CN109781315B

CN109781315B - 一种触觉传感器

Info

Publication number: CN109781315B
Application number: CN201910106800.4A
Authority: CN
Inventors: 罗坚义; 黄景诚; 陈国宁; 李松晖; 胡晓燕; 梁宝文; 温锦秀
Original assignee: Wuyi University
Current assignee: Wuyi University
Priority date: 2019-02-02
Filing date: 2019-02-02
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2039-02-02
Also published as: CN109781315A; US11313743B2; US20210215553A1; WO2020155193A1

Abstract

本发明涉及一种触觉传感器，所述触觉传感器包括传感层，所述传感层包括柔性基底、至少一个应力传感单元和至少一个温度传感单元；所述应力传感单元包括一柔性导电纤维、一顶电极和一底电极，所述柔性导电纤维平铺在所述柔性基底上，所述顶电极可弯曲，当所述顶电极与底电极之间存在电势差时，电流沿所述柔性导电纤维的径向流通；所述温度传感单元包括一感温导电纤维和两个端电极，所述感温导电纤维平铺在所述柔性基底上，当所述两个端电极之间存在电势差时，电流沿所述感温导电纤维的轴向流通。本发明的触觉传感器可以同时独立检测应力和温度，并具备稳定性高、高灵敏度、柔性化、轻量化、阵列化等优点。

Description

一种触觉传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种触觉传感器。

背景技术

随着科学技术的发展和人们追求美好生活的需求，可穿戴式电子产品、人工智能与机器人领域得到飞速发展，为了实现更加优异的人机交互体验，机器人需要对外界刺激实现高灵敏的快速响应，而作为机器人的“皮肤”的触觉传感器已经成为了一项现实的技术需求。触觉传感器需要能够对外界的温度和应力实现高灵敏度响应，并且具备柔性化、轻量化、阵列化的功能。

现有的可编织的触觉传感器基本上是利用微纳米材料对纺织纤维进行功能层修饰，虽然这能够有效提高传感器的灵敏度，但由于微纳米材料较难实现良好的均一性和结构稳定性，使得这类触觉传感器难以与现有的纺织技术兼容，并且需要封装在硅胶等弹性体内对微纳米材料进行保护，从而导致了单个传感器面积过大，难以真正实现高集成度和高分辨率，这些问题成为这一技术推广至市场的掣肘之处。除此之外，目前有部分专利提及在传感器中采用两根柔性纤维形成的交叉结作为传感单元，这类传感器虽然具备良好的应力传感性能并且可以与纺织技术兼容，但是在面对非垂直应力作用的加载时容易造成交叉结中的纤维发生偏移、错位，甚至断裂，从而引起传感器的性能不稳定、初始电阻漂移等问题，无法进一步集成温度传感功能，继而无法有效实现触觉传感。

因此，发明一种稳定性高、高灵敏度、可编织的触觉传感器是智能可穿戴式电子产品发展的迫切需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种触觉传感器，其可以同时独立检测应力和温度，并具备稳定性高、高灵敏度、柔性化、轻量化、阵列化等优点。

本发明采取的技术方案如下：

一种触觉传感器，包括传感层，所述传感层包括柔性基底、至少一个应力传感单元和至少一个温度传感单元；

所述应力传感单元包括一柔性导电纤维、一顶电极和一底电极，所述柔性导电纤维平铺在所述柔性基底上，所述顶电极可弯曲，并与所述柔性导电纤维的顶部电接触，所述底电极与所述柔性导电纤维的底部电接触，当所述顶电极与底电极之间存在电势差时，电流沿所述柔性导电纤维的径向流通；

所述温度传感单元包括一感温导电纤维和两个端电极，所述感温导电纤维平铺在所述柔性基底上，所述两个端电极分别与所述感温导电纤维的两端电连接，当所述两个端电极之间存在电势差时，电流沿所述感温导电纤维的轴向流通。

本发明的触觉传感器的工作原理为：

当外界应力（例如以垂直于柔性基底的方向）施加于应力传感单元的柔性导电纤维时，柔性导电纤维会随着应力的作用而发生相应的结构形变，从而导致柔性导电纤维在径向的电阻也发生变化，通过检测这种电阻变化（例如检测顶电极与底电极之间的电压变化），实现对应力的检测；温度传感单元的感温导电纤维的电阻会随温度的改变而发生变化，通过检测感温导电纤维的电阻值（例如检测感温导电纤维两端之间的电阻值），实现对温度的检测。

