CN108036879B - 一种电容式柔性触觉传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及触觉传感器领域，特指一种电容式柔性触觉传感器及其制造方法，包括有多个以M行*N列方式排列的传感单元，每个所述传感单元包括有依次贴合连接的表面凸起层、浮动极板、介电层、第一下层电容极板、第二下层电容极板、下层基底、第一电极和第二电极，通过把第一下层电容极板和第二下层电容极板分别设置在下层基底的同一表面，解决了现有技术中电容极板必须位于上下相对的两个不同的平面上，在使用的时候容易出现受力过大而容易发生破坏的问题。同时，本发明主要采用PDMS材料和PI材料制成，传感器整体的柔性较大，可以安装在具有不同弧度的机械手上。

Description

一种电容式柔性触觉传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及触觉传感器领域，特指一种电容式柔性触觉传感器及其制造方法。

背景技术

触觉是人体对外界的感知的重要感觉，是为生物感受本身或外界的感觉，一般是由压力与牵引力作用于触感受器而引起的。随着工业的发展，特别是在机械手行业的发展过程中，若能使机械手具备触觉，将能大大提高机械手的智能化。现有能实现触觉功能的机械手主要是通过触觉敏感构件来识别目标物体或对象的多种物理信息，如接触力的大小。同时，柔性触觉传感器已经成为机械手触觉传感技术领域的新的研究点，通过对该技术的改进，具有触觉功能的机械手还可以增强在各种环境下完成精细、复杂作业的能力。

专利申请号为201611047561.2的发明专利申请公开了一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器。由从上至下依次的指纹状表面微凸起、上层电容电极基底、上层电容电极、二维正弦微凸起介电层、下层电容电极和下层电容电极基底层叠而成，指纹状表面微凸起用于接收外部力刺激，上、下层电容电极基底作为结构支撑，上、下层电容电极上的电极极片串联方向呈正交布置，并与二维正弦微凸起介电层三者共同构成传感器的电容主体，在指纹状表面微凸起上表面受到外部力刺激后，通过电容主体感测电容变化并转换获得受力的大小、方向。

但是该发明专利申请的结构较为复杂，不能很好地解决现有技术中的传感器的灵敏度不足的问题，而且现有的电容极板分别分布在两个平面上时，必须位于上下相对的两个不同的平面上，在使用的时候容易出现受力过大而容易发生破坏的问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：为了解决现有技术中所存在的问题，即现有技术中的传感器的灵敏度不足的问题，以及现有的电容极板分别分布在两个平面上时，必须位于上下相对的两个不同的平面上，在使用的时候容易出现受力过大而容易发生破坏的问题，本发明提供了一种电容式柔性触觉传感器及其制造方法。

为了解决现有技术中所存在的问题，本发明采用以下技术方案：

一种电容式柔性触觉传感器，包括有多个传感单元，所述多个传感单元以M行*N列的方式排列，每个所述传感单元包括有依次贴合连接的表面凸起层、浮动极板、介电层和下层电容极板层；所述下层电容极板层包括有第一下层电容极板、第二下层电容极板、下层基底、与所述第一下层电容极板连接的第一电极和与所述第二下层电容极板连接的第二电极，所述第一下层电容极板、所述第一电极和所述第二下层电容极板设置在所述下层基底的上表面上，且所述第一下层电容极板、所述第一电极和所述第二下层电容极板处在同一水平面上，所述第二电极设置在所述下层基底的下表面上，所述第一电极和第二电极电气绝缘；所述浮动极板、所述介电层、所述第一下层电容极板、第一电极、所述第二下层电容极板和第二电极形成电容组合体，所述第一下层电容极板和所述第二下层电容极板分别为电容组合体的正负极，在表面凸起层受到外力作用时，电容组合体感应电容变化。

作为本发明电容式柔性触觉传感器的技术方案的一种改进，所述下层电容极板层还包括有设置在所述下层基底上的通孔和设置在所述通孔内的垂直连通电极；所述第二下层电容极板通过垂直连通电极与所述第二电极相连接。

作为本发明电容式柔性触觉传感器的技术方案的一种改进，所述第一下层电容极板为长方形的第一下层电容极板，所述第二下层电容极板为长方形的第二下层电容极板，所述第一下层电容极板和所述第二下层电容极板的大小一致。

