CN108613761A - 一种柔性三维接触力传感器 - Google Patents

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肖瑶
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Abstract

一种柔性三维接触力传感器，属于传感器技术领域。包括依次设置的下封装层、4n个阵列排列的力传感单元、上封装层和力加载层，所述力传感单元包括力敏薄膜、位于力敏薄膜上表面的上电极层和位于力敏薄膜下表面的下电极层三层结构，n≥1且为正整数；其中，每个力传感单元的上电极和下电极分别通过引线引出连接外部采集系统，通过检测每个力传感单元中力敏薄膜的电阻变化，即可得到传感器的受力情况。本发明提供的柔性三维接触力传感器与传统的传感器相比，在满足柔性、小尺寸的前提下，在剪切力方向的测量范围更宽，测量精度高，可应用于机器人指尖、医疗末端力检测、人机交互等智能机电力检测设备及其他需要检测多维力的设备中。

Description

一种柔性三维接触力传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种柔性三维接触力传感器。
背景技术
随着科技的发展及应用需求的提高，对传感器的柔性、小型化、智能化等提出了更高的要求。其中，柔性多维力传感器可同时测量两个方向以上的力，且可随意扭曲拉伸，在工业制造、医疗检测、家居智能、可穿戴设备等领域具有巨大的应用前景。
作为未来智能机器人的重要组成部分，柔性多维力传感器是智能机器人与外部环境受力及触觉信息交换的必需媒介，研制符合实际应用要求的三维力传感器已经成为机器人发展中的关键技术之一。目前，柔性多维力传感器大多是在柔性金属材料、硅基材料或者柔性纤维材料上基于光、电、磁等现象得到的，存在结构复杂、成本高、检测精度低等问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种新型的柔性三维接触力传感器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种柔性三维接触力传感器，包括依次设置的下封装层、4n个阵列排列的力传感单元、上封装层和力加载层，所述力传感单元包括力敏薄膜、位于力敏薄膜上表面的上电极层和位于力敏薄膜下表面的下电极层三层结构，n≥1且为正整数；其中，每个力传感单元的上电极和下电极分别通过引线引出连接外部采集系统，通过检测每个力传感单元中力敏薄膜的电阻变化，即可得到传感器的受力情况。
进一步地，所述力敏薄膜为所述力传感单元的核心部分，是通过将导电微粒分散于粘结剂中，经涂覆或丝网印刷形成的薄膜。
进一步地，所述力敏薄膜包括质量比为1：(0.03～0.05)的粘结剂和导电微粒，所述粘结剂为聚酰亚胺、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂或丙烯酸树脂等，所述导电微粒为金粉、银粉、导电炭黑、石墨或银包铜粉等。
进一步地，所述力敏薄膜的厚度为30～100μm，以便于感知力的变化。
进一步地，所述力敏薄膜的制备过程具体为：(a)将粘结剂均匀分散于有机溶剂中，搅拌混合均匀，得到混合液A；其中，混合液A中粘结剂与有机溶剂的质量比为1：(10～20)，所述粘结剂为聚酰亚胺、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂或丙烯酸树脂等，所述有机溶剂为二甲基乙酰胺(DMAC)、芳烃150、二乙二醇丁醚或二乙二醇丙醚等；(b)在混合液A中加入导电微粒，充分混合均匀，得到混合液B；其中，步骤(a)中粘结剂与步骤(b)中加入的导电微粒的质量比为1：(0.03～0.05)，所述导电微粒为金粉、银粉、导电炭黑、石墨或银包铜粉等；(c)将步骤(b)得到的混合液B采用涂覆或丝网印刷的方法形成力敏薄膜。
进一步地，所述上电极层以及下电极层为金或银电极层，厚度均为13μm。
进一步地，所述力加载层用于接收力并将接收到的力传递至力敏薄膜，其设置于上封装层的中心位置，以使力传感单元接收均匀的力；所述力加载层完全覆盖4n个阵列排列的力传感单元，具体尺寸可根据需求调节。
进一步地，所述力加载层的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
进一步地，所述上封装层以及下封装层用于保护和支撑力传感单元，可采用聚酰亚胺(PI)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)等材料；所述上封装层的厚度为1～2mm，下封装层的厚度为0.5～1mm，该厚度设置既能保护力传感单元，又不会影响力对传感单元的作用。