由于应力作用于柔性导电纤维而产生的电阻变化是基于结构形变所引起的，不需要对柔性导电纤维的表面进行额外的功能层修饰，因此能够很好地避免现有技术中功能层稳定性差的问题，并且，采用单根柔性导电纤维作为应力响应元件，还能避免现有两根柔性纤维形成的交叉结在应力作用下容易发生位移而失效的问题，从而有利于传感器的稳定性和小型化，同时保证与现有纺织技术的兼容性。此外，所述应力传感单元中，采用与柔性导电纤维顶部电接触的可弯曲顶电极、及与柔性导电纤维底部电接触的底电极，能在应力作用下，特别是垂直于柔性基底方向的应力作用下，始终保持顶电极和底电极与柔性导电纤维电接触。

本发明在触觉传感器中同时设置应力传感单元和温度传感单元，并设计顶电极和底电极分别与柔性导电纤维的接触位置、以及两个端电极分别与感温导电纤维的接触位置，保证柔性导电纤维与感温导电纤维中的电流方向不同，从而可以同时独立检测应力与温度，并利用导电纤维分别作为应力传感单元和温度传感单元的响应元件，有利于传感器的柔性化和轻量化，并提高检测灵敏度，采用与纺织技术兼容的方案，可以实现在小面积区域内分布多个触觉传感器，且具备小型化、集成化化、阵列化的特点。

进一步地，所述感温导电纤维的阻值呈负温度系数特性。

进一步地，所述感温导电纤维为掺入杂质离子的碳纤维，或者为掺入杂质离子的碳纤维与芳纶混纺得到的复合纤维。

对纺织纤维材料进行离子掺杂（这种离子掺杂是指，杂质离子不可避免地带入到材料中，或者还经过额外的掺杂处理更多地掺入材料中），再经过高温碳化处理，可获得掺入杂质离子的碳纤维作为感温导电纤维；或者，将掺入杂质离子的碳纤维与芳纶混纺，得到抗拉伸能力更强且导电性良好的复合纤维作为感温导电纤维。采用掺入杂质离子的碳纤维，由于杂质离子均匀掺杂在感温导电纤维内部，电子的输运受到材料体内的杂质离子的散射，从而影响了在不同温度下的电子的迁移率，宏观表现为材料的电阻与温度呈现了一定的对应关系，由此使感温导电纤维能够实现对温度的传感。

进一步地，所有应力传感单元的柔性导电纤维与所有温度传感单元的感温导电纤维共同采用同一根导电纤维。由于应力传感单元和温度传感单元中的电流方向不同，因而两者可以相互独立工作。

进一步地，所述传感层包括一个应力传感单元和一个温度传感单元，所述应力传感单元的柔性导电纤维与所述温度传感单元的感温导电纤维分别选自同一根导电纤维中隔开的两段，此处设置利于提高应力传感单元与温度传感单元在柔性基底上的集成度，从而利于传感器的小型化，并进一步保证应力传感单元与温度传感单元能相互独立工作；所述应力传感单元中，所述顶电极设在所述柔性导电纤维的中部上，并与所述柔性导电纤维的顶部表面接触，所述底电极与所述柔性导电纤维的两端底部表面接触，此处设置能避免应力作用下顶电极与底电极发生位移而相接触，防止短路。

进一步地，所述温度传感单元的感温导电纤维的长度与所述应力传感单元的柔性导电纤维的直径之比大于20：1。

由于柔性导电纤维中的电流沿其径向流通，其电子运输方向与感温导电纤维中的电子运输方向不同，而且其电子传输路径要比感温导电纤维中的电子传输路径短得多，受到杂质离子的散射影响不大，所以其电阻大小不受温度影响，可以通过外围电路来实现温度和应力的独立探测，互不干扰。

进一步地，所述感温导电纤维经过硬化处理，防止感温导电纤维的阻值受应力影响而改变，无论表面经历各种物理上的冲击，也不会影响感温导电纤维材料对温度传感的性能，提高其测量温度的准确性。

