CN109238519B - 一种混合式柔性触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种混合式柔性触觉传感器。该传感器的组成包括屏蔽层、柔性基底、平面叉指电极、绝缘间隔层、弹性电介质层和触头层；其中，由下至上依次为屏蔽层、柔性基底、绝缘间隔层、弹性电介质层和触头层；所述的绝缘间隔层为框状结构，平面叉指电极粘接在柔性基底上，并位于绝缘间隔层的内框之中；绝缘间隔层的厚度比平面叉指电极的厚度多0.01mm～0.06mm。本发明的电容部分的电极是采用平面叉指电极结构，与传统的平行板型电容式触觉传感器相比，本触觉传感器取消了上浮电极，有利于触觉传感器的柔性化和微型化；采用电容式和电阻式互补的结构，利用电阻式结构作为电容式结构的拓展结构，可以扩大其测量范围。

Description

一种混合式柔性触觉传感器

技术领域

本发明属于触觉传感器技术领域，尤其涉及一种混合式柔性触觉传感器。

背景技术

目前，随着科技的进步以及人们生活水平的提高，服务型机器人正逐渐融入到生活的各个领域，类似人类手指的触觉神经元，触觉传感器作为机器人手指感知外界物理信息的关键部分，能帮助机器人在各种复杂环境下感知外界物体的物理特征，也可以辅助机械手完成预期的动作。另外，触觉在仿生皮肤研究中同样起着举足轻重的作用，为此，研究出一种全柔性，可大面积穿戴的电子皮肤已经成为如今的主流趋势。为了让机械手更好地完成抓取和操作物体的动作，机械手上的触觉传感器必须具备感测三维力及滑移力检测的能力。

目前绝大多数触觉传感器的设计原理集中在压阻式或者电容式的的结构，电容式传感器因为其具有体积小、灵敏度高、低噪音、低温漂及低功耗等显著的优点而被广泛应用。传统电容式触觉传感器一般为三层结构即上下电极和电介质层，当受到外力时，极板间距变化小，从而电容变化量小，且上浮电极板的存在限制了传感器的柔性化。大部分电容式触觉传感器应用于机械手时多采用刚性基体，缺乏应有的柔性，不宜在智能机器人弯曲表面广泛应用。利用压阻原理制作的触觉传感器的主要材料是压阻性能较好的压敏导电橡胶，利用压敏导电橡胶制作的触觉传感器具有优良的弹性，拉伸性和柔性，而且它的制作工艺简单，成本低适合电子皮肤的制作。但是导电橡胶的导电性能主要取决于导电颗粒的多少，导电颗粒越多，导电性能越好，但是为了保证导电橡胶具有良好的柔性，导电颗粒所占比例不能太多，从而限制了利用压敏导电橡胶制作触觉传感器的灵敏度。另外，不论是电容式还是电阻式的触觉传感器，其测量量程都不是太大，这就大大限制了机械手的工作范围。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对目前触觉传感器灵敏度不够高，测量范围小，提出一种混合式柔性触觉传感器。该混合式柔性触觉传感器将传统平行极板结构改为平面叉指电极式结构，且相较传统普通平面电极结构的电容式触觉传感器，灵敏度更高；采用电容式和电阻式互补的结构，利用电阻式结构作为电容式结构的拓展结构，可以扩大其测量范围。相对于传统的触觉传感器，本触觉传感器采用电容与电阻的混合结构，即在电容的弹性电介质中添加导电粒子以复用作压阻层的结构；其次，本触觉传感器采用的平面叉指电极结构是根据传统压阻类叉指电极的改进，利用5个叉指电极平铺在基底，形成4个等效电容，便于三维力的测量。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案实现的：

一种混合式柔性触觉传感器，其组成包括屏蔽层、柔性基底、平面叉指电极、绝缘间隔层、弹性电介质层和触头层；

其中，由下至上依次为屏蔽层、柔性基底、绝缘间隔层、弹性电介质层和触头层；所述的绝缘间隔层为方形框状结构，平面叉指电极粘接在柔性基底上，并位于绝缘间隔层的内框之中；绝缘间隔层的厚度比平面叉指电极的厚度多0.01mm～0.06mm；

