CN108461624B - 硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件 - Google Patents

硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅胶仿生指尖触‑压觉敏感器件，包括自上而下依次设置的硅胶上基底、敏感阵列机构、感应电极机构和硅胶下基底；硅胶上基底的表面上设置有若干个应力感应突起，敏感阵列机构包括自上而下依次设置的上传感单元、上电极阵列、多个压力敏感片、绝缘衬底、下传感单元和下电极阵列，感应电极机构包括自上而下依次设置的上感应电极、弹性层和下感应电极，上感应电极耦合在所述下电极阵列的下表面，下感应电极耦合在所述硅胶下基底的上表面。本发明通过仿生人体指尖结构，不仅可以实现小量程的触觉敏感感知，也能够实现大量程的压觉敏感感知，大大提高了仿生敏感器件对外界敏感感知测量的精度。

Description

硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件
技术领域
本发明属于仿生敏感感知技术领域，尤其涉及一种可应用于医用仿生机器人手指、人工智能等领域的硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件。
背景技术
触-压觉是指皮肤受机械刺激时产生的感觉。物体与皮肤接触，轻微不引起皮肤变形的刺激所产生的感觉为触觉，引起皮肤变形而产生的感觉为压觉。其中，表皮中有感受轻微刺激的迈克尔盘，真皮中有负责触觉的迈斯纳小体、触觉小体和鲁菲尼小体，皮下组织中有负责压觉的帕西尼小体。
仿生指尖触-压觉敏感器件在人工智能、人机交互中占据着越来越重要的地位，仿生指尖触-压觉敏感器件的作用，就是模拟皮肤的触-压觉神经感知系统，感知与外界环境接触的作用点及接触力大小，从而为人工智能提供路径规划、接触力控制等信息。
目前国内外对触-压觉敏感器件的研究，主要有金属应变片、半导体压阻、微机械等压力敏感器件类型。由于触-压觉敏感感知是仿生机器人触-压目标物的感觉，但是这些敏感器件的材料都是刚性材料，具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施，只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化，不能用于过高温度场合下的测量等缺陷。
由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。
发明内容
本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种全柔性、灵敏度高、性能稳定、重量轻、成本低、可操作性强、可应用于医用仿生机器人手指、人工智能等领域的硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件。
本发明所采用的技术方案为：
硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件，包括自上而下依次设置的硅胶上基底、敏感阵列机构、感应电极机构和硅胶下基底；所述硅胶上基底的表面上设置有若干个应力感应突起，应力感应突起用于感应外界力并将感应到的外界力传送至所述敏感阵列机构和感应电极机构；所述敏感阵列机构包括自上而下依次设置的上传感单元、上电极阵列、多个压力敏感片、绝缘衬底、下传感单元和下电极阵列，绝缘衬底上开设有若干个用于安装所述压力敏感片的通孔，各压力敏感片分别安装在与其位置相对的通孔内，上、下电极阵列的电极面均与所述压力敏感片相接触；所述感应电极机构包括自上而下依次设置的上感应电极、弹性层和下感应电极，上感应电极耦合在所述下电极阵列的下表面，下感应电极耦合在所述硅胶下基底的上表面。
所述硅胶上基底呈扁半球状。
所述上电极阵列的电极材料为经过光刻腐蚀后的ITO电极，且上电极阵列的电极按行阵列均匀排布，每行电极都是串联的；所述下电极阵列的电极材料为经过光刻腐蚀后的ITO电极，且下电极阵列的电极按列阵列均匀排布，每列电极都是串联的；所述上电极阵列的电极的行阵列与下电极阵列的电极的列阵列呈90°角放置。
所述硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件还包括上铜带和上导线，上、下电极阵列均与上铜带和上导线相连，上铜带和上导线将上、下电极阵列引出，作为敏感信号传输端。
