CN108051027A - 一种可同时测量压力与滑动的滑觉传感器 - Google Patents

Abstract

一种可同时测量压力与滑动的滑觉传感器，包括上部结构和下部结构，柔性材料的上部结构的下表面设有凸台，凸台的下表面对准并压紧下部结构上的两个下电极之间的中部区域，通过下部结构上的压阻薄膜测量法向压力，通过上电极和下电极的靠近来感应滑动引起的摩擦起电信号，当传感器受到剪切力作用时，上部结构向力的方向倾斜，使得上电极与在绝缘薄膜下方的下电极感应出电信号；当传感器受到法向压力作用时，压阻薄膜在法向方向上发生形变，电阻值随之改变。该滑觉传感器灵敏度高，在识别是否发生滑动的基础上还能测量滑动的方向和滑动的速度，并且可以对作用于传感器的法向压力进行测量。该滑觉传感器还可快速、方便地实现制作。

Description

一种可同时测量压力与滑动的滑觉传感器

技术领域

本发明涉及滑觉传感器，特别是一种可同时测量压力与滑动的滑觉传感器。

背景技术

机械手在抓握物体时，需要实时监测机械手与所持物体接触表面间相对运动的情况，以便确定一个合适的握力值，在不损伤物体的前提下抓牢物体。滑觉传感器是一种主要用于检测机械手和所持物体之间滑动或预滑动的装置，其性能直接决定机器人能否成功完成软抓取任务。

现有的滑觉传感器主要基于压电、压阻、电容等原理。一些滑觉传感器虽然能识别是否发生滑动，但是并不能测量滑动的方向和滑动的速度。同时，现有滑觉传感器也无法直接感知法向压力，在机器人抓取时需要与单独的压力传感器配合使用。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种可同时测量压力与滑动的滑觉传感器。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种可同时测量压力与滑动的滑觉传感器，包括上部结构和下部结构，所述上部结构的下表面设有凸台，所述上部结构和所述凸台的材料为柔性材料，所述上部结构的位于所述凸台两侧的下表面上设有上电极，所述下部结构包括压阻薄膜、两个下电极和将所述压阻薄膜及所述两个下电极覆盖的绝缘薄膜，所述两个下电极之间具有间距，所述压阻薄膜位于所述两个下电极之间的中部区域，所述凸台的下表面对准并压紧所述两个下电极之间的中部区域，所述压阻薄膜用于测量法向压力，所述上电极和所述下电极用于感应滑动引起的摩擦起电信号。所述传感器受到剪切力作用时，所述上部结构向力的方向倾斜，使得所述上电极与下部的所述绝缘薄膜接触，从而上电极与所述在所述绝缘薄膜下方的下电极感应出电信号；所述传感器受到法向压力作用时，所述压阻薄膜在法向方向上发生形变，从而其自身电阻值随之改变。

进一步地：

所述凸台是截面为等腰梯形的梯形凸台，该梯形的上底朝下，或者所述凸台是长方体或四棱凸台。

所述上电极在所述凸台两侧的下表面上对称设置。

所述绝缘薄膜的面积大于或等于所述上部结构的下表面的面积。

所述两个下电极的间距大于或等于所述凸台的下表面的宽度。

所述两个下电极在所述凸台的中心线的两侧对称设置。

所述梯形凸台的下表面的宽度为100微米至1毫米，顶部的宽度为150微米至1.5毫米，高度为200微米至1毫米，所述上部结构为长方形，其长度为3-8毫米，宽度1.5-4毫米，厚度200-600微米。

所述上电极的材料为铝、铜或银，厚度为200纳米至50微米，所述下电极的材料为金属或石墨烯，厚度为200纳米至50微米。

所述柔性材料为弹性聚合物材料。

所述下部绝缘薄膜的材料为PDMS、聚酰亚胺或聚四氟乙烯，厚度为200微米至600微米，宽度为100微米至1毫米。

本发明的有益效果有：

本发明提供一种可同时测量压力与滑动的滑觉传感器，包括上部结构和下部结构，所述上部结构的下表面设有凸台，所述上部结构和所述凸台的材料为柔性材料，所述凸台的下表面对准并压紧所述下部结构上的两个下电极之间的中部区域，整体形成为“工”字形结构，通过所述下部结构上的压阻薄膜测量法向压力，通过所述上电极和所述下电极的靠近来感应滑动引起的摩擦起电信号，当所述传感器受到剪切力作用时，所述上部结构向力的方向倾斜，使得所述上电极与下部的所述绝缘薄膜接触，从而上电极与所述在所述绝缘薄膜下方的下电极感应出电信号；当所述传感器受到法向压力作用时，所述压阻薄膜在法向方向上发生形变，从而其自身电阻值随之改变。经测试，使用本发明的滑觉传感器，对滑动有准确可靠的响应；当不同方向的滑动发生时，获得的信号有明显的差异；响应信号的幅值随滑动速度的变化而变化；而通过实时监测下部压阻薄膜的电阻值，还可以获得作用于传感器的法向压力数值。本发明将滑觉传感器设计为一个“工”字形结构，通过摩擦纳米发电机原理，其不仅能识别是否发生滑动，还能测量滑动的方向和速度。同时，通过压阻薄膜材料，可同时感知法向压力。

