CN109269694B - 柔性触觉传感装置、系统及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种柔性触觉传感装置、系统及其制造方法。该装置包括设置有柔性纹路凸起的柔性基底和多个柔性传感组件包括依次连接的第一固定部、第一应变部、连接部、第二应变部和第二固定部，其中，每个柔性传感组件按照排布规则匹配安装在柔性纹路凸起的对应位置上，且每个柔性传感组件至少部分地嵌入柔性纹路凸起中，第一固定部和第二固定部固定在柔性基底上，第一应变部和第二应变部分别位于柔性纹路凸起的两侧，连接部位于柔性纹路凸起的顶部。本公开实施例所提供的柔性触觉传感装置、系统及其制造方法，制造的过程简单，装置的集成度高、受力响应快、测量的准确性和线性度高。
Description
技术领域
本公开涉及传感技术领域，尤其涉及一种柔性触觉传感装置、系统及其制造方法。
背景技术
触觉感知是人和外界进行交互的重要方式之一。人体皮肤内分布着数量和功能不一的各种具有触觉感知能力的功能细胞，它们可以将外界的压力和摩擦力信号转化为电信号传到我们的大脑，而在皮肤上的毛发和指纹这两种重要的结构辅助着功能细胞的工作。触觉的最基本的功能之一便是抓取物体，触觉的存在使得人类可以以恰到好处的力气抓取一个物体，不至于让其掉落，同时又不会让被抓取的物体因为受到太大的力而发生变形破坏。这样的例子在生活中处处可见，比如用手完整拿起一块易碎的豆腐，或是拿起一瓶开口的塑料的饮料，并不让液体挤出来等。人的触觉不光可以感知压力，还可以感知不同程度的摩擦力以及在接触物体表面轻轻滑动过程中产生的摩擦震动。正是通过对这种摩擦力以及摩擦震动的感知，人类才可以识别出不同粗糙度、不同材质、不同纹理的物体，才可以感受到丝绸的柔滑、麻布的粗糙、玻璃的光洁。摩擦力以及摩擦震动的感知也是触觉非常重要的一部分。
相关技术中，各类触觉传感器不能解耦压力和摩擦力，无法识别摩擦震动。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了一种能够解耦压力和摩擦力，且能够识别摩擦震动的柔性触觉传感装置、系统及其制造方法。
根据本公开的一方面，提供了一种柔性触觉传感装置，所述装置包括多个柔性传感组件和柔性基底，
所述柔性基底上设置有柔性纹路凸起，柔性传感组件包括依次连接的第一固定部、第一应变部、连接部、第二应变部和第二固定部，
其中，每个柔性传感组件按照排布规则匹配安装在所述柔性纹路凸起的对应位置上，且每个柔性传感组件至少部分地嵌入柔性纹路凸起中，所述第一固定部和所述第二固定部固定在所述柔性基底上，所述第一应变部和所述第二应变部分别位于所述柔性纹路凸起的两侧、且所述第一应变部和所述第二应变部的位置相互对应，所述连接部位于所述柔性纹路凸起的顶部，
其中，所述连接部与所述第一应变部之间成第一固定角度，所述连接部与所述第二应变部之间成第二固定角度。
对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述第一固定部、所述第一应变部、所述第二应变部和所述第二固定部，包括第一柔性衬底层、金属层和第二柔性衬底层，所述连接部包括第一柔性衬底层和第二柔性衬底层，
其中，所述第一应变部和所述第二应变部中的金属层分别构成第一应变片和第二应变片，所述第一固定部和所述第二固定部中的金属层分别构成第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第一应变片连接，所述第二电极与所述第二应变片连接，
其中，所述第一应变片和所述第二应变片的阻值能够随所述柔性纹路凸起所受到的力的大小而改变。
对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述第一固定部、所述第一应变部、所述第二应变部和所述第二固定部，还包括：
辅助金属层，位于所述第一柔性衬底层和所述金属层之间，或者位于所述第二柔性衬底层和所述金属层之间。
