CN109323784B - 一种具有双层卡扣型微凸台的压阻式柔性触觉传感器 - Google Patents
一种具有双层卡扣型微凸台的压阻式柔性触觉传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有双层卡扣型微凸台的压阻式柔性触觉传感器。本发明由从上到下依次的半球状突起、上层微凸台阵列、可拉伸电极阵列、柔性压敏阵列、下层微凸台阵列结构层叠而成；其中，柔性压敏阵列由线型石墨烯图案阵列与柔性薄膜基底组成，可拉伸电极阵列由行、列条状电极以及之间的圆形绝缘阻隔组成。可拉伸电极阵列与柔性压敏阵列紧密贴合，每个线型石墨烯图案两侧布置有方形引脚，分别与行、列条状电极相连形成闭合回路。本发明采用双层卡扣型微凸台将触觉传感器受到的外力作用转换为柔性压敏阵列中线型石墨烯图案的拉伸形变，使压敏阵列的电阻变化更加显著，提升了触觉传感器的灵敏度，同时采用导电复合材料实现了触觉传感器的柔性设计。
Description
技术领域
本发明涉及触觉传感器，尤其是涉及了一种具有双层卡扣型微凸台的压阻式柔性触觉传感器。
背景技术
随着机器人领域的不断发展，人们不仅要求机器人具有运动功能，还要拥有感知功能、与外界交互的功能，从而向着智能化方向前进。给机器人装备触觉传感器是实现以上功能的重要途径，但是传统的触觉传感器受刚性材料限制，难以贴合机器人的复杂曲面。而基于导电复合材料的触觉传感器，因其具有极好的柔性，可以较好贴合机器人表面，能满足应用需求。
基于不同的传感原理，触觉传感器可以分为电容式、压阻式、压电式、光学式等。其中，压阻式柔性触觉传感器由于具有稳定性好、宽动态响应范围、灵敏度高和可阵列化排布等优势，受到了广泛应用。压阻式柔性传感器需要将所受压力，转化为传感单元的拉伸形变。因此，设计合适的结构，辅助传感单元在受压力时的拉伸形变，对提升传感器的灵敏度至关重要。目前，压阻式柔性传感器大多采用金属电极，其柔性较低。因此采用一种高导电的柔性材料制作电极，对实现传感器的柔性制造至关重要。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种具有双层卡扣型微凸台的压阻式柔性触觉传感器，可集中外界力的施加，将压力转化为压阻材料的拉伸形变，并采用导电复合材料实现了触觉传感器的柔性设计。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种具有双层卡扣型微凸台的压阻式柔性触觉传感器。
压阻式柔性触觉传感器主要由半球状突起、上层微凸台阵列、可拉伸电极阵列、柔性压敏阵列和下层微凸台阵列从上至下依次层叠而成；半球状突起吸收并集中外界触觉力施加到上层微凸台阵列，触觉力经上层微凸台阵列传递到柔性压敏阵列上并经可拉伸电极阵列输出触觉信号，下层微凸台阵列作为底部支撑与上层微凸台阵列共同形成双层卡扣结构，用于加强柔性压敏阵列在受力时的形变。
所述的柔性压敏阵列主要由线型石墨烯图案阵列与柔性薄膜基底组成；线型石墨烯图案阵列主要由线型石墨烯图案单元在柔性薄膜基底上表面阵列排布而成，形成M行×N列的阵列结构，每个线型石墨烯图案单元是由石墨烯沿M形线型布置，线型石墨烯图案单元两侧分别固定有方形引脚。
所述的可拉伸电极阵列与柔性压敏阵列紧密贴合，所述可拉伸电极阵列主要由布置在柔性压敏阵列上的行条状电极、列条状电极以及圆形绝缘阻隔组成；同一行线型石墨烯图案阵列中一侧方形引脚通过行条状电极与外围电路串联，同一列线型石墨烯图案阵列另一侧方形引脚通过列条状电极与外围电路串联，每一个线型石墨烯图案单元与其相连的行条状电极、列条状电极形成闭合回路，每个行条状电极之间呈并联关系，每个列条状电极之间呈并联关系；在行条状电极与列条状电极之间且在两电极交叉处设置有圆形绝缘阻隔，列条状电极和行条状电极之间通过圆形绝缘阻隔绝缘。