各所述压力敏感片均呈圆形，各压力敏感片的厚度小于通孔的厚度；所述压力敏感片由纳米炭黑、纳米二氧化硅、正己烷、硅胶按照质量比0.5:1:40:20制成。
所述绝缘衬底的制作材料选用硅胶硫化后产物，其以PET衬底作为模板，采用磁控溅射的方式在PET衬底上镀一层ITO导电薄膜，所述绝缘衬底采用下述方法制成：在PET衬底的ITO导电薄膜上，均匀涂抹一层光致抗蚀剂，均匀涂抹所述光致抗蚀剂的速度为3200r/min，均匀涂抹所述光致抗蚀剂的时间为40s；均匀涂抹光致抗蚀剂后将所述绝缘衬底放入烘干机进行加热烘干，加热烘干的温度为75℃，加热烘干的时间为25min；将烘干后的绝缘衬底的ITO导电薄膜面朝上放入掩模对准曝光机操作台，将光刻板掩模朝下，操作掩模对准曝光机使光刻版掩膜面与绝缘衬底紧密接触，强紫外光下曝光15S；将曝光后的绝缘衬底浸入浓度为5％的氢氧化钠溶液中，清洗15s～20s，洗掉绝缘衬底上曝光部分的光致抗蚀剂；将绝缘衬底浸入浓度为50％的盐酸溶液中，清洗20s～25s，洗掉曝光部分的ITO导电薄膜；将绝缘衬底浸入无水乙醇中，清洗25s，洗掉未曝光部分的光致抗蚀剂。
所述上、下感应电极均为经过光刻腐蚀后的聚对苯二甲酸乙二醇酯电极，上感应电极横向排列，下感应电极纵向排列。
所述硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件还包括下铜带和下导线，上、下感应阵列均与下铜带和下导线相连，下铜带和下导线将上、下感应阵列引出，作为感应信号传输端。
所述弹性层由Ni/PDMS复合材料制成。
由于采用了上述技术方案，本发明所取得有益效果为：
1、本发明中的扁半球状硅胶上基底及其上表面的应力感应突起相当于表皮中感受轻微刺激的迈克尔盘，本发明中的敏感阵列结构相当于真皮中负责触觉的迈斯纳小体(或者触觉小体、鲁菲尼小体)，本发明中的感应电极结构相当于皮下组织中负责压觉的帕西尼小体，本发明仿生了人体指尖皮肤结构，使得硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件既能感知小量程段(0-4N)的触觉力，又能测量大量程段(大于4N)的压觉力，能够充分保证不同测量段的分辨率和精度。
2、本发明的压力敏感片中，存在着无数个由炭黑粒子—硅胶—炭黑粒子形成的微电容，这些微电容通过串联或者并联在一起，共同作用，形成器件的电容，各压力敏感片具有良好的弹性，其在感知触压力时材料能够快速的发生形变，触压力撤去时又能快速的恢复原来的形貌，很好地模拟了人体指尖，提高了测量的准确性。
3、本发明中的弹性层由Ni/PDMS复合材料制成，其主链为硅原子和氧原子交替组成(—Si—O—Si—)，侧链是与硅原子相连接的甲基，主链键长较长，键角比较大，使得Si-O之间容易旋转，主链一般是螺旋结构，具有一种螺旋形分子构型，其分子间力较小，因而具有良好的回弹性，同时指向螺旋外的甲基可以自由旋转，因而使硅胶具有独特的表面性能。将产品暴露于空气中，与空气中的水分子反应，能自行硫化成弹性体，使用极为方便。硫化后的硅橡胶能在-60℃-200℃正常工作，具有良好的电气绝缘性、化学稳定性、耐水、耐臭氧、耐氧抗老化性、耐光抗老化性以及防霉性、化学稳定性，对多种金属和非金属有良好的粘接性，且腐蚀性小。
附图说明
图1为本发明的爆炸图。
图2为本发明的正视图。
图3为本发明中压力敏感片与绝缘衬底的镶嵌结构示意图。
图4为本发明中上、下感应电极及弹性层的结构示意图。
图5为本发明中压力敏感片的制作工艺流程图。
其中，
1、应力感应突起 2、硅胶上基底 31、上传感单元 32、下传感单元 4、上电极阵列5、压力敏感片 6、绝缘衬底 7、下电极阵列 8、上感应电极 9、弹性层 10、下感应电极 11、硅胶下基底 12、下铜带和下导线
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。
如图1至图5所示，硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件，包括自上而下依次设置的硅胶上基底2、敏感阵列机构、感应电极机构和硅胶下基底11。
所述硅胶上基底2仿生人体指尖，呈扁半球状。所述硅胶上基底2的表面上设置有若干个应力感应突起1，应力感应突起1用于感应外界力并将感应到的外界力传送至所述敏感阵列机构和感应电极机构。