对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：
应变检测组件，与所述第一电极和所述第二电极连接，监测所述多个柔性传感组件上的第一应变片和第二应变片的阻值变化，并根据所述阻值变化确定所述装置的受力大小和/或受力方向。
对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述柔性纹路凸起在所述柔性基底所在的平面上的投影形状包括以下任意形状：螺旋状、共圆心的多个圆环、共焦点的多个椭圆环、共焦点的多个双曲线、共中心的多个多边形环，
所述柔性纹路凸起的截面形状包括以下任意形状：方形、梯形、半圆形、半椭圆形。
对于上述装置，在一种可能的实现方式中，所述柔性纹路凸起的截面高度为0.1mm～0.5mm，所述柔性纹路凸起的截面宽度为0.1mm～1mm，相邻两个柔性纹路凸起之间的距离为0.1mm～2mm，所述柔性基底的厚度为 0.2mm～0.4mm。
根据本公开的另一方面，提供了一种柔性触觉传感装置的制造方法，所述方法包括：
在柔性基底的相互垂直的两个方向上对所述柔性基底进行预拉伸，获得预拉伸后的柔性基底；
根据预设的投影形状和排布规则，将平面结构的多个柔性传感组件放置在所述预拉伸后的柔性基底的对应位置上，并将柔性传感组件的第一固定部和第二固定部固定在所述预拉伸后的柔性基底上，所述柔性传感组件包括依次连接的第一固定部、第一应变部、连接部、第二应变部和第二固定部；
释放所述预拉伸后的柔性基底的预应变，使得多个柔性传感组件由平面结构转变为三维空间结构、且匹配安装在释放预应变后的柔性基底上；
对所述释放预应变后的柔性基底进行浇筑，在所述释放预应变后的柔性基底上形成与所述投影形状相对应的柔性纹路凸起，得到柔性触觉传感装置，
其中，在所述柔性触觉传感装置中，柔性传感组件至少部分地嵌入到柔性纹路凸起中，所述第一应变部和所述第二应变部位于所述柔性纹路凸起的两侧、且所述第一应变部和所述第二应变部的位置相互对应，所述连接部位于所述柔性纹路凸起的顶部，
所述连接部与所述第一应变部之间成第一固定角度，所述连接部与所述第二应变部之间成第二固定角度。
对于上述方法，在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
在第一柔性衬底层上生成金属层；
按照第一图案对所述金属层进行刻蚀处理，以在第一应变部区域和第二应变部区域上分别形成第一应变片和第二应变片、在第一固定部区域和第二固定部区域上分别形成第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第一应变片连接，所述第二电极与所述第二应变片连接；
在所述第一柔性衬底层的、带有刻蚀后的金属层的一面，形成第二柔性衬底层；
按照第二图案，对所述第一柔性衬底层和所述第二柔性衬底层进行刻蚀处理，形成包括所述第一固定部、所述第一应变部、所述连接部、所述第二应变部和所述第二固定部的柔性传感组件，
其中，所述柔性传感组件中的所述第一固定部、所述第一应变部、所述连接部、所述第二应变部和所述第二固定部之间依靠所述第一柔性衬底层和所述第二柔性衬底层依次连接。
对于上述方法，在一种可能的实现方式中，在第一柔性衬底层上生成金属层之前，所述方法还包括：
在所述第一柔性衬底层上生成辅助金属层，以在所述辅助金属层上生成所述金属层，并进行后续刻蚀处理。
根据本公开的另一方面，提供了一种柔性触觉传感系统，包括：一个或多个上述柔性触觉传感装置。
