CN109282921A - 金属滴液电极式三维电容触觉传感器 - Google Patents

金属滴液电极式三维电容触觉传感器 Download PDF

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余建平
李欣
张玉良
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Abstract

本发明公开了一种金属滴液电极式三维电容触觉传感器。主要从下至上依次由下极板、电介质层和上极板组合而成，下极板上表面开有四组阵列布置的方形凹槽，每组方形凹槽包括两个直角三角形槽，每个直角三角形槽均置有一个传感电极，每组方形凹槽的两个传感电极构成一组电容单元；上极板上表面加工成半圆球型结构，上极板下表面加工有四个阵列布置的梯形台状槽，电介质层和上极板粘接使得形成密封腔体，四个密封腔体填注有镓铟锡合金液体构成四个传感单元。本发明采用变极板面积的方式替代传统电容传感器改变极板间距的方式，有效提高传感器灵敏度。

Description

金属滴液电极式三维电容触觉传感器
技术领域
本发明涉及一种触觉传感器，尤其是涉及一种金属滴液电极式三维电容触觉传感器。
背景技术
触觉是人类的最重要感觉之一，人类通过触觉感知被接触物体的几何形状、纹理、温度、柔性或者刚度方面的特性。作为机电系统自主控制与生物神经反馈控制之间的连接纽带，人工触觉感知系统常应用于假肢系统，并为底层控制提供外界环境信息，以提高假肢灵巧性。因此，研制高性能的触觉传感器，提高假肢系统与外部环境的相互协调工作能力，是实现假肢手智能化的关键技术。电容传感器因其低功耗、低成本、稳定性高等特点是制作触觉传感器的主要选择之一。
近年来，国内外已开展诸多基于电容传感器的触觉传感器研究，并逐渐应用于智能假肢手的压力功能重建中，但在使用过程中以下重点及难题不断突显：
1)触觉传感器尺寸在微米级别，而传统电容传感器一般通过改变极板间距的方式实现电容量的变化，电容变化区间小，这直接导致触觉传感器的灵敏度较低，在微弱信号的检测中容易被干扰信号湮没。
2)通过柔性材料的使用，触觉传感器的挠曲强度和拉伸性能得到提升，但脆弱的信号导线可靠性问题触觉被忽视，信号导线在反复弯曲和拉伸过程中的断裂是目前触觉传感器失效的主要原因之一。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种金属滴液电极式三维电容触觉传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
主要从下至上依次由下极板、电介质层和上极板组合而成，下极板上表面开有四组阵列布置的方形凹槽，每组方形凹槽包括两个直角三角形槽，两个直角三角形槽以斜边相对间隔布置形成方形凹槽，每个直角三角形槽均置有一个传感电极，每组方形凹槽的两个传感电极构成一组电容单元，八个传感电极两两一组共构成四组电容单元；上极板上表面加工成半圆球型结构，上极板下表面加工有四个阵列布置的梯形台状槽，四个梯形台状槽分别位于四个方形凹槽的正上方；电介质层连接在下极板未开设凹槽的上表面和上极板未开设梯形台状槽的下表面之间，且电介质层和上极板未开设梯形台状槽的下表面粘接使得上极板的梯形台状槽形成密封腔体，四个密封腔体均通过注射成型的方法填注有镓铟锡合金液体，由于镓铟锡合金液体表面张力形成四个金属滴液电极，每个金属滴液电极与下极板各自下方对应的一组电容单元构成一个传感单元，四个金属滴液电极分别与下极板的四组电容单元构成四个传感单元。
每个电容单元的两片传感电极分别做为输入端和输出端，金属滴液电极不连接任何输入输出端，仅起到改变电容单元有效重叠面积的作用。
一组电容单元的两个传感电极经排线引出连接外部信号接收器件。
金属滴液电极在传感单元中起到公共电极的作用，当外力作用于上极板的上表面时，金属滴液电极受到挤压产生形变使得与下方对应的电介质层接触面积发生变化，带动电容单元的电容量随着接触面积变化。
所述的四个密封腔体分别位于四组电容单元的正上方，且密封腔体底部平面面积大于电容单元的有效面积。
所述的下极板以柔性印刷电路板为基底。
所述的电介质层为采用硅橡胶材料制成的薄膜结构。
所述的梯形台状槽的上部水平尺寸小于下部水平尺寸，实际为梯形台结构。
所述的上极板以硅橡胶材料为基底。
通过本发明结构，四个电容单元中心对称分布，外力很容易分解为X-Y-Z三维压力和剪切力。本发明将金属滴液电极做为公共电极，外力作用引起金属液滴产生形变，采用变极板面积的方式替代传统电容传感器改变极板间距的方式，能显著提高传感器灵敏度。
本发明具有的有益效果是：
1)采用金属液滴电极替代传统铜电极，金属液滴电极在压力作用下受到挤压，产生显著形变，改变电容单元有效面积，采用变极板面积的方式替代传统电容传感器改变极板间距的方式，有效提高传感器灵敏度。
2)金属滴液电极做为传感单元中的公共电极，不连接任何输入输出端，仅起到改变电容单元有效重叠面积的作用，该设计将较为脆弱的接口电路加工在形变更小的下极板上，在一定程度上解决了传感器因接口电路断裂导致的传感器失效的问题，使得该传感器可以承受更大的拉伸与弯曲。