所述的屏蔽层采用方形的铜箔，并通过引线接地；

所述的柔性基底层为方形的聚酰亚胺(PI)材料；

所述的平面叉指电极是铜箔材质的方形结构，其组成包括一个十字型的叉指电极和四个相同的“E”状的4指叉指电极；所述的十字形叉指电极的组成为十字端和条状分支；所述的十字端的每一端上分布有3个平行、均匀间隔的条状分支，从上端起，按照逆时针依次为向左、向下、向右和向上与十字端相连；四个“E”状的4指叉指电极相应的分别对应的逆向插入到条状分支的间隙中；4个“E”状的4指叉指电极分别和高电平相连；十字型的叉指电极和低电平相连；

所述的绝缘间隔层为硅橡胶；

所述的弹性电介质层为方形的导电硅橡胶材料；

所述的触头层采用截面为梯形的方台状硅橡胶材料；

所述的屏蔽层、柔性基底、绝缘间隔层和弹性电介质层的边长相同；

所述的屏蔽层的边长优选为22mm，厚度为0.05mm；

所述的柔性基底层的厚度为0.05mm；

所述的平面叉指电极的厚度为0.05mm；其中的十字端长、宽均为14.5mm；条状分支长6mm，宽0.5mm；叉指之间的间隔为0.5mm；

所述的绝缘间隔层的内边长为15.5mm，厚度为1mm；

所述的弹性电介质层厚度为3mm；

所述的触头层采用截面为梯形的方台状硅橡胶材料，下边长为15.5mm，上边长为7.75mm，高度为2mm。

本发明的实质性特点为：

1、采用电容式和电阻式互补的结构，即相较以往传统的平面电容式的触觉传感器，本传感器在弹性电介质层中填充了导电粒子以复用作压阻材料，采用此结构的优点是在不影响电容式触觉传感器工作的前提下，增加了一个压阻式的触觉传感器，而且没有增加其他结构，有利于传感器的微型化；另外，电阻式触觉传感器是作为电容式触觉传感器的拓展结构，从而扩大传感器系统的量程。

2、采用平面叉指电极结构，所述的平面叉指电极是在以前的压阻式触觉传感器中叉指电极的改进，以往压阻式中的叉指电极采用2个叉指电极组成1对叉指电极组，本专利中的平面叉指电极是同时作为电容部分和压阻部分的电极，而且本平面叉指电极由5个大的叉指电极组成，其中中间的十字状的叉指电极接低电平，周围4个“E”状的叉指电极接高电平，从而可以形成4对叉指电极组。

本发明的有益效果为：

本发明综合了电容式和压阻式触觉传感器的特点，将电容式触觉传感器和压阻式触觉传感器设计为一个触觉传感器，构成一个混合式柔性触觉传感器。即该电容式触觉传感器的弹性电介质层由传统普通的弹性电介质换为填充导电粒子的弹性电介质层；且混合式柔性触觉传感器的电极采用平面叉指电极作为电容式和电阻式触觉传感器的电极。这种复用结构提高了空间的利用率，有利于传感器的微型化。同时，该传感器采用的平面叉指电极结构是以往压阻式触觉传感器的叉指电极的改进，采用此种电极提高了电容部分的初始电容和灵敏度。

本发明的压阻部分是复用电容部分的弹性电介质层，即在弹性电介质中填充导电粒子。当受到的压力足够大时，弹性电介质与电极接触，此时由于电容部分的空气层被完全挤压，电介质完全变为弹性电介质，从而介电常数不再发生变化，电容值也不再发生变化；由于弹性电介质层中添加了导电粒子，与电极接触使其通过电流，继续施加压力，弹性电介质继续发生形变，弹性电介质层中导电粒子之间的间隔发生变化，从而弹性电介质的电阻率发生变化，电阻值发生变化，以反映压力的变化。这种复用结构有利于提高空间利用率，同时压阻部分作为电容部分的拓展结构，可以扩大触觉传感器系统的量程。

本发明的电容部分的电极是采用平面叉指电极结构，与传统的平行板型电容式触觉传感器相比，本触觉传感器取消了上浮电极，有利于触觉传感器的柔性化和微型化。与传统的普通平面电极结构的电容式触觉传感器相比，本触觉传感器的平面叉指电极存在多个叉指电容，从而提高了传感器的初始电容和灵敏度，有利于传感器信号的采集。从仿真结果可以看出，采用平面叉指电极的电容式触觉传感器的初始电容可以达到420fF左右，而传统普通的平面电极的触觉传感器的初始电容仅能达到104fF左右，因此平面叉指电极结构更加有利于电容信号的采集；对比平面叉指电极结构的电容式触觉传感器和传统普通平面电极受到正向压力时的变化程度，即ΔC/ΔF，从仿真曲线可以看出，平面叉指电极在受到相同的压力变化时(0N-1N变化)的变化程度更大，能达到29fF左右，而传统普通平面电极仅能达到9.7fF左右，因此平面叉指电极结构的电容式触觉传感器具有更高的灵敏度。