本公开实施例所提供的柔性触觉传感装置、系统及其制造方法，该装置包括设置有柔性纹路凸起的柔性基底和多个柔性传感组件包括依次连接的第一固定部、第一应变部、连接部、第二应变部和第二固定部，其中，每个柔性传感组件按照排布规则匹配安装在柔性纹路凸起的对应位置上，且每个柔性传感组件至少部分地嵌入柔性纹路凸起中，第一固定部和第二固定部固定在柔性基底上，第一应变部和第二应变部分别位于柔性纹路凸起的两侧、且第一应变部和第二应变部的位置相互对应，连接部位于柔性纹路凸起的顶部。其中，连接部与第一应变部之间成第一固定角度，连接部与第二应变部之间成第二固定角度。本公开实施例所提供的柔性触觉传感装置、系统及其制造方法，制造的过程简单，装置的集成度高、受力响应快、测量的准确性和线性度高。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1示出根据本公开一实施例的柔性触觉传感装置的结构示意图。
图2示出根据本公开一实施例的柔性触觉传感装置中柔性传感部件的结构示意图。
图3示出根据本公开一实施例的柔性触觉传感装置的结构示意图。
图4a、图4b示出根据本公开一实施例的柔性触觉传感装置中柔性传感组件的结构示意图。
图5示出根据本公开一实施例的柔性触觉传感装置的制造方法的流程图。
图6示出根据本公开一实施例的柔性触觉传感装置的制造方法的流程图。
图7示出根据本公开一实施例的柔性触觉传感装置的制造方法的流程图。
图8a-图8d示出根据本公开一实施例的柔性触觉传感装置的制造方法的应用场景的示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
图1示出根据本公开一实施例的柔性触觉传感装置的结构示意图，图2示出根据本公开一实施例的柔性触觉传感装置中柔性传感部件的结构示意图。如图1、图2所示，该装置可以包括多个柔性传感组件10和柔性基底20。
柔性基底20上设置有柔性纹路凸起201，柔性传感组件10包括依次连接的第一固定部101、第一应变部102、连接部103、第二应变部104和第二固定部105。
其中，每个柔性传感组件10按照排布规则匹配安装在柔性纹路凸起201 的对应位置上，且每个柔性传感组件10至少部分地嵌入柔性纹路凸起201中，第一固定部101和第二固定部105固定在柔性基底10上，第一应变部102和第二应变部104分别位于柔性纹路凸起201的两侧、且第一应变部102和第二应变部104的位置相互对应，连接部103位于柔性纹路凸起201的顶部。
其中，连接部103与第一应变部102之间成第一固定角度α，连接部103与第二应变部104之间成第二固定角度β。
在本实施例中，多个柔性传感组件10设置在柔性纹路凸起201的不同位置上。多个柔性传感组件对应不同的受力方向，也即，多个柔性传感组件之间存在特定的角度、或者相邻的柔性传感组件之间间隔固定距离的柔性纹路凸起，以保证装置可以检测到来自与不同方向的压力和摩擦力。本领域技术人员可以根据实际需要对多个柔性传感组件的位置进行设置，本公开对此不作限制。
在本实施例中，第一固定角度α和第二固定角度β可以相等，也可以不相等。第一固定角度α和第二固定角度β可以是70°～130°，例如，第一固定角度α和第二固定角度β可以均为90°。本领域技术人员可以根据实际需要对第一固定角度和第二固定角度进行设置，本公开对此不作限制。
在本实施例中，柔性基底所使用的柔性材料可以是聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，简称PDMS)、有机硅胶、共聚酯(ecoflex，属于PBAT， PBAT属于热塑性生物降解塑料，是己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物)、聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)等柔性材料。本领域技术人员可以根据实际需要对柔性基底所使用的柔性材料进行设置，本公开对此不作限制。
图3示出根据本公开一实施例的柔性触觉传感装置的结构示意图。在一种可能的实现方式中，柔性纹路凸起在柔性基底所在的平面上的投影形状可以包括以下任意形状：螺旋状(如图1所示)、共圆心的多个圆环(如图3所示)、共焦点的多个椭圆环、共焦点的多个双曲线、共中心的多个多边形环。柔性纹路凸起的截面形状可以包括以下任意形状：方形(正方形、长方形等)、梯形、半圆形、半椭圆形。