所述的上层微凸台阵列与下层微凸台阵列结构相同，均主要是由硅橡胶膜和膜表面的齿条形微凸台等距排列构成，M型线型石墨烯图案单元的开口方向与齿条形微凸台的微凸台延伸方向相垂直；上层微凸台阵列和下层微凸台阵列的齿条形微凸台所在硅橡胶膜表面相对，上层微凸台阵列的下表面带有齿条形微凸台，下层微凸台阵列的上表面带有齿条形微凸台，且上层微凸台阵列和下层微凸台阵列的齿条形微凸台上下相对错位布置。
所述半球状突起阵列将集中接收到的外界力施加于上层微凸台阵列上表面，双层卡扣结构在外力作用下压缩使得线型石墨烯图案阵列与柔性薄膜基底发生拉伸形变，线型石墨烯图案阵列中的线型石墨烯图案单元的内部导电率从而发生改变，通过可拉伸电极阵列感测每个线型石墨烯图案单元的电阻变化，进而转换获得所受力的大小。
双层卡扣结构能够增强线型石墨烯图案阵列在受力下的拉伸形变，传感器灵敏度提升。
每一个所述的线型石墨烯图案单元总宽1800～2000μm，总长1600～1800μm，线宽100～150μm，线间距350～450μm；每一行所述的齿条形微凸台高度为200～250μm，底部宽度为200～300μm，拔模角度25°，硅橡胶膜与膜表面的齿条形微凸台的总高度为350～400μm。
所述的半球状突起阵列主要是由硅橡胶膜和膜表面的半球状突起阵列排布构成，单个半球状突起高度为500μm，底部直径2000μm，硅橡胶膜和膜表面的半球状突起总高度为650μm。
所述的可拉伸电极阵列中，行条状电极、列条状电极由银纳米导电颗粒制成，具有高导电率，高导电率为2×102S/cm，圆形绝缘阻隔阵列由柔性硅橡胶制成。
所述的线型石墨烯图案阵列中，线型石墨烯图案单元由石墨烯纳米片和硅橡胶制成，柔性薄膜基底由柔性硅橡胶制成，具有低导电率和高压阻灵敏度，低导电率为1.38×10-2S/cm，灵敏度系数为1.37×104。
二、一种具有双层卡扣型微凸台的压阻式柔性触觉传感器的制作方法。
包括以下步骤：
1)利用3D打印技术制作半球状突起阵列、上层微凸台阵列与下层微凸台阵列的模具；
2)将硅橡胶的主剂与固化剂混合均匀，脱泡后浇注在步骤制备得到的模具表面，然后放入真空干燥箱中静置脱泡，加热固化后从模具上剥离得到半球状突起阵列、上层微凸台阵列与下层微凸台阵列；
3)将硅橡胶的主剂与固化剂混合均匀，脱泡后采用旋涂法滴至玻璃基片表面，加热固化后得到柔性薄膜基底；
4)采用钢网印刷法将线型石墨烯图案阵列钢掩模版上的图案转移到柔性薄膜基底上，得到线型石墨烯图案阵列，将柔性薄膜基底在真空干燥箱中加热固化后得到柔性压敏阵列；
5)采用钢网印刷法依次将电极阵列钢掩模版上的列条状电极、圆形绝缘阻隔和行条状电极的图案转移到线型石墨烯图案阵列上，在真空干燥箱中加热固化后得到可拉伸电极阵列；
6)将半球状突起阵列、上层微凸台阵列、可拉伸电极阵列柔性压敏阵列、下层微凸台阵列之间的连接表面进行等离子活性处理，然后将各个阵列在光学显微镜下对准贴合，压实后加热粘结，得到柔性触觉传感器。
本发明通过双层卡扣型设计将传感器受到压力转换为压敏材料的拉伸形变，相比于现有之前的压缩型的压阻传感器具有更高的灵敏度，且可以测量压力与拉力。
同时相比于传统采用金属电极引线的触觉传感器来说，本发明利用柔性高导电复合材料，替代了金属导线的使用，使传感器整体柔性得以提高，能够承受压缩、拉伸、弯曲等多种载荷，可以贴合复杂曲面。
本发明的有益效果：
本发明利用半球状凸起的应力集中作用，采用双层卡扣型微凸台将触觉传感器受到的外力作用转换为柔性压敏阵列中线型石墨烯图案的拉伸形变，使压敏阵列的电阻变化更加显著，提升了触觉传感器的灵敏度。