进一步地，所述顶电极为金属弹片、液态金属或导电银浆，因此其在应力作用下可以随柔性导电纤维发生弯曲形变，保持与柔性导电纤维顶部电接触。

进一步地，所述应力传感单元与温度传感单元之间互不接触；所述应力传感单元中，所述柔性导电纤维自身无交叉或相互接触的部位，所述顶电极与底电极互不接触；所述温度传感单元中，所述感温导电纤维自身无交叉或相互接触的部位，所述两个端电极互不接触。此处设置保证应力传感单元与温度传感单元相互独立工作，同时防止短路发生。

进一步地，所述触觉传感器还包括设于所述传感层上的弹性层和受力层，所述弹性层为环形，其沿所述柔性基底的边缘布置，所述受力层设于所述弹性层上，并覆盖所述柔性基底。该弹性层和受力层用于保护传感器，避免传感器受外界干扰。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为本发明的触觉传感器整体截面示意图；

图2为传感层的结构示意图；

图3为应力传感单元的结构示意图；

图4为应力传感单元的侧视图；

图5为温度传感单元的结构示意图；

图6为温度传感单元的侧视图；

图7为应力传感单元的性能测试结果；

图8为温度传感单元的性能测试结果。

附图标记说明：

10–受力层；20-弹性层；30-传感层；31-柔性基底；32-导电纤维；33-顶电极；34、35-端电极；36-底电极；37-衬底导电层。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

本发明提供的触觉传感器包括传感层，所述传感层包括柔性基底、至少一个应力传感单元和至少一个温度传感单元；

本发明的触觉传感器的工作原理为：

当外界应力（例如以垂直于柔性基底的方向）施加在应力传感单元的柔性导电纤维时，柔性导电纤维会随着应力的作用而发生相应的结构形变，从而导致柔性导电纤维在径向的电阻也发生变化，通过检测这种电阻变化（例如检测顶电极与底电极之间的电压变化），实现对应力的检测；温度传感单元的感温导电纤维的电阻会随温度的改变而发生变化，通过检测感温导电纤维的电阻值（例如检测感温导电纤维两端之间的电阻值），实现对温度的检测。

实施例1

请参阅图1，本实施例的触觉传感器包括由上至下依次层叠的受力层10、弹性层20和传感层30。

请参阅图2-6，本实施例中，所述传感层30包括柔性基底31、一个应力传感单元和一个温度传感单元，所述应力传感单元和温度传感单元分别设于所述柔性基底31上。

所述柔性基底31采用柔性薄膜材料，例如PET（聚对苯二甲酸乙二酯）、PI（聚酰亚胺）、PDMS（聚二甲基硅氧烷）等常规薄膜材料。

如图3和图4所示，所述应力传感单元包括一柔性导电纤维、一顶电极33和一底电极36，所述柔性导电纤维平铺在所述柔性基底31上，所述顶电极33可弯曲，并与所述柔性导电纤维的顶部电接触，所述底电极36与所述柔性导电纤维的底部电接触，当所述顶电极33与底电极36之间存在电势差时，电流沿所述柔性导电纤维的径向流通，即电流从所述柔性导电纤维的顶部沿其直径方向流向底部（此时顶电极33的电势高于底电极36的电势），或从所述柔性导电纤维的底部沿其直径方向流向顶部（此时顶电极33的电势低于底电极36的电势）。

所述顶电极33为金属弹片、液态金属或导电银浆等可弯曲变形的导电材料，其可以随柔性导电纤维形变而发生弯曲。

如图5和图6所示，所述温度传感单元包括一感温导电纤维和两个端电极34、35，所述感温导电纤维平铺在所述柔性基底31上，所述两个端电极34、35分别与所述感温导电纤维的两端电连接，当所述两个端电极34、35之间存在电势差时，电流沿所述感温导电纤维的轴向流通。

为了防止感温导电纤维的阻值受应力影响而改变，所述感温导电纤维表面经过硬化处理，具体可采用硬化剂进行处理，使感温导电纤维在受到应力时不会发生形变而导致其阻值发生变化，由此感温导电纤维的阻值仅受温度影响，提高其测量温度的准确性。

