二甲基硅氧烷(PDMS)，其杨氏模量为3MPa，固化比为7.5:1。超弹性材料具有两个优点：一、由于超弹性材料的粘弹性，PDMS在剪切力下会发生水平方向的位移；二、超弹性材料具有很好的柔韧性，有利于传感器的柔性化。
三维移动单元5形状为正方体，支撑层2形状为长方体，侧石墨烯泡沫单元32、侧石墨烯支撑层31均为长方体，正压力石墨烯泡沫单元6形状为长方体，但均不局限于此形状。顶层1和底层4为柔性印刷电路板，形状为正方形，大小为长12cm×12cm；传感器的厚度为4mm。
本发明采用三维移动单元5、正压力石墨烯泡沫单元6，正压力石墨烯泡沫单元6设于三维移动单元5的正下方，当传感器受到正压力，由于支撑层2为超弹性材料，正压力会使超弹性材料产生压缩，顶层1与底层4的相对垂直距离会减小，三维移动单元5压缩正压力石墨烯泡沫单元6，使得传感器能够测量正压力。由于剪切力传感单元3位于三维移动单元5四周，当剪切力施加在传感器表面，由于支撑层2为超弹性材料，剪切力会使超弹性材料产生水平方向位移，传感器的顶层1与底层4发生水平的相对位移，与顶层1连接的三维移动单元5压缩侧石墨烯泡沫单元32，使得传感器能够测量剪切力。
如图4所示，施加Z向正压力时，正压力石墨烯泡沫单元6的变形量逐渐增大，四个侧石墨烯泡沫单元32均不发生变形；如图5所示，施加X轴正方向剪切力时，X轴正方向的侧石墨烯泡沫单元32的变形量逐渐增大，其余三个侧石墨烯泡沫单元32均不发生变形，正压力石墨烯泡沫单元6也不发生变形；由图4-5可知，本发明传感器的灵敏度高。
对本发明传感器5次施加Z向正压力，试验数据如图6所示；对本发明传感器5次施加X轴正方向剪切力，试验数据如图7所示；由图6、图7可知，本发明传感器在Z向正压力方向的重复性为0.96％，在剪切力方向的重复性为1.4％，说明本发明传感器的稳定性高。由图8-9可知，本发明传感器在正压力方向的平均标准差为0.008；本发明传感器在剪切力方向的平均标准差为0.007；说明本发明传感器的误差小。
本发明几何尺寸小，灵敏度高，基于集成，能够实时测量、解耦三维力，误差小，不存在电容式三维力传感器中的杂散电容与耦合电容，不存在测量单元间串扰的问题，稳定性高；可用于智能机器人、康复医疗等领域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于石墨烯泡沫的三维力传感器，其特征在于，包括大小相同、平行设置的顶层(1)和底层(4)，顶层(1)和底层(4)之间、顶层(1)和底层(4)的四角处均固定设有分隔柱，四个分隔柱构成支撑层(2)；顶层(1)和底层(4)之间的中心位置设有三维移动单元(5)，三维移动单元(5)与顶层(1)连接，三维移动单元(5)的正下方设有正压力石墨烯泡沫单元(6)，正压力石墨烯泡沫单元(6)与底层(4)连接，三维移动单元(5)的水平方向四个面外侧均设有侧石墨烯泡沫单元(32)，侧石墨烯泡沫单元(32)的外侧设有侧石墨烯支撑层(31)，侧石墨烯泡沫单元(32)与侧石墨烯支撑层(31)之间没有间隙，侧石墨烯支撑层(31)与底层(4)连接，每个侧石墨烯泡沫单元(32)与相应的侧石墨烯支撑层(31)构成剪切力传感单元(3)；剪切力传感单元(3)的顶部低于支撑层(2)的顶部；所述支撑层(2)、侧石墨烯支撑层(31)、三维移动单元(5)的材料均为超弹性材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯泡沫的三维力传感器，其特征在于，所述支撑层(2)采用的超弹性材料是聚二甲基硅氧烷。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯泡沫的三维力传感器，其特征在于，所述侧石墨烯支撑层(31)采用的超弹性材料是聚二甲基硅氧烷。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯泡沫的三维力传感器，其特征在于，所述三维移动单元(5)采用的超弹性材料是聚二甲基硅氧烷。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯泡沫的三维力传感器，其特征在于，所述顶层(1)和底层(4)均为柔性印刷电路板，顶层(1)和底层(4)的形状均为正方形。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯泡沫的三维力传感器，其特征在于，所述正压力石墨烯泡沫单元(6)的横截面积小于三维移动单元(5)的横截面积。
7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯泡沫的三维力传感器，其特征在于，所述侧石墨烯支撑层(31)的外侧与底层(4)的边缘对齐。
8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯泡沫的三维力传感器，其特征在于，所述分隔柱的外侧与顶层(1)、底层(4)的边缘对齐。
9.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯泡沫的三维力传感器，其特征在于，所述三维移动单元(5)形状为正方体，支撑层(2)形状为长方体，侧石墨烯泡沫单元(32)、侧石墨烯支撑层(31)均为长方体，正压力石墨烯泡沫单元(6)形状为长方体。
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