本发明采用导电复合材料替代传统触觉传感器中的金属引线及应变元件，实现了触觉传感器的柔性设计。
附图说明
图1是本发明分层结构拆分立体图。
图2是本发明电极布线俯视图。
图3是本发明下层微凸台阵列立体图。
图4是本发明柔性压敏阵列立体图。
图5是本发明双层卡扣结构原理说明图。
图6是本发明传感器制造工艺流程示意图。
图7是本发明浇注半球状突起模具示意图。
图8是本发明浇注微凸台阵列模具示意图。
图9是本发明线型石墨烯图案阵列掩模版示意图。
图10是本发明可拉伸电极阵列掩模版示意图。
图中：1、半球状突起阵列，2、上层微凸台阵列，3、可拉伸电极阵列，4、柔性压敏阵列，5、下层微凸台阵列，6、行条状电极，7、圆形绝缘阻隔，8、列条状电极，9、线型石墨烯图案阵列，10、柔性薄膜基底，11、线型石墨烯图案单元，12、触觉传感器检测单元，13、发生拉伸形变的线型石墨烯图案阵列，14、发生拉伸形变的柔性薄膜基底，15、半球状突起模具，16、微凸台阵列模具，17、线型石墨烯图案阵列钢掩模版，18、可拉伸电极阵列钢掩模版。
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。
如图1所示，本发明主要由半球状突起1、上层微凸台阵列2、可拉伸电极阵列3、柔性压敏阵列4和下层微凸台阵列5从上至下依次层叠而成；下层微凸台阵列5作为底部支撑与上层微凸台阵列2共同形成双层卡扣结构。柔性压敏阵列4主要由线型石墨烯图案阵列9与柔性薄膜基底10组成。半球状突起阵列1主要是由硅橡胶膜和膜表面的半球状突起阵列排布构成，单个半球状突起高度为500μm，底部直径2000μm，硅橡胶膜和膜表面的半球状突起总高度为650μm。
如图2和图4所示，线型石墨烯图案阵列9主要由线型石墨烯图案单元11在柔性薄膜基底10上表面阵列排布而成，形成M行×N列的阵列结构，在此实施例中，阵列大小为3×3。每个线型石墨烯图案单元11是由石墨烯沿M形线型布置，线型石墨烯图案单元11两侧分别固定有方形引脚；每一个线型石墨烯图案单元11总宽1800～2000μm，总长1600～1800μm，线宽100～150μm，线间距350～450μm。
如图2所示，可拉伸电极阵列3与柔性压敏阵列4紧密贴合，所述可拉伸电极阵列3主要由布置在柔性压敏阵列4上的行条状电极6、列条状电极8以及圆形绝缘阻隔7组成；同一行线型石墨烯图案阵列9中一侧方形引脚通过行条状电极6与外围电路串联，同一列线型石墨烯图案阵列9另一侧方形引脚通过列条状电极8与外围电路串联，每一个线型石墨烯图案单元11与其相连的行条状电极6、列条状电极8形成闭合回路，每个行条状电极6之间呈并联关系，每个列条状电极8之间呈并联关系；在行条状电极6与列条状电极8之间且在两电极交叉处设置有圆形绝缘阻隔7。
如图1和图3所示，上层微凸台阵列2与下层微凸台阵列5结构相同，均主要是由硅橡胶膜和膜表面的齿条形微凸台等距排列构成，M型线型石墨烯图案单元11的开口方向与齿条形微凸台的微凸台延伸方向相垂直；上层微凸台阵列2和下层微凸台阵列5的齿条形微凸台所在硅橡胶膜表面相对，上层微凸台阵列2的下表面带有齿条形微凸台，下层微凸台阵列5的上表面带有齿条形微凸台，且上层微凸台阵列2和下层微凸台阵列5的齿条形微凸台上下相对错位布置。每一行齿条形微凸台高度为200～250μm，底部宽度为200～300μm，拔模角度25°，硅橡胶膜与膜表面的齿条形微凸台的总高度为350～400μm。