附图说明

图1为混合式柔性触觉传感器的整体结构。其中，1-屏蔽层，2-柔性基底，3-平面叉指电极，4-绝缘间隔层，5-弹性电介质层，6-触头层。

图2为平面叉指电极具体结构。

图3为高低电平极板之间形成的等效电容图。

图4为平面叉指电极形成的等效电路图。

图5为触觉传感器受到正向压力时的受力及变形情况图。

图6为触觉传感器受到非正向力时的受力及变形情况图。

图7为触觉传感器达到电容变化极限后电阻部分开始工作情况图。

图8为工作原理流程图。

图9为平面叉指电极电容受正向力仿真结果图。

图10为传统平面电极电容受正向力仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

本发明所述的混合式柔性触觉传感器的结构如图1所示，其组成包括屏蔽层1、柔性基底2、平面叉指电极3、绝缘间隔层4、弹性电介质层5和触头层6；

其中，由下至上依次为屏蔽层1、柔性基底2、绝缘间隔层4、弹性电介质层5和触头层6；所述的绝缘间隔层4为框状结构，平面叉指电极3粘接在柔性基底2上，并位于绝缘间隔层4的内框之中。

所述的柔性基底2位于屏蔽层1之上，平面叉指电极3粘接于柔性基底2上，绝缘间隔层4固定在柔性基底2和弹性电介质层5之间，起间隔平面叉指电极3和弹性电介质层5的作用，同时形成空气层；弹性电介质层5粘接在绝缘间隔层4上，触头层6粘接于弹性电介质层5上。而且，该传感器电容部分由屏蔽层1、柔性基底2、平面叉指电极3、绝缘间隔层4和弹性电介质层5组成；压阻部分由平面叉指电极3和弹性电介质层5组成。

(说明：本发明中，平面叉指电极3是一个器件两个作用，它同时作为电容结构和电阻结构的电极；弹性电介质层5也是一个器件两个作用，因为它填充了导电粒子，所以可以作为电容部分的电介质层和电阻部分的压阻层。)

所述的传感器的屏蔽层1采用方形的铜箔结构，粘接于柔性基底层2的下面，边长(长宽)为22mm，厚度为0.05mm，且屏蔽层1要引出一根接地引线。

所述的柔性基底层2采用PI材料，边长为22mm，厚度为0.05mm；平面叉指电极3粘接在柔性基底层2上面，而且平面叉指电极采用铜箔刻蚀制成，方形电极最大边长(长宽)为14.5mm(十字中间的“宽度”也是0.5mm，与小叉指电极宽度一样)，厚度为0.05mm，每一个小叉指电极长6mm，宽0.5mm，电极之间的间隔为0.5mm(即逆向插入之后的间隔，即为附图2中显示的间隔)，且具体说明见下附图2中平面叉指电极附图；平面叉指电极层3上面需要一层空气层充当电介质，空气层由柔性基底层2、绝缘间隔层4和弹性电介质层5共同支撑组成；绝缘间隔层4采用绝缘性和弹性良好的硅橡胶，绝缘间隔层4为方形框状结构，外边长为22mm，内边长为15.5mm，厚度为1mm，粘接在柔性基底层2上面，(平面叉指电极3位于绝缘间隔层4的内框之中)；弹性电介质层5采用CB3100炭黑与硅橡胶的质量分数比为8％的导电硅橡胶材料，方形边长为22mm，厚度为3mm，且粘接于绝缘间隔层4上；触头层6采用截面为梯形的方台状硅橡胶材料，下边长为15.5mm，上边长为7.75mm，高度为2mm，粘接于弹性电介质上，触头层6不仅可以起到感受压力的作用，同时也对弹性电介质层5起到绝缘隔绝和保护作用。