附图说明
图1是本发明传感器结构示意图。
图2是本发明传感器结构分解图。
图3是本发明传感器下极板俯视图。
图4是本发明传感器上极板仰视图。
图5是本发明传感器A-A’剖视图。
图6是本发明传感器压力作用下的金属液滴电极变形图。
图7是本发明第一传感单元压力测量原理图。
图中：1、下极板，2、电介质层，3、上极板，4、传感电极，5、金属液滴电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
具体实施的装置如图1所示，从下至上依次由下极板1、电介质层2和上极板3组合而成。
如图1、图2和图3所示，下极板1以柔性印刷电路板为基底，下极板1上表面开有四组阵列布置的方形凹槽，四组方形凹槽阵列间隔布置成“田”字形，每组方形凹槽包括两个直角三角形槽，两个直角三角形槽以斜边相对间隔布置形成一对角线开槽的方形凹槽，每个直角三角形槽均置有一个传感电极4，每组方形凹槽的两个传感电极4构成一组电容单元5，八个传感电极4两两一组共构成四组电容单元5，四个电容单元5分别为第一电容单元S11，S12、第二电容单元S21，S22、第三电容单元S31，S32和第四电容单元S41，S42，四组电容单元5中心对称布置，其中第一电容单元S11，S12和第三电容单元S31，S32对角布置。每组电容单元内的两片传感电极4分别做为输入端和输出端，从而构成一个传感电容，其电容量分别表示为CS1、CS2、CS3和CS4。每个电容单元5的两片传感电极4分别做为输入端和输出端，金属滴液电极6不连接任何输入输出端。
如图4所示，上极板3以硅橡胶材料为基底，上极板3上表面加工成半圆球型结构，上极板3下表面采用微压印技术加工有四个阵列布置中心对称的梯形台状槽，四个梯形台状槽分别位于四个方形凹槽的正上方。
电介质层2为矩形薄膜结构，电介质层2连接在下极板1未开设凹槽的上表面和上极板3未开设梯形台状槽的下表面之间，且电介质层2和上极板3未开设梯形台状槽的下表面粘接使得上极板3的梯形台状槽形成密封腔体，四个密封腔体分别位于四组电容单元5的正上方，且密封腔体底部平面面积大于电容单元5的有效面积，即梯形台状槽的底面面积大于方形凹槽的方形面积，以便实现完全覆盖。并且设置上极板3上表面的半圆球型结构的半径恰好为梯形密封腔体中心距离上极板3中心的距离。
四个密封腔体均通过注射成型的方法填注有镓铟锡合金液体，由于镓铟锡合金液体表面张力形成四个球形金属滴液电极6，分别为第一金属滴液电极S10、第二金属滴液电极S20、第三金属滴液电极S30和第四金属滴液电极S40，每个金属滴液电极6与下极板各自下方对应的一组电容单元5构成一个传感单元，四个金属滴液电极6分别与下极板的四组电容单元5构成四个传感单元。
一组电容单元5的两个传感电极4经排线引出连接外部信号接收器件，排线可以穿设布置于下极板1，四个金属滴液电极6不经排线引出且不连接外部信号接收器件。
金属滴液电极6在传感单元中起到公共电极的作用，当外力作用于上极板3的上表面时，如图5到图6过程所示，金属滴液电极6受到挤压产生形变使得与下方对应的电介质层2接触面积发生变化，带动电容单元5的电容量随着接触面积变化。具体如下：
如图7所示，每个传感单元由两片传感电极4和一片金属液滴电极5组成，传感电极4与做为公共电极的金属液滴电极5的间距为定值，即为电介质层厚度，初始状态时，四个传感电容的电容值可表示为：
其中，CS11，CS12，CS21，CS22，CS31，CS32，CS41，CS42分别表示下极板1上八片传感电极4与金属液滴电极5构成的电容子单元的电容值大小，具体可表示为：
ε0表示真空介电常数，εr表示电介质层的介电常数，AS1，AS2，AS3和AS4为四个金属滴液电极5与电介质层2的接触面积，即四个传感单元有效的电容极板面积，g0表示电介质层厚度。
当外力作用于上极板3的上表面时，四个金属滴液电极5受到挤压产生形变，与电介质层2的接触面积发生变化，四个电容单元的电容量随着金属滴液电极接触面积的变化发生改变。由于金属滴液电极5和电介质层2的接触面积大小与密封腔体在Z方向正压力、X方向剪切力、Y方向剪切力产生的形变成比例关系，故具体可表示为：
式中，kS表示接触面积变化与密封腔体高度变化的比例因子，AS0表示金属滴液电极5和电介质层2的接触面积的初始大小，kx、ky、kz分别表示上极板在X-Y-Z方向的弹性系数，Fx、Fy、Fz分别表示X方向剪切力、Y方向剪切力和Z方向正压力，h0表示四个密封腔体的初始高度。
由此原理实施可见，外部压力-剪切力通过改变四个密封腔体的中心高度从而使金属滴液电极5和电介质层2的接触面积大小产生变化，将四个电容单元的电容量变化与外部压力-剪切力的大小建立直接的联系，经过解析式(1-3)，即可获得电容量变化与外部压力-剪切力之间的关系，并实现三维压力-剪切力的测量。
本发明采用金属液滴电极替代传统铜电极，采用变极板面积的方式替代传统电容传感器改变极板间距的方式，有效提高传感器灵敏度，具体制作过程中将传感器做阵列式分布后即可与被测对象的不规则表面完全贴合，实现X-Y-Z三维触觉传感，有效重建人工假肢的压力功能，提高测量效率和测量精度。