作为本发明电容式柔性触觉传感器的技术方案的一种改进，每个所述传感单元的水平截面呈正方形。

作为本发明电容式柔性触觉传感器的技术方案的一种改进，所述电容式柔性触觉传感器还包括有设置在所述表面凸起层和所述浮动极板之间的上层基底。

作为本发明电容式柔性触觉传感器的技术方案的一种改进，所述表面凸起层包括有与所述上层基底连接的第一薄膜和设置在所述第一薄膜上表面的第一圆柱体，所述第一圆柱体置于所述第一薄膜的中部。

作为本发明电容式柔性触觉传感器的技术方案的一种改进，所述介电层包括有介电层薄膜和设置在介电层薄膜上表面的第二圆柱体，所述第二圆柱体置于所述介电层薄膜的中部。

作为本发明电容式柔性触觉传感器的技术方案的一种改进，所述浮动极板的边长小于上层基底的边长。

作为本发明电容式柔性触觉传感器的技术方案的一种改进，所述下层基底为由PI材质制成的下层基底；所述表面凸起层和所述介电层均由PDMS材质制成。

一种制作如权利要求1所述的电容式柔性触觉传感器的方法，包括有以下步骤：

S1、准备下层电容极板层；

S2、制造表面凸起层和介电层的模具；

S3、对填充材料进行真空脱泡；

S4、用填充材料填充模具；

S5、固化填充材料：在表面凸起层的第一薄膜上形成第一圆柱体，在介电层的介电层薄膜上形成第二圆柱体；

S6、把固化后的表面凸起层或介电层与其模具相脱离；

S7、把表面凸起层、浮动极板、介电层和下层电容极板层依次贴合连接，形成电容式柔性触觉传感器整体。

本发明的有益效果：

本发明的多个传感单元以M行*N列的方式排列，可组成任意数量行、列组合的传感阵列，并适用于不同的机械手上，有利于根据实际需要实现多接触位置的感知，或者高密度的感知，解决了现有技术中传感器灵敏度不足的问题。同时，本发明中形成的电容组合体的正负极分别为第一下层电容极板和第二下层电容极板，第一电极和第二电极的分别设置在下层基底的上表面和下表面，通过第一电容极板和第一电极的连接和第二电容极板和第二电极的连接，解决了现有的电容极板分别分布在两个平面上时，必须位于上下相对的两个不同的平面上，在使用的时候容易出现受力过大而容易发生破坏的问题。还由于本发明的表面凸起层、介电层采用PDMS材料制成，下层基底采用PI材料制成，传感器整体的柔性较大，可以安装在具有不同弧度的机械手上

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的一个传感单元的拆分结构示意图；

图3为本发明的一个传感单元的表面凸起层的结构示意图；

图4为本发明的介电层的结构示意图；

图5为本发明的一个传感单元的下层电容极板层的结构示意图；

图6为本发明的一个传感单元的下层基底的结构示意图；

图7为本发明的一个传感单元的下层电容极板的结构示意图；

图8为本发明的制作方法的流程图。

附图标记说明：1-表面凸起层；2-上层基底；3-浮动极板；4-介电层；5-下层电容极板层；6-第一下层电容极板；7-第二下层电容极板；8-下层基底；9-第一电极；10-第二电极；11-通孔；12-垂直连通电极；13-第一薄膜；14-第一圆柱体；15-介电层薄膜；16-第二圆柱体。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种电容性柔性触觉传感器，包括有多个以M行*N列排列的传感单元，每个传感单元包括有依次贴合连接的表面凸起层1、浮动极板3、介电层4和下层电容极板层5，每个传感单元的水平截面呈正方形，故表面凸起层1、浮动极板3、介电层4和下层电容极板层5均为正方形。

下层电容极板层5包括有第一下层电容极板6、第二下层电容极板7、下层基底8、与第一下层电容极板6连接的第一电极9和与第二下层电容极板7连接的第二电极10，第一下层电容极板6、第一电极9和第二下层电容极板7均设置在下层基底8的上表面上，且第一下层电容极板6、第一电极9和第二下层电容极板7处在同一水平面上，第二电极10设置在下层基底8的下表面上，第一电极9和第二电极10电气绝缘，避免第一电极9和第二电极10之间的电容值相同。为了便于方便第二下层电容极板7与第二电极10的连接，可以在下层基底8上设置通孔11，通孔11连通下层基底8的上表面和下层基底8的下表面，在通孔11内设置垂直连通电极12，垂直连通电极12的上端与第二下层电容极板7连接，垂直连通电极12的下端与第二电极10连接。浮动极板3、介电层4、第一下层电容极板6、第一电极9、第二下层电容极板7和第二电极10形成电容组合体，第一下层电容极板6和第二下层电容极板7分别为电容组合体的正负极。本发明在使用的时候，把第一电极9和第二电极10连接在外接电路上，使用者对表面凸起层1施力，即表面凸起层1受到向下的外力时，外力顺着传感单元的结构传递，依次使浮动极板3、介电层4和下层电容极板层5受到外力的作用，当外力传递到浮动极板3上时，浮动极板3会因受力对介电层4进行压缩，介电层4被压缩后会使第一电极9和第二电极10之间的距离发生变化，当第一电极9和第二电极10之间的距离变小，电容组合体的电容值变大，反之，当第一电极9和第二电极10之间的距离变大，电容组合体的电容值变小。由于当第一电极9和第二电极10之间的距离发生变化时，电容组合体感应到电容值的变化，故可以增强传感单元的灵敏度，解决了现有技术中传感器灵敏度不足的问题。