图2和图3为平面叉指电极结构图。其中图2为平面叉指电极的具体结构图，图3为平面叉指电极的等效电路模型图，图4为平面叉指电极间形成等效电容的模型图。

所述的平面叉指电极3是铜箔材质的方形结构，其组成包括一个十字型的叉指电极和四个相同的“E”状的4指叉指电极；所述的十字形叉指电极的组成为十字端和条状分支；所述的十字端的每一端上分布有3个平行、均匀间隔的条状分支，从上端起，按照逆时针依次为向左、向下、向右和向上与十字端相连；四个“E”状的4指叉指电极相应的分别从左上向右、左下向上、右下向左、右上向下的、均匀分布的逆向插入到条状分支的间隙中，构成平面叉指电极3；

所述平面叉指电极3是采用铜箔材料的方形结构，其最大边长(长宽)为14.5mm，厚度为0.05mm，中间为1个大的十字型的叉指电极，且每个大的十字型的长度为14.5mm，宽度为0.5mm，且十字型每个端又有3个小的叉指电极，且每个小的叉指电极的长度为6mm，宽为0.5mm；周围还有4个“E”状的4指叉指电极，与中间的十字叉指电极组成4对叉指电极组，周围的“E”状的4指叉指电极公共端为长度为6.5mm，宽度为0.5mm，每个“E”状的4指叉指电极又包含4个小的叉指电极，每个小叉指电极的长度为6mm，宽度为0.5mm，且相邻的两个叉指电极之间的间隙为0.5mm。

由于每个叉指电极不连续，十字型的叉指电极和4个“E”状的4指叉指电极形成了5个叉指电极，然后通过不同的引线连接，如图2中的引线11、引线12、引线13、引线14和引线15。所述4个周围“E”状的4指叉指电极的引线11、引线12、引线14和引线15接相同的高电平，十字型的叉指电极的引线13接低电平。这种结构可以使高低电平相间排列，提高了空间利用率和灵敏度。其中引线11、引线12、引线14和引线15分别与引线13所连接的叉指电极形成等效电容电路，如图3所示。(说明：所述的高低电平其实就是高低电压，因为不同的材料尺寸的额定电压值不同，所以具体的参数需要视实际情况而定。比如在仿真实验中设置十字型叉指电极接低电压“0V”，“E”状的4指叉指电极接高电压“1V”，从而能够使叉指之间产生一个电压差，进而才能形成电场。)

图3为平面叉指电极的等效电路图，其中C1、C2、C3和C4分别是每组高电平叉指电极与低电平叉指电极形成的等效电容。

所述每对高低电平电极之间形成的等效电容如图4所示，两个平面电极之间的电场线如图4中的虚线所示。有别于传统平行极板式的电容传感器，平面电极结构式的传感器不是通过改变两个极板间的间距来改变电容大小的，而是通过改变电场之间的电介质，进而改变介电常数，来改变电容大小。对于此传感器，当有压力施加时，弹性电介质层挤压空气层，从而使得电介质从空气变为弹性电介质，从而引起介电常数发生变化，电容值发生变化。具体说明见图5和图6工作原理说明图。

图5和图6为该触觉传感器的工作原理图。

所述工作原理图为该传感器的剖面图，最底层为屏蔽层和柔性基底，平面叉指电极粘接在柔性基底上面，通过间隔层粘接弹性电介质层和触头。

电容部分工作原理：

其中图5为该传感器受到正向压力时所发生的位移形变，当传感器受到正向压力时，弹性电介质发生位移形变，挤压空气层，从而使介电常数发生变化，因为形变均匀，所以四个等效电容的变化理论上是相同的。

图6为该传感器受到非正向压力时所发生的位移形变，所以触头和弹性电介质呈现明显的不规则变化，如图6所示，靠近右侧的空气域被挤压的较多，靠近左侧的空气域被挤压的较少，因此右侧的电极之间的介电常数改变较大，等效电容改变较大，而左侧的介电常数改变较小，等效电容改变的较小。因此，当该传感器受到外力时，通过不同位置的电极之间的等效电容的改变量可以大致判断所受力的大小和方向。

压阻部分工作原理：

图7为触觉传感器达到电容变化极限后电阻部分开始工作情况图。当所受的外力足够大时，该传感器的空气域被完全挤压出去，此时弹性电介质层与平面叉指电极接触，如图7所示；此时电容部分因为介电常数不再发生变化，电容值不再发生变化，同时因为弹性电介质层填充导电粒子，所以在弹性电介质层产生电流。此时，如果继续增加外力，弹性电介质在受到外力作用后，导电粒子之间的距离发生变化，改变了材料的导电性，并引起体电阻的变化，从而判断所受力的大小。