所述敏感阵列机构包括自上而下依次设置的上传感单元31、上电极阵列4、多个压力敏感片5、绝缘衬底6、下传感单元32和下电极阵列7。绝缘衬底6上开设有若干个用于安装所述压力敏感片的通孔，各压力敏感片5分别安装在与其位置相对的通孔内，各所述压力敏感片5均呈圆形，各压力敏感片5的厚度小于通孔的厚度。上、下电极阵列的电极面均与所述压力敏感片5相接触。
具体地来说，所述上电极阵列4的电极材料为经过光刻腐蚀后的ITO电极，且上电极阵列4的电极按行阵列均匀排布，每行电极都是串联的；所述下电极阵列7的电极材料为经过光刻腐蚀后的ITO电极，且下电极阵列7的电极按列阵列均匀排布，每列电极都是串联的。所述上电极阵列4的电极的行阵列与下电极阵列7的电极的列阵列呈90°角放置。
所述硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件还包括上铜带和上导线，上、下电极阵列均与上铜带和上导线相连，上铜带和上导线将上、下电极阵列引出，作为敏感信号传输端。
所述压力敏感片5由炭黑/硅胶复合材料制成，具体而言，由纳米炭黑、纳米二氧化硅、正己烷、硅胶按照质量比0.5:1:40:20制成。如图5所示，各所述压力敏感片5的制作过程为：以纳米炭黑作为导电相，正己烷作为溶剂，硅胶GD401作为基体材料，将纳米炭黑和纳米二氧化硅加入正己烷溶剂中，搅拌5min使其成为悬浊液，超声30min使纳米炭黑和纳米二氧化硅均匀分散，之后加入硅胶GD401，室温搅拌6h后形成粘稠溶液，将混合溶液置于真空干燥箱30min以便剩余正己烷的挥发，最后得到未完全固化的炭黑/硅橡胶共混黏液。由于硅胶与空气中的水分发生固化反应，该共混黏液可以在室温自然硫化24h成型。将得到的未固化完全的炭黑/硅橡胶混合物质均匀涂覆于柔性绝缘衬底，用模具定型。
所述绝缘衬底6的制作材料选用硅胶硫化后产物，其以PET衬底作为模板，采用磁控溅射的方式在PET衬底上镀一层ITO导电薄膜，所述绝缘衬底6采用下述方法制成：在PET衬底的ITO导电薄膜上，均匀涂抹一层光致抗蚀剂，由于选取的PET衬底和ITO导电薄膜都是柔性的，在均匀光致抗蚀剂厚度过程中PET衬底和ITO导电薄膜四角向下坠，光致抗蚀剂会直接以滴状甩出，因此要求抹光致抗蚀剂工程中，一定要将ITO导电薄膜抹实并且均匀，均匀涂抹所述光致抗蚀剂的速度为3200r/min，均匀涂抹所述光致抗蚀剂的时间为40s；均匀涂抹光致抗蚀剂后将所述绝缘衬底放入烘干机进行加热烘干，加热烘干的温度为75℃，加热烘干的时间为25min；将烘干后的绝缘衬底的ITO导电薄膜面朝上放入掩模对准曝光机操作台，将光刻板掩模朝下，操作掩模对准曝光机使光刻版掩膜面与绝缘衬底紧密接触，强紫外光下曝光15S；将曝光后的绝缘衬底浸入浓度为5％的氢氧化钠溶液中，清洗15s～20s，洗掉绝缘衬底上曝光部分的光致抗蚀剂；将绝缘衬底浸入浓度为50％的盐酸溶液中，清洗20s～25s，洗掉曝光部分的ITO导电薄膜；将绝缘衬底浸入无水乙醇中，清洗25s，洗掉未曝光部分的光致抗蚀剂。
所述感应电极机构包括自上而下依次设置的上感应电极8、弹性层9和下感应电极10，上感应电极8耦合在所述下电极阵列7的下表面，下感应电极10耦合在所述硅胶下基底11的上表面。
所述上、下感应电极均为经过光刻腐蚀后的聚对苯二甲酸乙二醇酯电极，上感应电极8横向排列，下感应电极10纵向排列，使得上、下感应电极纵横垂直排列。所述硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件还包括下铜带和下导线12，上、下感应阵列均与下铜带和下导线12相连，下铜带和下导线12将上、下感应阵列引出，作为感应信号传输端。
所述上、下感应电极的制作方法为：将得到的未完全固化的炭黑/硅橡胶混合黏液倾覆于铝箔纸电极上，采用模具对混合溶液定型，再覆盖铝箔纸作为上、下感应电极。在上、下感应电极上分别放置表面平整的重物，使上、下感应电极与混合溶液良好接触，室温自然硫化24h成型。
所述弹性层9由Ni/PDMS复合材料制成。所述弹性层9的制作方法为：以Ni粒子作为导电相，PDMS作为基体材料，采用超声波振动进行颗粒分散。以聚二甲基硅氧烷(PDMS)主链的弹性体，主链通过Si-O键交联缠绕成为立体网状结构。Ni粒子吸附在主链上。当外界施加压力时，Ni粒子与硅胶分子链可以一起迅速移动。Ni粒子间的距离改变，导电通道建立或断裂，复合材料的电阻变化。当外界压力撤去时，硅胶形变恢复，Ni粒子与硅胶分子链能快速的回到原来的位置，导电通道恢复，复合材料的阻值也能恢复到原来的大小。