在该实现方式中，柔性纹路凸起还可以是其他曲线形状，以使得柔性纹路凸起在柔性基底所在的平面上的投影形状与人类的指纹形状相似。本领域技术人员可以根据实际需要对柔性纹路凸起的投影形状和截面形状进行设置，本公开对此不作限制。
在一种可能的实现方式中，柔性纹路凸起的截面高度可以为 0.1mm～0.5mm，柔性纹路凸起的截面宽度可以为0.1mm～1mm，相邻两个柔性纹路凸起之间的距离可以为0.1mm～2mm，柔性基底的厚度可以为 0.2mm～0.4mm。
在该实现方式中，可以根据检测精度、装置尺寸等对柔性纹路凸起的尺寸和间距、以及柔性基底的厚度进行设置，本公开对此不作限制。
在该实现方式中，柔性传感组件的尺寸与柔性纹路凸起的尺寸对应匹配。在柔性传感组件的长度方向上，连接部的长度小于或等于柔性纹路凸起的截面宽度，第一固定部和第二固定部的长度小于或等于相邻两个柔性纹路凸起之间的距离，第一应变部和第二应变部的长度小于或等于柔性纹路凸起的截面高度。这样，可以保证柔性传感组件可以至少部分的嵌入到柔性纹路凸起之中，也即，至少柔性传感组件的连接部、第一应变部和第二应变部可以嵌入到柔性纹路凸起之中。
图4a、图4b示出根据本公开一实施例的柔性触觉传感装置中柔性传感组件的结构示意图。在一种可能的实现方式中，如图4a、图4b所示，第一固定部101、第一应变部102、第二应变部104和第二固定部105，包括第一柔性衬底层01、金属层和第二柔性衬底层03，连接部103包括第一柔性衬底层01和第二柔性衬底层03。其中，第一应变部102和第二应变部104中的金属层分别构成第一应变片Y1和第二应变片Y2，第一固定部101和第二固定部101中的金属层分别构成第一电极D1和第二电极D2，第一电极D1与第一应变片Y1连接，第二电极D2与第二应变片Y2连接。其中，第一应变片Y1和第二应变片 Y2的阻值能够随柔性纹路凸起201所受到的力的大小而改变。
在该实现方式中，第一柔性衬底层和第二柔性衬底层的材料可以聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，简称PET)、聚酰亚胺(Polyimide，简称PI)等柔性材料。
在该实现方式中，第一柔性衬底层和第二柔性衬底层的厚度可以为 6μm～10μm，例如，第一柔性衬底层和第二柔性衬底层可以均为8μm。金属层的厚度为150nm～250nm，例如，200nm。金属层的材料可以是金，还可以是康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金、铂、铂钨合金等，本公开对此不作限制。
在该实现方式中，依次连接的第一固定部、第一应变部、连接部、第二应变部和第二固定部之间，依靠第一柔性衬底层和第二柔性衬底层实现连接，以保证柔性传感组件各部连接的灵活性。
在该实现方式中，第一应变片和第二应变片可以是箔式应变片。第一应变片和第二应变片包括敏感栅。可根据柔性传感组件的尺寸、金属层的材料等敏感栅的栅丝直径、敏感栅宽度、栅长等进行设置，本公开对此不作限制。
在一种可能的实现方式中，第一固定部101、第一应变部102、第二应变部104和第二固定部105，还可以包括辅助金属层。辅助金属层位于第一柔性衬底层01和金属层之间，或者位于第二柔性衬底层03和金属层之间。
在该实现方式中，辅助金属层的材料可以是金属镉等能够增强第一柔性衬底层与金属层之间的界面结合力、或者增强第二柔性衬底层与金属层之间的界面结合力的金属材料，本公开对此不作限制。辅助金属层的厚度可以是 5nm～15nm，例如，10nm。
在一种可能的实现方式中，该装置还可以包括应变检测组件。应变检测组件与第一电极D1和第二电极D2连接，监测多个柔性传感组件10上的第一应变片Y1和第二应变片Y2的阻值变化，并根据阻值变化确定装置的受力大小和/或受力方向。