本发明提供的柔性三维接触力传感器在使用时，将传感器嵌入待测力环境中，其形状和大小可根据环境要求调整；该传感器利用力敏薄膜的力敏特性，在接触应力的作用下，力敏薄膜发生形变进而导致力传感单元的电阻发生变化，通过检测每个力传感单元中力敏薄膜的电阻变化，即可得到三维接触力的大小和方向，进而得到传感器的受力情况。
本发明提供的柔性三维接触力传感器可检测的三维力包括一个正应力和两个弯矩。传感器的上表面为测力表面，以此表面建立坐标轴，垂直于表面中心向上为Z轴，位于传感器上表面与Z轴垂直且指向右侧的轴为X轴，位于传感器上表面与Z轴垂直且指向后侧的轴为Y轴，如图1(a)所示。在没有力作用下的自由状态，四个力传感单元R1～R4的电阻值为初始电阻，如图1(b)所示；在垂直方向压应力Fz作用下，如图1(c)所示，四个力传感单元R1～R4压缩，导电性增强，导致R1～R4的电阻值均减小；在x方向剪切力Fx的作用下，如图1(d)所示，假设剪切力通过受力触点转变为摩擦力，则x方向剪切力使得力传感单元R2和R4受到压应力的作用而被压缩，而R1和R3受到张应力的作用而被拉伸，使得R2和R4的电阻值减小，R1和R3电阻值增大；在受到y方向剪切力Fy作用时，如图1(e)所示，力传感单元R1和R2受压应力的作用而被压缩，R3和R4受到张应力的作用而被拉伸，使得R1和R2电阻减小，R3和R4电阻增大。采用一个简单的运放电路，R1～R4电阻值的变化ΔR1～ΔR4可以通过测量力传感单元上电压信号的变化ΔVR1～ΔVR4获得，而电压信号的变化ΔVR1～ΔVR4与压力有良好的线性关系，因此，x、y、z方向上的力Fx、Fy、Fz可以通过如下线性变换关系得到：
其中，wij为第i行第j列的变换系数。
在x-y面上总剪切力Fs的大小和方向(与水平面夹角为θ)则分别为：
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的柔性三维接触力传感器在满足柔性、小尺寸的前提下，在剪切力方向的测量范围宽，测量精度高，可应用于机器人指尖、医疗末端力检测、人机交互等智能机电力检测设备及其他需要检测多维力的设备中。
2、本发明提供的柔性三维接触力传感器实现了全柔性，可随意扭曲；采用一定比例的粘结剂和导电微粒形成的薄膜作为力敏薄膜，性能优良，线性度良好，有效拓宽了剪切力的测量范围；采用涂覆方法形成力敏薄膜，工艺简单，大大降低了生产成本，提高了生产效率，有利于实现工业化生产和应用。
3、本发明提供的柔性三维接触力传感器，结构简单，尺寸小，有利于实现传感器阵列的制备，应用于检测精度更高的测力环境中。
附图说明
图1为本发明提供的柔性三维接触力传感器在不同方向上的力作用下的形变示意图；其中，(a)为力传感单元的俯视图，(b)为无外力作用下的自由状态，(c)为在垂直方向压应力Fz作用下的形变，(d)为在x方向剪切力Fx的作用下的形变，(e)为在y方向剪切力Fy作用下的形变；
图2为本发明提供的柔性三维接触力传感器的剖面图；
图3为本发明提供的包括12个阵列排列的力传感单元的柔性三维接触力传感器的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
如图2所示，为本发明提供的一种柔性三维接触力传感器的剖面结构示意图；所述柔性三维接触力传感器自下而上依次为下封装层、下电极层、力敏薄膜、上电极层、上封装层和力加载层，所述下电极层、力敏薄膜和上电极层均为阵列结构，共同形成了4n个阵列排列的力传感单元，n≥1且为正整数；其中，每个力传感单元的上电极和下电极分别通过引线引出连接外部采集系统，通过检测每个力传感单元中力敏薄膜的电阻变化，即可得到传感器的受力情况。
实施例
本实施例提供的一种柔性三维接触力传感器中，上封装层和下封装层均采用PDMS，厚度均为1mm；力加载层为PDMS，在磨具中成型制得半径为4mm的半球形加载块；所述三维接触力传感器包括4个阵列排列的力传感单元，每个力传感单元包括自下而上依次设置的下电极层、力敏薄膜和上电极层，其中，力敏薄膜用导电银胶与上下电极层贴合；上电极层和下电极层采用印刷银电极，厚度均为13μm；力敏薄膜包括质量比为1：0.04的聚酰亚胺粉末和导电炭黑，厚度为80μm，具体制备方法为：首先，将聚酰亚胺加入DMAC溶剂中，搅拌混合均匀，得到混合液A，混合液A中聚酰亚胺和DMAC的质量比为1:15；然后，按照质量比聚酰亚胺粉末：导电炭黑＝1：0.04的比例，向混合液A中加入导电炭黑，混合均匀，得到混合液B；最后，将混合液B均匀涂覆于金属板上，置于加热台上，在80℃下加热30min，再升温到100℃加热30min，得到的薄膜揭下后，采用导电胶贴合于上下电极之间，得到厚度为80μm的力敏薄膜。
将实施例传感器进行测试分析，结果表明x，y和z方向的可检测力的满量程范围分别约为20N，14N和14N，三个方向的平均误差分别为4.3％,1.1％,3.8％，从而实现了测量氛围广，测量精度高的目的。