图8为传感器工作原理的流程图。

所述传感器的触头感受到压力时，顶部触头发生形变，此时电容部分优先工作，因为压阻部分未接通电流。

触头受到压力时，顶部触头和弹性电介质发生形变，从而挤压空气层，空气层一部分被弹性电介质层取代，从而使得等效电容的介电常数发生变化，导致电容值发生变化，具体参见图5和图6中介绍电容部分工作原理；当受到的压力达到一定值时，弹性电介质层与电极接触，此时空气域被完全挤压出去如图7所示，因为介电常数不再发生变化，所以电容值不再发生变化，此时，弹性电介质接触电极而产生电流，压阻部分开始工作，继续增加压力，弹性电介质层发生形变，引起体电阻发生变化，具体参见压阻部分工作原理。

将电容值变化信号和电阻值变化信号通过信号检测和分析装置，利用电容值和电阻值变化来综合分析该传感器所受压力的情况。

图9为平面叉指电极电容部分的受正向力仿真结果(采用COMSOL软件对两种触觉传感器进行仿真分析，保证其他因素(传感器大小、材料和受力变化等因素)都是相同的，只改变电极的形状结构，对比两种不同平面电极的结构的触觉传感器的电容变化。)，其中由于受到正向压力，四个电容变化值基本相同，四条曲线变化趋势相同，选取其中一条做出分析。另外对比图10中传统普通平面电极，可以看出平面叉指电极的初始电容值比较大，可以达到420fF左右，但是传统平面电极仅能达到104fF左右；对比受力后电容变化情况，通过ΔC/ΔF即曲线的斜率可以看出，平面叉指电极在受到相同的压力变化时(0N-1N变化)的变化程度更大，能达到29fF左右，而传统普通平面电极仅能达到9.7fF左右，平面叉指电极的电容变化更灵敏。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (2)

1.一种混合式柔性触觉传感器，其特征为该传感器的组成包括屏蔽层、柔性基底、平面叉指电极、绝缘间隔层、弹性电介质层和触头层；

其中，由下至上依次为屏蔽层、柔性基底、绝缘间隔层、弹性电介质层和触头层；所述的绝缘间隔层为方形框状结构，平面叉指电极粘接在柔性基底上，并位于绝缘间隔层的内框之中；绝缘间隔层的厚度比平面叉指电极的厚度多0.01mm~0.06mm；

所述的屏蔽层采用方形的铜箔；

所述的柔性基底为方形的聚酰亚胺（PI）材料；

所述的平面叉指电极是铜箔材质的方形结构，其组成包括一个十字型叉指电极和四个相同的“E”状的4指叉指电极；所述的十字型叉指电极的组成为十字端和条状分支；所述的十字端的每一端上分布有3个平行、均匀间隔的条状分支，从上端起，按照逆时针依次为向左、向下、向右和向上与十字端相连；四个“E”状的4指叉指电极相应的分别对应的逆向插入到条状分支的间隙中；

所述的绝缘间隔层为硅橡胶；

所述的弹性电介质层为方形的导电硅橡胶材料；

所述的触头层采用截面为梯形的方台状硅橡胶材料；

所述的屏蔽层、柔性基底、绝缘间隔层和弹性电介质层的边长相同；

所述的屏蔽层通过引线接地；所述的平面叉指电极中，4个“E”状的4指叉指电极分别和高电平相连；十字型的叉指电极和低电平相连；

所述传感器受到非正向压力时，所述触头和弹性电介质呈现明显的不规则变化的位移形变；当所述传感器受到外力时，通过不同位置的电极之间的等效电容的改变量可以判断所受力的大小和方向。

2.如权利要求1所述的混合式柔性触觉传感器，其特征为所述的屏蔽层的边长为22mm，厚度为0.05mm；

所述的柔性基底的厚度为0.05mm；

所述的平面叉指电极的厚度为0.05mm；其中的十字端长、宽均为14.5mm；条状分支长6mm，宽0.5mm；叉指之间的间隔为0.5mm；

所述的绝缘间隔层的内边长为15.5mm，厚度为1mm；

所述的弹性电介质层厚度为3mm；

所述的触头层采用截面为梯形的方台状硅橡胶材料，下边长为15.5mm，上边长为7.75mm，高度为2mm。