本实施例中，所述应力传感单元的柔性导电纤维与所述温度传感单元的感温导电纤维分别选自同一根导电纤维32中隔开的两段，具体分别选自同一根导电纤维32的两个末端段，如图2所示，选取所述导电纤维32中的A点和B点之间的一段（AB段）作为所述应力传感单元的柔性导电纤维，且A点位于所述导电纤维32的一末端，选取所述导电纤维32中的C点和D点之间的一段（CD段）作为所述温度传感单元的感温导电纤维，且D点位于所述导电纤维32的另一末端，所述应力传感单元的柔性导电纤维与所述温度传感单元的感温导电纤维之间由中间段（BC段）隔开，进一步保证柔性导电纤维与感温导电纤维中的电流相互独立，从而保证应力传感单元与温度传感单元能相互独立工作。

所述导电纤维32平铺在所述柔性基底31表面上，即其轴向与所述柔性基底31表面平行，且其中无交叉或打结的部分，防止短路发生。优选地，所述导电纤维32弯曲布置于所述柔性基底32的中部，利于传感器小型化。

所述导电纤维32是柔性的，优选为掺入杂质离子的碳纤维，或者为掺入杂离子的碳纤维与芳纶混纺得到的复合纤维；其中，所述杂质离子为多种，其在碳纤维材料的制备过程中不可避免地带入到制得的碳纤维中，或者经过掺杂处理更多地掺入碳纤维中。具体地，所述导电纤维32的阻值呈负温度系数特性。

进一步地，所述导电纤维32中，所述温度传感单元的感温导电纤维（CD段）的长度与所述应力传感单元的柔性导电纤维（AB段）的直径之比大于20：1。具体地，所述导电纤维32的长度优选为10 cm。

如图3和图4所示，所述应力传感单元中，所述顶电极33设在所述柔性导电纤维的中部上，并与所述柔性导电纤维的顶部表面接触；所述底电极36设于所述柔性基底31表面与所述柔性导电纤维之间，并与所述柔性导电纤维的两端底部表面接触。进一步地，所述应力传感单元还包括衬底导电层37，所述衬底导电层37设于所述顶电极33与柔性基底31表面之间，用于支承所述顶电极33，并与所述顶电极33的底部电接触。更优地，所述底电极36延伸至所述柔性基底31的边缘，所述衬底导电层37延伸至所述柔性基底31的边缘，便于将应力传感单元与外部供电系统实现电连接。

而且，所述柔性导电纤维自身无交叉或相互接触的部位，所述顶电极33与底电极36之间互不接触，所述衬底导电层37与底电极36之间互不接触；更优地，所述顶电极33与底电极36之间在垂直于柔性基底31的方向上无交错的部位，所述衬底导电层37与底电极3在垂直于柔性基底31的方向上无交错的部位，降低传感层30受外力作用造成顶电极33、底电极36或衬底导电层37位移而发生短路的可能性。

如图5和图6所示，所述温度传感单元中，所述两个端电极34、35设于所述柔性基底31表面与所述感温导电纤维之间，其分别与所述感温导电纤维的两端底部表面接触。更优地，所述两个端电极34、35分别延伸至所述柔性基底31的边缘，便于将温度传感单元与外部供电系统实现电连接。

而且，所述感温导电纤维自身无交叉或相互接触的部位，所述两个端电极34、35互不接触；更优地，所述两个端电极34、35在垂直于柔性基底31的方向上无交错的部位，降低传感层30受外力作用造成两个端电极34、35位移而发生短路的可能性。

所述顶电极33、衬底导电层37和两个端电极34、35可以采用常规电极材料制备，按照图2、图3和图5所示的相应线路和形状分别印刷在柔性基底31表面上。

所述应力传感单元与温度传感单元之间互不接触，保证两者能相互独立工作。

所述弹性层20为环形，其沿所述柔性基底31的边缘布置，包围所述导电纤维32。所述受力层10设于所述弹性层20上，并覆盖所述柔性基底31。所述受力层10采用柔性的绝缘材料制备，例如采用柔性薄膜材料，所述弹性层20采用弹性的绝缘材料制备，所述受力层10和弹性层20对传感层30形成封装保护，且受力层10与传感层30之间形成缓冲空间，从而在非测量目标的微小应力作用在受力层10上时，使传感层30不会受到该微小应力的作用，避免应力传感单元产生不必要的检测信号。