在该实现方式中，应变检测组件可以根据第一应变片和第二应变片的阻值变化、并结合装置的力学结构进行震动响应分析，进而确定受力的大小和方向。由于将第一应变片和第二应变片分别集成在柔性纹路凸起的侧面，当柔性纹路凸起受到压力和摩擦力作用产生变形时，通过该位置的柔性纹路凸起两侧的第一应变片和第二应变片的应变大小，确定阻值变化，进而根据阻值变化推算出压力和摩擦力的大小和方向。
在本实施例中，将第一应变片和第二应变片分别集成在上述柔性纹路凸起的两个侧面，当柔性纹路凸起某位置因受到压力以及摩擦力发生变形时，第一应变片和第二应变片的敏感栅也会随之变形，引起第一应变片和第二应变片的电阻变化。通过两侧面的电阻变化的不同，可以通过力学的分析和计算得到该位置所受压力和摩擦力的大小。当柔性纹路凸起的某位置受到压力和摩擦力作用时，其中压力的作用导致两侧面均发生压缩变形，第一应变片和第二应变片的电阻减小。而摩擦力使该位置发生弯曲变形，柔性纹路凸起一面的第一应变片(或第二应变片)受拉电阻增大，另一面的第二应变片(或第一应变片)受压电阻减小。由于压力和摩擦力对两侧面电阻影响的不同，导致两侧面的电阻变化也不同，从两者不同的程度便可反推压力和摩擦力的大小。
本公开实施例所提供的柔性触觉传感装置，制造过程简单，集成度高，受力响应快，测量的准确性和线性度高。
本公开还提供一种柔性触觉传感系统，该系统包括：一个或多个上述柔性触觉传感装置。该系统的制造过程简单，集成度高，受力响应快，测量的准确性和线性度高。
需要说明的是，尽管以上述实施例作为示例介绍了柔性触觉传感装置、系统如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定各组件，只要符合本公开的技术方案即可。
图5示出根据本公开一实施例的柔性触觉传感装置的制造方法的流程图。如图5所示，该方法用于制造上述柔性触觉传感装置，该方法包括步骤S11至步骤S14。
在步骤S11中，在柔性基底的相互垂直的两个方向上对柔性基底进行预拉伸，获得预拉伸后的柔性基底。
在本实施例中，对柔性基底进行k倍预拉伸，k的值可以大于或等于第一应变部和第二应变部的长度之和，以保证释放预拉伸后的柔性基底之后，多个柔性传感组件可以由平面结构转变为三维空间结构。
在步骤S12中，根据预设的投影形状和排布规则，将平面结构的多个柔性传感组件放置在预拉伸后的柔性基底的对应位置上，并将柔性传感组件的第一固定部和第二固定部固定在预拉伸后的柔性基底上，柔性传感组件包括依次连接的第一固定部、第一应变部、连接部、第二应变部和第二固定部。
在本实施例中，可以根据预设的投影形状在所需的柔性触觉传感装置的预计尺寸，确定多个柔性传感组件在预拉伸后的柔性基底上进行放置的放大的形状和尺寸，进而将按照放大的形状和尺寸将多个柔性传感组件固定在预拉伸后的柔性基底上。
在步骤S13中，释放预拉伸后的柔性基底的预应变，使得多个柔性传感组件由平面结构转变为三维空间结构、且匹配安装在释放预应变后的柔性基底上。其中，连接部与第一应变部之间成第一固定角度，连接部与第二应变部之间成第二固定角度。
在本实施例中，释放预拉伸后的柔性基底的预应变，使得柔性基底的尺寸缩小，在柔性基底的尺寸缩小的过程中对平面结构的多个柔性传感组件产生力的作用，使得多个柔性传感组件由平面结构转变为三维空间结构。
在步骤S14中，对释放预应变后的柔性基底进行浇筑，在释放预应变后的柔性基底上形成与投影形状相对应的柔性纹路凸起，得到柔性触觉传感装置。其中，在柔性触觉传感装置中，柔性传感组件至少部分地嵌入到柔性纹路凸起中，第一应变部和第二应变部位于柔性纹路凸起的两侧、且第一应变部和第二应变部的位置相互对应，连接部位于柔性纹路凸起的顶部。
在本实施例中，可以预先制造相应的凸起模具，该凸起模具包括与投影形状相对应的待浇筑空间，以使得三维结构的多个柔性传感组件可以被放置在待浇筑空间中。而后将步骤S13所获得的带有多个柔性传感组件的柔性基底安装在凸起模具上，向待浇筑空间中浇筑柔性材料(该柔性材料可以与柔性基底的材料相同)，固化(固化温度和时长根据柔性材料确定)后在柔性基底上形成与投影形状相对应的柔性纹路凸起。脱模，得到所需的柔性触觉传感装置。其中，可以采用机械加工的方式对金属进行加工，得到金属材质的凸起模具。