相对于现有滑觉传感器，本发明的滑觉传感器灵敏度高，在识别是否发生滑动的基础上还能测量滑动的方向和滑动的速度，并且可以对作用于传感器的法向压力进行测量。而且，本发明的滑觉传感器可快速、方便地实现制作。

附图说明

图1为本发明滑觉传感器一种实施例的剖面结构示意图；

图2为本发明滑觉传感器一种实施例的立体结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1和图2，在一种实施例中，一种可同时测量压力与滑动的滑觉传感器，包括上部结构1和下部结构，所述上部结构1的下表面设有凸台6，所述上部结构1和所述凸台6的材料为柔性材料，所述上部结构1的位于所述凸台6两侧的下表面上设有上电极2，所述下部结构包括压阻薄膜5、两个下电极4、和将所述压阻薄膜5及所述两个下电极4覆盖的绝缘薄膜3，所述两个下电极4之间具有间距，所述压阻薄膜5位于所述两个下电极4之间的中部区域，优选位于中心区域，所述凸台6的下表面对准并压紧所述两个下电极4之间的中部区域，滑觉传感器整体形成为“工”字形结构，所述压阻薄膜5用于测量法向压力，所述上电极2和所述下电极4用于感应滑动引起的摩擦起电信号。所述传感器受到剪切力作用时，所述上部结构1向力的方向倾斜，使得所述上电极2与下部的所述绝缘薄膜3接触，从而上电极2与所述在所述绝缘薄膜3下方的下电极4感应出电信号；所述传感器受到法向压力作用时，所述压阻薄膜5在法向方向上发生形变，从而其自身电阻值随之改变。

在优选实施例中，所述凸台6是截面为等腰梯形的梯形凸台，该梯形的上底朝下。在其他实施例中，所述凸台也可以是长方体或四棱凸台等。

在优选实施例中，所述上电极2在所述凸台6两侧的下表面上对称设置。优选地，在所述凸台6两侧的两个上电极2等面积等厚度。

在优选实施例中，所述绝缘薄膜3的面积大于或等于所述上部结构1的下表面的面积。

在优选实施例中，所述两个下电极4的间距大于或等于所述凸台6的下表面的宽度。

在一种实施例中，所述两个下电极4有一部分区域处于同一直线上。在优选实施例中，所述两个下电极4在所述凸台的中心线的两侧对称设置。

在优选实施例中，所述梯形凸台的下表面的宽度为100微米至1毫米，顶部的宽度为150微米至1.5毫米，高度为200微米至1毫米，所述上部结构1为长方形，其长度为3-8毫米，宽度1.5-4毫米，厚度200-600微米。

在优选实施例中，所述上电极的材料为铝、铜或银，厚度为200纳米至50微米，所述下电极的材料为金属或石墨烯，厚度为200纳米至50微米。

在优选实施例中，所述柔性材料为弹性聚合物材料。

在优选实施例中，所述下部绝缘薄膜的材料为PDMS、聚酰亚胺或聚四氟乙烯，厚度为200微米至600微米，宽度为100微米至1毫米。

制作例1：

本例制作基于单电极纳米发电机的滑觉传感器，具体包括以下步骤：

1)按照质量比10:1的比例将PDMS预聚体与固化剂混合，充分搅拌后将混合好的PDMS浇筑入模具内，使用真空泵进行三次脱气后，将模具放入烘箱90℃保持1.5小时后脱模得到带有梯形凸台的长方体结构1；长方体结构的上部分的尺寸为：长8毫米，宽4毫米，厚300微米。长方体结构下部的凸台尺寸为：底边长0.95毫米，顶边长1.5毫米，高700微米。