本发明中的硅胶仿生触-压觉敏感器件能够模拟皮肤的触-压觉神经感知系统，感知与外界环境接触的作用点及接触力大小，从而为仿生机器人手指、人工智能等提供路径规划、接触力控制等信息。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件，其特征在于，包括自上而下依次设置的硅胶上基底、敏感阵列机构、感应电极机构和硅胶下基底；所述硅胶上基底的表面上设置有若干个应力感应突起，应力感应突起用于感应外界力并将感应到的外界力传送至所述敏感阵列机构和感应电极机构；所述敏感阵列机构包括自上而下依次设置的上传感单元、上电极阵列、多个压力敏感片、绝缘衬底、下传感单元和下电极阵列，绝缘衬底上开设有若干个用于安装所述压力敏感片的通孔，各压力敏感片分别安装在与其位置相对的通孔内，上、下电极阵列的电极面均与所述压力敏感片相接触；所述感应电极机构包括自上而下依次设置的上感应电极、弹性层和下感应电极，上感应电极耦合在所述下电极阵列的下表面，下感应电极耦合在所述硅胶下基底的上表面；
各所述压力敏感片均呈圆形，各压力敏感片的厚度小于通孔的厚度；所述压力敏感片由纳米炭黑、纳米二氧化硅、正己烷、硅胶按照质量比0.5:1:40:20制成。
2.根据权利要求1所述的硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件，其特征在于，所述硅胶上基底呈扁半球状。
3.根据权利要求1所述的硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件，其特征在于，所述上电极阵列的电极材料为经过光刻腐蚀后的ITO电极，且上电极阵列的电极按行阵列均匀排布，每行电极都是串联的；所述下电极阵列的电极材料为经过光刻腐蚀后的ITO电极，且下电极阵列的电极按列阵列均匀排布，每列电极都是串联的；所述上电极阵列的电极的行阵列与下电极阵列的电极的列阵列呈90°角放置。
4.根据权利要求1所述的硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件，其特征在于，所述硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件还包括上铜带和上导线，上、下电极阵列均与上铜带和上导线相连，上铜带和上导线将上、下电极阵列引出，作为敏感信号传输端。
5.根据权利要求1所述的硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件，其特征在于，所述绝缘衬底的制作材料选用硅胶硫化后产物，其以PET衬底作为模板，采用磁控溅射的方式在PET衬底上镀一层ITO导电薄膜，所述绝缘衬底采用下述方法制成：在PET衬底的ITO导电薄膜上，均匀涂抹一层光致抗蚀剂，均匀涂抹所述光致抗蚀剂的速度为3200r/min，均匀涂抹所述光致抗蚀剂的时间为40s；均匀涂抹光致抗蚀剂后将所述绝缘衬底放入烘干机进行加热烘干，加热烘干的温度为75℃，加热烘干的时间为25min；将烘干后的绝缘衬底的ITO导电薄膜面朝上放入掩模对准曝光机操作台，将光刻板掩模朝下，操作掩模对准曝光机使光刻版掩膜面与绝缘衬底紧密接触，强紫外光下曝光15S；将曝光后的绝缘衬底浸入浓度为5％的氢氧化钠溶液中，清洗15s～20s，洗掉绝缘衬底上曝光部分的光致抗蚀剂；将绝缘衬底浸入浓度为50％的盐酸溶液中，清洗20s～25s，洗掉曝光部分的ITO导电薄膜；将绝缘衬底浸入无水乙醇中，清洗25s，洗掉未曝光部分的光致抗蚀剂。
6.根据权利要求1所述的硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件，其特征在于，所述上、下感应电极均为经过光刻腐蚀后的聚对苯二甲酸乙二醇酯电极，上感应电极横向排列，下感应电极纵向排列。
7.根据权利要求1所述的硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件，其特征在于，所述硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件还包括下铜带和下导线，上、下感应阵列均与下铜带和下导线相连，下铜带和下导线将上、下感应阵列引出，作为感应信号传输端。
8.根据权利要求1所述的硅胶仿生指尖触-压觉敏感器件，其特征在于，所述弹性层由Ni/PDMS复合材料制成。
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