在本实施例中，可以预先根据第一应变部和第二应变部的长度、预设的投影形状、排布规则，通过计算确定对柔性基底所需进行预拉伸的拉伸程度，以使得释放预拉伸后的柔性基底之后，多个柔性传感组件可以由平面结构转变为三维空间结构、且能够以“几”字型空间形状匹配安装在释放预应变后的柔性基底。还需要根据预设的投影形状、排布规则确定多个柔性传感组件在拉伸后的柔性基底上所应在的位置，以保证释放柔性拉伸后的柔性基底之后，多个柔性传感组件在柔性基底上的位置可以是与预设的投影形状、排布规则相对应的。
图6示出根据本公开一实施例的柔性触觉传感装置的制造方法的流程图。如图6所示，该方法还可以包括步骤S15至步骤S18。步骤S15至步骤S18需在步骤S12之间执行完毕，以保证步骤S12的正常进行。
在步骤S15中，在第一柔性衬底层上生成金属层。
在该实现方式中，可以采用物理气相沉积、化学气相沉积等沉积方式，在第一柔性衬底层上生成金属层。
在步骤S16中，按照第一图案对金属层进行刻蚀处理，以在第一应变部区域和第二应变部区域上分别形成第一应变片和第二应变片、在第一固定部区域和第二固定部区域上分别形成第一电极和第二电极，第一电极与第一应变片连接，第二电极与第二应变片连接。
在该实现方式中，先在金属层上旋涂光刻胶，而后利用根据第一图案制造的掩膜版，对光刻胶进行刻蚀处理，得到带有第一图案的光刻胶图形；再以光刻胶图形为掩膜，对金属层进行刻蚀处理。
在步骤S17中，在第一柔性衬底层的、带有刻蚀后的金属层的一面，形成第二柔性衬底层。
在该实现方式中，可以采用旋涂的方式在第一柔性衬底层的、带有刻蚀后的金属层的一面，形成第二柔性衬底层。
在步骤S18中，按照第二图案，对第一柔性衬底层和第二柔性衬底层进行刻蚀处理，形成包括第一固定部、第一应变部、连接部、第二应变部和第二固定部的柔性传感组件。其中，柔性传感组件中的第一固定部、第一应变部、连接部、第二应变部和第二固定部之间依靠第一柔性衬底层和第二柔性衬底层依次连接。
在该实现方式中，可以先在第二柔性衬底层上沉积一层金属铜层，而后利用根据第二图案所制造的掩膜版，对金属铜层进行刻蚀，得到带有第二图案的铜层。而后以带有第二图案的铜层为掩膜对第二柔性衬底、第一柔性衬底进行刻蚀，形成柔性传感组件。
图7示出根据本公开一实施例的柔性触觉传感装置的制造方法的流程图。如图7所示，该方法还可以包括步骤S19。
在步骤S19中，在第一柔性衬底层上生成辅助金属层，以在辅助金属层上生成金属层，并进行后续刻蚀处理。
在该实现方式中，可以物理气相沉积、化学气相沉积等沉积方式，在第一柔性衬底层上生成辅助金属层。例如，采用电子束蒸发的方式在第一柔性衬底层上生成辅助金属层。
上述形成柔性传感组件的方式仅是众多制造柔性传感组件的方式中一个示例，本领域技术人员可以根据实际需要对柔性传感组件的制造方式进行设置，本公开对此不作限制。
本公开实施例所提供的柔性触觉传感装置的制造方法，制造过程简单，所制造柔性触觉传感装置的集成度高，受力响应快，测量的准确性和线性度高。
需要说明的是，尽管以上述实施例作为示例介绍了柔性触觉传感装置的制造方法如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定各步骤，只要符合本公开的技术方案即可。
应用示例
以下结合“制造柔性触觉传感装置”作为一个示例性应用场景，给出根据本公开实施例的应用示例，以便于理解柔性触觉传感装置的制造方法的流程。本领域技术人员应理解，以下应用示例仅仅是出于便于理解本公开实施例的目的，不应视为对本公开实施例的限制。
图8a-图8d示出根据本公开一实施例的柔性触觉传感装置的制造方法的应用场景的示意图。以柔性纹路凸起在柔性基底所在的平面上的投影形状为共焦点的多个椭圆环为例，描述制造柔性触觉传感装置的方法。其中，为便于说明，图中的柔性纹路凸起仅示出了一个椭圆环，其余椭圆环并未示出。