3)在PDMS凸台两侧的溅射沉积200纳米后铝薄膜上电极2；

4)将kapton PI单面有胶胶带平整贴在一张4寸干净硅片上，表面用乙醇和去离子水清洗后，将硅片放入二氧化碳激光雕刻机，设定激光功率为6W，激光发射器对准硅片中心之后开始雕刻，从PI表面诱导石墨烯。之后将硅片放置在匀胶机吸盘上，利用真空泵吸紧，设定转速为300rpm，旋转时间为一分钟，将PDMS在PI胶带表面旋涂均匀。把硅片放入烘箱90℃烘烤一小时，得到厚度为500纳米PDMS绝缘薄膜3，和厚度为30微米的多孔石墨烯下电极4和压阻薄膜5；

5)在PDMS凸台1底面涂匀液态PDMS，将其对准压阻薄膜5后键合后，放入烘箱90℃烘半小时，完成传感器的制作，如图2所示。

制作例2：

与例1的不同之处在于：传感器结构尺寸和电极所用材料等参数不同。

本例制作基于单电极纳米发电机的滑觉传感器，具体包括以下步骤：

1)按照质量比5:1的比例将PDMS预聚体与固化剂混合，充分搅拌后将混合好的PDMS浇筑入模具内，使用真空泵进行三次脱气后，将模具放入烘箱90℃保持1.5小时后脱模得到带有梯形凸台的长方体结构1；长方体结构的上部分的尺寸为：长5毫米，宽2.5毫米，厚300微米。长方体结构下部的凸台尺寸为：底边长400微米，顶边长600微米，高400微米。

3)在PDMS凸台两侧的溅射沉积300纳米后铜薄膜上电极2；

4)将kapton PI单面有胶胶带平整贴在一张4寸干净硅片上，表面用乙醇和去离子水清洗后，将硅片放入二氧化碳激光雕刻机，设定激光功率为5.5W，激光发射器对准硅片中心之后开始雕刻，从PI表面诱导石墨烯。之后将硅片放置在匀胶机吸盘上，利用真空泵吸紧，设定转速为500rpm，旋转时间为一分钟，将PDMS在PI胶带表面旋涂均匀。把硅片放入烘箱90℃烘烤一小时，得到厚度为300纳米PDMS绝缘薄膜3，和厚度为25微米的多孔石墨烯下电极4和压阻薄膜5；

5)在PDMS凸台1底面涂匀液态PDMS，将其对准压阻薄膜5后键合后，放入烘箱90℃烘半小时，完成传感器的制作。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可同时测量压力与滑动的滑觉传感器，其特征在于,包括上部结构和下部结构，所述上部结构的下表面设有凸台，所述上部结构和所述凸台的材料为柔性材料，所述上部结构的位于所述凸台两侧的下表面上设有上电极，所述下部结构包括压阻薄膜、两个下电极和将所述压阻薄膜及所述两个下电极覆盖的绝缘薄膜，所述两个下电极之间具有间距，所述压阻薄膜位于所述两个下电极之间的中部区域，所述凸台的下表面对准并压紧所述两个下电极之间的中部区域，所述压阻薄膜用于测量法向压力，所述上电极和所述下电极用于感应滑动引起的摩擦起电信号。

2.如权利要求1所述的滑觉传感器，其特征在于,所述凸台是截面为等腰梯形的梯形凸台，该梯形的上底朝下，或者所述凸台是长方体或四棱凸台。

3.如权利要求1或2所述的滑觉传感器，其特征在于,所述上电极在所述凸台两侧的下表面上对称设置。

4.如权利要求1至3任一项所述的滑觉传感器，其特征在于,所述绝缘薄膜的面积大于或等于所述上部结构的下表面的面积。

5.如权利要求1至4任一项所述的滑觉传感器，其特征在于,所述两个下电极的间距大于或等于所述凸台的下表面的宽度。

6.如权利要求1至5任一项所述的滑觉传感器，其特征在于,所述两个下电极在所述凸台的中心线的两侧对称设置。

7.如权利要求2所述的滑觉传感器，其特征在于,所述梯形凸台的下表面的宽度为100微米至1毫米，顶部的宽度为150微米至1.5毫米，高度为200微米至1毫米，所述上部结构为长方形，其长度为3-8毫米，宽度1.5-4毫米，厚度200-600微米。

8.如权利要求1至7任一项所述的滑觉传感器，其特征在于,所述上电极的材料为铝、铜或银，厚度为200纳米至50微米，所述下电极的材料为金属或石墨烯，厚度为200纳米至50微米。

9.如权利要求1至8任一项所述的滑觉传感器，其特征在于,所述柔性材料为弹性聚合物材料。

10.如权利要求1至9任一项所述的滑觉传感器，其特征在于,所述下部绝缘薄膜的材料为PDMS、聚酰亚胺或聚四氟乙烯，厚度为200微米至600微米，宽度为100微米至1毫米。