Claims (7)

1.一种柔性三维接触力传感器，包括依次设置的下封装层、4n个阵列排列的力传感单元、上封装层和力加载层，所述力传感单元包括力敏薄膜、位于力敏薄膜上表面的上电极层和位于力敏薄膜下表面的下电极层，n≥1且为正整数；其中，每个力传感单元的上电极和下电极分别通过引线引出连接外部采集系统，通过检测每个力传感单元中力敏薄膜的电阻变化，即可得到传感器的受力情况。
2.根据权利要求1所述的柔性三维接触力传感器，其特征在于，所述力敏薄膜包括质量比为1：(0.03～0.05)的粘结剂和导电微粒，所述粘结剂为聚酰亚胺、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂或丙烯酸树脂，所述导电微粒为金粉、银粉、导电炭黑、石墨或银包铜粉。
3.根据权利要求1所述的柔性三维接触力传感器，其特征在于，所述力敏薄膜的厚度为30～100μm。
4.根据权利要求1所述的柔性三维接触力传感器，其特征在于，所述力敏薄膜的制备过程具体为：(a)将粘结剂均匀分散于有机溶剂中，搅拌混合均匀，得到混合液A；其中，混合液A中粘结剂与有机溶剂的质量比为1：(10～20)，所述粘结剂为聚酰亚胺、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂或丙烯酸树脂，所述有机溶剂为二甲基乙酰胺、芳烃150、二乙二醇丁醚或二乙二醇丙醚；(b)在混合液A中加入导电微粒，充分混合均匀，得到混合液B；其中，步骤(a)中粘结剂与步骤(b)中加入的导电微粒的质量比为1：(0.03～0.05)，所述导电微粒为金粉、银粉、导电炭黑、石墨或银包铜粉；(c)将混合液B采用涂覆或丝网印刷的方法形成力敏薄膜。
5.根据权利要求1所述的柔性三维接触力传感器，其特征在于，所述力加载层用于接收力并将接收到的力传递至力敏薄膜，设置于上封装层的中心位置且完全覆盖4n个阵列排列的力传感单元。
6.根据权利要求1所述的柔性三维接触力传感器，其特征在于，所述力加载层的材料为聚二甲基硅氧烷。
7.根据权利要求1所述的柔性三维接触力传感器，其特征在于，所述上封装层以及下封装层为聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚二甲基硅氧烷；所述上封装层的厚度为1～2mm，下封装层的厚度为0.5～1mm。
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