第一步，按照上述步骤S15至步骤S19制造出所需的多个柔性传感组件10。
第二步，如图8a所示，在柔性基底20的相互垂直的两个方向上对柔性基底20进行k倍预拉伸，获得预拉伸后的柔性基底20’。其中，k等于柔性传感组件10中第一应变部和第二应变部的长度之和。
第三步，如图8b所示，根据投影形状和排布规则，将平面结构的多个柔性传感组件10放置在预拉伸后的柔性基底20’的对应位置上，并将柔性传感组件10的第一固定部和第二固定部固定在预拉伸后的柔性基底20’上。可以根据柔性基底的拉伸倍数k和所需制造的柔性触觉传感装置中椭圆环的尺寸，确定椭圆环在预拉伸后的柔性基底20’上的尺寸。并将多个柔性传感组件10 按照排布规则放置在预拉伸后的柔性基底20’的对应位置上。
第四步，如图8b、图8c所示，释放预拉伸后的柔性基底20’的应变，得到释放应变后的柔性基底20。并使得多个柔性传感组件10由平面结构转变为三维空间结构、且匹配安装释放应变后的柔性基底20上。
图8c示出了释放应变前后，柔性基底、柔性传感组件的变化情况。其中，多个柔性传感组件10的中心线a的位置与椭圆环相对应。多个柔性传感组件 10在柔性基底20’的由于尺寸缩小而产生的拉伸作用下，由平面结构转化为“几”字型空间结构，匹配安装在释放应变后的柔性基底20上。
第五步，如图8d所示，将带有多个柔性传感组件10的、释放应变后的柔性基底20放置在对应的凸起模具500中。向凸起模具500中浇筑柔性材料，如 PDMS，得到待固化的柔性纹路凸起。60℃加热固化3小时后，PDMS成型，形成柔性纹路凸起201。去除凸起模具500得到柔性触觉传感装置。
这样，通过简单的制造过程便可以获得柔性触觉传感装置，装置的集成度高、受力响应快、测量的准确性和线性度高。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (10)
1.一种柔性触觉传感装置，其特征在于，所述装置包括多个柔性传感组件和柔性基底，
所述柔性基底上设置有柔性纹路凸起，柔性传感组件包括依次连接的第一固定部、第一应变部、连接部、第二应变部和第二固定部，
其中，每个柔性传感组件按照排布规则匹配安装在所述柔性纹路凸起的对应位置上，且每个柔性传感组件至少部分地嵌入柔性纹路凸起中，所述第一固定部和所述第二固定部固定在所述柔性基底上，所述第一应变部和所述第二应变部分别位于所述柔性纹路凸起的两侧、且所述第一应变部和所述第二应变部的位置相互对应，所述连接部位于所述柔性纹路凸起的顶部，
其中，所述连接部与所述第一应变部之间成第一固定角度，所述连接部与所述第二应变部之间成第二固定角度，
其中，所述多个柔性传感组件之间存在特定的角度或相邻的柔性传感组件之间间隔固定距离的柔性纹路凸起，所述多个柔性传感组件对应不同的受力方向。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一固定部、所述第一应变部、所述第二应变部和所述第二固定部，包括第一柔性衬底层、金属层和第二柔性衬底层，所述连接部包括第一柔性衬底层和第二柔性衬底层，
其中，所述第一应变部和所述第二应变部中的金属层分别构成第一应变片和第二应变片，所述第一固定部和所述第二固定部中的金属层分别构成第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第一应变片连接，所述第二电极与所述第二应变片连接，
其中，所述第一应变片和所述第二应变片的阻值能够随所述柔性纹路凸起所受到的力的大小而改变。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一固定部、所述第一应变部、所述第二应变部和所述第二固定部，还包括：