同时，由于第一下层电容极板6和第二下层电容极板7均设置在下层基底8的上表面上，通过第一下层电容极板6与第一电极9的连接和第二下层电容极板7与第二电极10的连接，解决了现有的电容极板分别分布在两个平面上时，必须位于上下相对的两个不同的平面上，对传感器的使用具有一定的局限性的问题，还降低了传感单元在受到较大外力的时候，传感单元容易受到破损的风险。

在表面凸起层1与浮动极板3之间还设置有上层基底2，上层基底2可以加强表面凸起层1的强度，使表面凸起层1的使用寿命延长。

第一下层电容极板6为长方形的第一下层电容极板6，第二下层电容极板7为长方形的第二下层电容极板7，且第一下层电容极板6和第二下层的电容极板大小一致，这样可以方便保持电容的稳定变化。表面凸起层1包括有与上层基底2连接的第一薄膜13和设置在第一薄膜13上表面上的第一圆柱体14，介电层4包括有介电层薄膜15和设置在介电层薄膜15上表面上的第二圆柱体16，第一圆柱体14和第二圆柱体16的形状相一致，且第二圆柱体16可与第一圆柱体14相贴近。第一圆柱体14设置在第一薄膜13的中部，第二圆柱体16设置在介电层薄膜15的中部，这样可以保证每个传感单元的受力均匀。更详细地说，由于本发明的传感单元以M行*N列的方式排列，即第一圆柱体14和第二圆柱体16的排列是以M行*N列的方式排列，利用结构相同的传感单元组成M行*N列的传感阵列，不仅可以实现多接触位置的感知，或者高密度的感知，还可以通过阵列的受力使传感器检测到较小的力的变化，增强传感器的灵敏度。

浮动极板3的边长小于上层基底2的边长，当表面凸起层1受力变形时，可以保证浮动极板3能对介电层4进行压缩，使电容组合体的第一下层电容极板6和第二下层电容极板7之间的距离减短。

表面凸起层1和介电层4由PDMS材质制成，PDMS是聚二甲基硅氧烷，其成本低，使用简单，与硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，成为一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。上层基底2和下层基底8由PI材质制成，PI聚酰亚胺的缩写，可用作一种特种工程材料，已广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域，且具有一定粘黏性。根据PDMS材质和PI材质的特性，表面凸起层1、介电层4、上层基底2和下层基底8不仅可以相互贴合，还可以轻微变形，使传感单元在使用的时候更能贴近物品，继而提高电容式柔性触觉传感器的柔性，进一步提高传感器的灵敏度。

浮动极板3、第一下层电容极板6、第二下层电容极板7、第一电极9、第二电极10和垂直连通电极12均采用能导电的金属材质制成。

一种制作电容式柔性触觉传感器的方法，包括有以下步骤：

上层基底2和下层基底8由PI材质制成，浮动极板3由金属材质制成，根据上层基底2、下层基底8和浮动极板3的材质准备相应大小的上层基底2、下层基底8和浮动极板3。

根据表面凸起层1和介电层4的形状，利用机械加工制造填充表面凸起层1的模具，利用微纳加工制造填充介电层4的模具，使表面凸起层1和介电层4分别在其中部形成第一圆柱体14和第二圆柱体16。

制造表面凸起层1的填充材料：将Sylgard 184PDMS和固化剂以10:1的比例混合，充分搅拌后放置在真空干燥箱中进行真空脱泡，以去除填充材料中残留的微小气泡；