Claims (9)

1.一种金属滴液电极式三维电容触觉传感器，其特征在于：主要从下至上依次由下极板(1)、电介质层(2)和上极板(3)组合而成，下极板(1)上表面开有四组阵列布置的方形凹槽，每组方形凹槽包括两个直角三角形槽，两个直角三角形槽以斜边相对间隔布置形成方形凹槽，每个直角三角形槽均置有一个传感电极(4)，每组方形凹槽的两个传感电极(4)构成一组电容单元(5)，八个传感电极(4)两两一组共构成四组电容单元(5)；上极板(3)上表面加工成半圆球型结构，上极板(3)下表面加工有四个阵列布置的梯形台状槽，四个梯形台状槽分别位于四个方形凹槽的正上方；电介质层(2)连接在下极板(1)未开设凹槽的上表面和上极板(3)未开设梯形台状槽的下表面之间，且电介质层(2)和上极板(3)未开设梯形台状槽的下表面粘接使得上极板(3)的梯形台状槽形成密封腔体，四个密封腔体均通过注射成型的方法填注有镓铟锡合金液体，由于镓铟锡合金液体表面张力形成四个金属滴液电极(6)，每个金属滴液电极(6)与下极板各自下方对应的一组电容单元(5)构成一个传感单元，四个金属滴液电极(6)分别与下极板的四组电容单元(5)构成四个传感单元。
2.根据权利要求1所述的一种金属滴液电极式三维电容触觉传感器，其特征在于：每个电容单元(5)的两片传感电极(4)分别做为输入端和输出端，金属滴液电极(6)不连接任何输入输出端，仅起到改变电容单元有效重叠面积的作用。
3.根据权利要求2所述的一种金属滴液电极式三维电容触觉传感器，其特征在于：一组电容单元(5)的两个传感电极(4)经排线引出连接外部信号接收器件。
4.根据权利要求1所述的一种金属滴液电极式三维电容触觉传感器，其特征在于：金属滴液电极(6)在传感单元中起到公共电极的作用，当外力作用于上极板(3)的上表面时，金属滴液电极(6)受到挤压产生形变使得与下方对应的电介质层(2)接触面积发生变化，带动电容单元(5)的电容量随着接触面积变化。
5.根据权利要求1所述的一种金属滴液电极式三维电容触觉传感器，其特征在于：所述的四个密封腔体分别位于四组电容单元(5)的正上方，且密封腔体底部平面面积大于电容单元(5)的有效面积。
6.根据权利要求1所述的一种金属滴液电极式三维电容触觉传感器，其特征在于：所述的下极板(1)以柔性印刷电路板为基底。
7.根据权利要求1所述的一种金属滴液电极式三维电容触觉传感器，其特征在于：所述的电介质层(2)为采用硅橡胶材料制成的薄膜结构。
8.根据权利要求1所述的一种金属滴液电极式三维电容触觉传感器，其特征在于：所述的梯形台状槽的上部水平尺寸小于下部水平尺寸。
9.根据权利要求1所述的一种金属滴液电极式三维电容触觉传感器，其特征在于：所述的上极板(3)以硅橡胶材料为基底。
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