辅助金属层，位于所述第一柔性衬底层和所述金属层之间，或者位于所述第二柔性衬底层和所述金属层之间。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
应变检测组件，与所述第一电极和所述第二电极连接，监测所述多个柔性传感组件上的第一应变片和第二应变片的阻值变化，并根据所述阻值变化确定所述装置的受力大小和/或受力方向。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柔性纹路凸起在所述柔性基底所在的平面上的投影形状包括以下任意形状：螺旋状、共圆心的多个圆环、共焦点的多个椭圆环、共焦点的多个双曲线、共中心的多个多边形环，
所述柔性纹路凸起的截面形状包括以下任意形状：方形、梯形、半圆形、半椭圆形。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柔性纹路凸起的截面高度为0.1mm～0.5mm，所述柔性纹路凸起的截面宽度为0.1mm～1mm，相邻两个柔性纹路凸起之间的距离为0.1mm～2mm，所述柔性基底的厚度为0.2mm～0.4mm。
7.一种柔性触觉传感装置的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
在柔性基底的相互垂直的两个方向上对所述柔性基底进行预拉伸，获得预拉伸后的柔性基底；
根据预设的投影形状和排布规则，将平面结构的多个柔性传感组件放置在所述预拉伸后的柔性基底的对应位置上，并将柔性传感组件的第一固定部和第二固定部固定在所述预拉伸后的柔性基底上，所述柔性传感组件包括依次连接的第一固定部、第一应变部、连接部、第二应变部和第二固定部；
释放所述预拉伸后的柔性基底的预应变，使得多个柔性传感组件由平面结构转变为三维空间结构、且匹配安装在释放预应变后的柔性基底上；
对所述释放预应变后的柔性基底进行浇筑，形成与所述投影形状相对应的柔性纹路凸起，得到柔性触觉传感装置，
其中，在所述柔性触觉传感装置中，柔性传感组件至少部分地嵌入到柔性纹路凸起中，所述第一应变部和所述第二应变部位于所述柔性纹路凸起的两侧、且所述第一应变部和所述第二应变部的位置相互对应，所述连接部位于所述柔性纹路凸起的顶部，
所述连接部与所述第一应变部之间成第一固定角度，所述连接部与所述第二应变部之间成第二固定角度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在第一柔性衬底层上生成金属层；
按照第一图案对所述金属层进行刻蚀处理，以在第一应变部区域和第二应变部区域上分别形成第一应变片和第二应变片、在第一固定部区域和第二固定部区域上分别形成第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第一应变片连接，所述第二电极与所述第二应变片连接；
在所述第一柔性衬底层的、带有刻蚀后的金属层的一面，形成第二柔性衬底层；
按照第二图案，对所述第一柔性衬底层和所述第二柔性衬底层进行刻蚀处理，形成包括所述第一固定部、所述第一应变部、所述连接部、所述第二应变部和所述第二固定部的柔性传感组件，
其中，所述柔性传感组件中的所述第一固定部、所述第一应变部、所述连接部、所述第二应变部和所述第二固定部之间依靠所述第一柔性衬底层和所述第二柔性衬底层依次连接。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在第一柔性衬底层上生成金属层之前，所述方法还包括：
在所述第一柔性衬底层上生成辅助金属层，以在所述辅助金属层上生成所述金属层，并进行后续刻蚀处理。
10.一种柔性触觉传感系统，其特征在于，包括：一个或多个根据权利要求1-6任一项所述的柔性触觉传感装置。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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