制造介电层4的填充材料：将Sylgard 184PDMS与固化剂以15:1的比例混合，充分搅拌后放置在真空干燥箱中进行真空脱泡，以去除填充材料中残留的微小气泡；

将真空脱泡后的PDMS液态混合物倒进表面凸起层1和介电层4的模具中，并再次进行真空脱泡的操作，使PDMS液态混合物充分填充表面凸起层1和介电层4的模具，以去除填充材料中残留的微小气泡；

对已经填充有填充物的表面凸起层1的模具在80℃的条件下加热180分钟，使填充表面凸起层1模具的填充物固化；填充物固化后剥离模具，完成了表面凸起层1的制造；

将配制好的PDMS液态混合物浇注在介电层4的模具上，并把已经填充有填充物的介电层4的模具放置在真空干燥箱中再次进行真空脱泡的操作，使混合物充分填充介电层4的模具；将洁净的下层电容极板层5放置在介电层4的模具上，对下层电容极板层5施加一定的压力，使其与混合物充分接触；对已经填充有填充物的模具在80℃的条件下加热180分钟，使PDMS固化，PDMS固化后剥离模具，介电层4通过PDMS直接制造在下层电容极板层5上。在表面凸起层1的第一薄膜13上形成第一圆柱体14，在介电层4的介电层薄膜15上形成第二圆柱体16；把固化后的表面凸起层1或介电层4与其模具相脱离；

把表面凸起层1、上层基底2、浮动极板3、介电层4和下层电容极板层5依次贴合连接，形成电容式柔性触觉传感器整体。

Claims (10)

1.一种电容式柔性触觉传感器，其特征在于，

包括有多个传感单元，所述多个传感单元以M行*N列的方式排列，每个所述传感单元包括有依次贴合连接的表面凸起层、浮动极板、介电层和下层电容极板层；

所述下层电容极板层包括有第一下层电容极板、第二下层电容极板、下层基底、与所述第一下层电容极板连接的第一电极和与所述第二下层电容极板连接的第二电极，所述第一下层电容极板、所述第一电极和所述第二下层电容极板设置在所述下层基底的上表面上，且所述第一下层电容极板、所述第一电极和所述第二下层电容极板处在同一水平面上，所述第二电极设置在所述下层基底的下表面上，所述第一电极和第二电极电气绝缘；

所述浮动极板、所述介电层、所述第一下层电容极板、第一电极、所述第二下层电容极板和第二电极形成电容组合体，所述第一下层电容极板和所述第二下层电容极板分别为电容组合体的正负极，在表面凸起层受到外力作用时，电容组合体感应电容变化。

2.根据权利要求1所述的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述下层电容极板层还包括有设置在所述下层基底上的通孔和设置在所述通孔内的垂直连通电极，所述第二下层电容极板通过垂直连通电极与所述第二电极相连接。

3.根据权利要求2所述的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述第一下层电容极板为长方形的第一下层电容极板，所述第二下层电容极板为长方形的第二下层电容极板，所述第一下层电容极板和所述第二下层电容极板的大小一致。

4.根据权利要求1所述的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，每个所述传感单元的水平截面呈正方形。

5.根据权利要求1所述的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述电容式柔性触觉传感器还包括有设置在所述表面凸起层和所述浮动极板之间的上层基底。

6.根据权利要求5所述的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述表面凸起层包括有与所述上层基底连接的第一薄膜和设置在所述第一薄膜上表面的第一圆柱体，所述第一圆柱体置于所述第一薄膜的中部。

7.根据权利要求6所述的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述介电层包括有介电层薄膜和设置在介电层薄膜上表面的第二圆柱体，所述第二圆柱体置于所述介电层薄膜的中部。

8.根据权利要求5-7任一项所述的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述浮动极板的边长小于上层基底的边长。

9.根据权利要求1所述的电容式柔性触觉传感器，其特征在于，所述下层基底为由PI材质制成的下层基底；所述表面凸起层和所述介电层均由PDMS材质制成。

10.一种制作如权利要求7所述的电容式柔性触觉传感器的方法，其特征在于，包括有以下步骤：

S1、准备下层电容极板层；

S2、制造表面凸起层和介电层的模具；

S3、对填充材料进行真空脱泡；

S4、用填充材料填充模具；

S5、固化填充材料：在表面凸起层的第一薄膜上形成第一圆柱体，在介电层的介电层薄膜上形成第二圆柱体；

S6、把固化后的表面凸起层或介电层与其模具相脱离；

S7、把表面凸起层、浮动极板、介电层和下层电容极板层依次贴合连接，形成电容式柔性触觉传感器整体。

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