如图5所示，所述半球状突起阵列1将集中接收到的外界力施加于上层微凸台阵列2上表面，双层卡扣结构在外力作用下压缩，使得线型石墨烯图案阵列9成为发生拉伸形变的线型石墨烯图案阵列13，柔性薄膜基底10成为发生拉伸形变的柔性薄膜基底14，线型石墨烯图案阵列9中的线型石墨烯图案单元11的内部导电率从而发生改变，通过可拉伸电极阵列3感测每个线型石墨烯图案单元11的电阻变化，进而转换获得所受力的大小。
具体实施方式如图6所示：
1)利用3D打印技术制作半球状突起阵列1、上层微凸台阵列2与下层微凸台阵列5的模具。
2)如图7和8所示，将半球状突起模具15、微凸台阵列模具16置于真空干燥箱中，滴入少量氟基表面改性剂，真空静置12小时对模具进行钝化处理，降低模具表面活性，使之易于脱模；将硅橡胶的主剂与固化剂均匀混合，脱泡后滴至半球状突起模具15、微凸台阵列模具16表面，待填满整个模具后放入真空干燥箱中静置脱泡；在80℃下加热固化2小时后剥离，得到半球状突起阵列1、上层微凸台阵列2与下层微凸台阵列5。
3)制备柔性薄膜基底10：将硅橡胶的主剂与固化剂以10:1均匀混合，脱泡，采用旋涂法将硅橡胶滴至玻璃基片表面，制备厚度约为50μm的薄膜，在真空干燥箱中在80℃下加热固化2小时，得到柔性薄膜基底10。
4)制备柔性压敏阵列4：首先，制作如图9和10所示的线型石墨烯图案阵列钢掩模版17和可拉伸电极阵列钢掩模版18，然后将石墨烯纳米片与有机溶剂混合，通过超声破碎仪在50W功率下进行分散1小时后加入硅橡胶，在机械搅拌30分钟后继续超声分散2小时，最后将混合溶液边加热边搅拌，在80℃将有机溶剂蒸发除去。
将线型石墨烯图案阵列钢掩模版17紧密覆盖在柔性薄膜基底10上，将石墨烯硅橡胶混合物滴至其表面，采用钢网印刷法制备成厚度为100μm厚的线型石墨烯图案阵列9，移至真空干燥箱中在60℃下加热固化1小时，得到柔性压敏阵列4。
5)制备可拉伸电极阵列3：首先将银纳米颗粒与有机溶剂混合，通过超声破碎仪在50W功率下进行分散1小时；然后加入硅橡胶，在机械搅拌30分钟后继续超声分散2小时；最后，将混合溶液边加热边搅拌，在80℃将有机溶剂蒸发除去。
将可拉伸电极阵列钢掩模版18紧密覆盖在线型石墨烯图案阵列9上，将银纳米颗粒硅橡胶混合物滴至其表面，采用钢网印刷法制备成厚度为100μm厚的列条状电极8，然后移至真空干燥箱中在60℃下加热固化1小时；将可拉伸电极阵列钢掩模版18紧密覆盖在列条状电极8上，将硅橡胶滴至其表面采用钢网印刷法制备圆形绝缘阻隔7，然后移至真空干燥箱中在60℃下加热固化1小时；将可拉伸电极阵列钢掩模版18紧密覆盖在圆形绝缘阻隔7上，将银纳米颗粒硅橡胶混合物滴至其表面采用钢网印刷法制备成厚度为100μm厚的行条状电极6，最后移至真空干燥箱中在60℃下加热固化1小时，得到可拉伸电极阵列3。
6)压阻式柔性触觉传感器的装配贴合：将半球状突起阵列1、上层微凸台阵列2、可拉伸电极阵列3柔性压敏阵列4、下层微凸台阵列5之间的连接表面进行等离子活性处理，处理时间为5s，提高表面活性能；然后将各个阵列在光学显微镜下对准贴合，压实后加热粘结，得到柔性触觉传感器。
可拉伸电极阵列3中，行条状电极6、列条状电极8具有高导电率，高导电率为2×102S/cm；线型石墨烯图案阵列9中，线型石墨烯图案单元11具有低导电率和高压阻灵敏度，低导电率为1.38×10-2S/cm，灵敏度系数为1.37×104，相比现有之前申请过的压缩型的压阻传感器大大提高了灵敏度。
具体实施中，聚硅橡胶采用道康宁公司的SYLGARD 184硅橡胶；石墨烯纳米片采用苏州碳丰石墨烯科技有限公司的少层石墨烯；银纳米导电颗粒采用Sigma-Aldrich公司的银纳米颗粒。
Claims (3)
1.一种具有双层卡扣型微凸台的压阻式柔性触觉传感器，其特征在于：所述压阻式柔性触觉传感器由半球状突起（1）、上层微凸台阵列（2）、可拉伸电极阵列（3）、柔性压敏阵列（4）和下层微凸台阵列（5）从上至下依次层叠而成；半球状突起（1）吸收并集中外界触觉力施加到上层微凸台阵列（2），触觉力经上层微凸台阵列（2）传递到柔性压敏阵列（4）上并经可拉伸电极阵列（3）输出触觉信号，下层微凸台阵列（5）作为底部支撑与上层微凸台阵列（2）共同形成双层卡扣结构；
所述的柔性压敏阵列（4）由线型石墨烯图案阵列（9）与柔性薄膜基底（10）组成；线型石墨烯图案阵列（9）由线型石墨烯图案单元（11）在柔性薄膜基底（10）上表面阵列排布而成，形成M行×N列的阵列结构，每个线型石墨烯图案单元（11）是由石墨烯沿M形线型布置，线型石墨烯图案单元（11）两侧分别固定有方形引脚；
所述的可拉伸电极阵列（3）与柔性压敏阵列（4）紧密贴合，所述可拉伸电极阵列（3）由布置在柔性压敏阵列（4）上的行条状电极（6）、列条状电极（8）以及圆形绝缘阻隔（7）组成；同一行线型石墨烯图案阵列（9）中一侧方形引脚通过行条状电极（6）与外围电路串联，同一列线型石墨烯图案阵列（9）另一侧方形引脚通过列条状电极（8）与外围电路串联，每一个线型石墨烯图案单元（11）与其相连的行条状电极（6）、列条状电极（8）形成闭合回路，每个行条状电极（6）之间呈并联关系，每个列条状电极（8）之间呈并联关系；在行条状电极（6）与列条状电极（8）之间且在两电极交叉处设置有圆形绝缘阻隔（7）；
所述的上层微凸台阵列（2）与下层微凸台阵列（5）结构相同，均是由硅橡胶膜和膜表面的齿条形微凸台等距排列构成，M型线型石墨烯图案单元（11）的开口方向与齿条形微凸台的微凸台延伸方向相垂直；上层微凸台阵列（2）和下层微凸台阵列（5）的齿条形微凸台所在硅橡胶膜表面相对，且上层微凸台阵列（2）和下层微凸台阵列（5）的齿条形微凸台上下相对错位布置；
所述的可拉伸电极阵列（3）中，行条状电极（6）、列条状电极（8）由银纳米导电颗粒制成，圆形绝缘阻隔阵列（7）由柔性硅橡胶制成；所述的线型石墨烯图案阵列（9）中，线型石墨烯图案单元（11）由石墨烯纳米片和硅橡胶制成，柔性薄膜基底（10）由柔性硅橡胶制成；
所述半球状突起阵列（1）将集中接收到的外界力施加于上层微凸台阵列（2）上表面，双层卡扣结构在外力作用下压缩使得线型石墨烯图案阵列（9）与柔性薄膜基底（10）发生拉伸形变，线型石墨烯图案阵列（9）中的线型石墨烯图案单元（11）的内部导电率从而发生改变，通过可拉伸电极阵列（3）感测每个线型石墨烯图案单元（11）的电阻变化，进而转换获得所受力的大小；
所述的可拉伸电极阵列中，行条状电极、列条状电极由银纳米导电颗粒与硅橡胶复合制成；
半球状突起（1）和线型石墨烯图案单元（11）阵列排布相同且位置一一对应。
2.根据权利要求1所述的具有双层卡扣型微凸台的压阻式柔性触觉传感器，其特征在于：每一个所述的线型石墨烯图案单元（11）总宽1800~2000μm，总长1600~1800μm，线宽100~150μm，线间距350~450μm；每一行所述的齿条形微凸台高度为200~250μm，底部宽度为200~300μm，拔模角度25°，硅橡胶膜与膜表面的齿条形微凸台的总高度为350~400μm。
3.根据权利要求1所述的具有双层卡扣型微凸台的压阻式柔性触觉传感器，其特征在于：所述的半球状突起阵列（1）是由硅橡胶膜和膜表面的半球状突起阵列排布构成，单个半球状突起高度为500μm，底部直径2000μm，硅橡胶膜和膜表面的半球状突起总高度为650μm。
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