所述触觉传感器工作时，将顶电极33和底电极36分别与外部供电系统连接，使顶电极33、底电极36、柔性导电纤维和外部供电系统构成一个完整的导电回路，则电流沿所述柔性导电纤维的径向通过，此时应力传感单元可检测到施加在柔性导电纤维上的应力，具体地，柔性导电纤维的阻值会随应力变化而发生改变，通过检测顶电极33与底电极36之间的电压可得出施加到柔性导电纤维上的应力大小；将两个端电极34、35分别与外部供电系统连接，使两个端电极34、35和感温导电纤维和外部供电系统构成一个完整的导电回路，则电流沿所述感温导电纤维的轴向通过，此时温度传感单元可检测到感温导电纤维附近的温度，具体地，感温导电纤维的阻值随温度变化而发生改变，通过检测感温导电纤维两端之间的阻值可得出感温导电纤维上附近的即时温度。

所述应力传感单元与温度传感单元可以同时检测应力和温度，而且对应力和温度的检测相互独立，互不影响和干扰。具体地，应力传感单元与温度传感单元与外部供电系统构成的两个导电回路相互独立，可利用单片机来分别控制这两个导电回路的通断，从而选择性地检测应力或温度。

除本实施例外，本发明的触觉传感器还具有多种实施方式，例如：又如：所述应力传感单元的柔性导电纤维与所述温度传感单元的感温导电纤维分别选自同一根导电纤维32的中间的相隔的两段，而非末端段；又如：所述应力传感单元的柔性导电纤维与所述温度传感单元的感温导电纤维分别采用两根不同的导电纤维；再如：所述应力传感单元和温度传感单元的数量都多于一个，所有应力传感单元的柔性导电纤维与所有温度传感单元的感温导电纤维共同采用同一根导电纤维，或各自采用不同的导电纤维，等等。

实施例2

请参阅图7，其为应力传感单元的性能测试数据图。对实施例1的触感传感器施加峰值大小为2N的应力，对其应力传感单元进行从0N到2N的动态应力加载测试，测试结果如图7所示，图中上方的曲线为应力随时间的变化曲线，下方的曲线为底电极36和衬底导电层37之间的电压（即柔性导电纤维的底部与底部之间的电压）随时间的变化曲线。从该图中可见，在一个循环测试中，应力传感单元输出的电压随着应力的不断增大而增大，当应力达到峰值时，电压也同时达到峰值，充分表明本发明的触感传感器具备对动态应力的快速的响应能力和优秀的动态分辨能力；而在5个循环测试中，应力传感单元表现出良好的一致性，表明本发明的触感传感器具备对应力检测的良好稳定性。

请参阅图8，其为温度传感单元的性能测试数据图。改变实施例1的触感传感器所处环境的温度，测试温度传感单元在不同温度下所体现的阻值，测试结果表明，温度传感单元的电阻（即感温导电纤维两端之间的电阻）随着温度的增加而下降，即电阻与温度成负相关，后续进一步对数据进行拟合，发现温度传感单元在30℃~45℃的温度范围内具备很好的线性度，如图8中的曲线所示。因此，本发明的触感传感器的测温范围可以选取30℃~45℃，与人体体温变化范围较为接近，在工业应用与生活应用有很大的应用前景，尤其针对体温动态检测更是具有很大的技术优势。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种触觉传感器，其特征在于：包括传感层，所述传感层包括柔性基底、一个应力传感单元和一个温度传感单元；

所述温度传感单元包括一感温导电纤维和两个端电极，所述感温导电纤维平铺在所述柔性基底上，所述两个端电极分别与所述感温导电纤维的两端电连接，当所述两个端电极之间存在电势差时，电流沿所述感温导电纤维的轴向流通；

所述应力传感单元的柔性导电纤维与所述温度传感单元的感温导电纤维分别选自同一根导电纤维中隔开的两段，所述导电纤维为掺入杂质离子的碳纤维，或者为掺入杂质离子的碳纤维与芳纶混纺得到的复合纤维，其中所述温度传感单元的感温导电纤维的长度与所述应力传感单元的柔性导电纤维的直径之比大于20：1；

所述应力传感单元中，所述顶电极设在所述柔性导电纤维的中部上，并与所述柔性导电纤维的顶部表面接触，所述底电极与所述柔性导电纤维的两端底部表面接触，所述顶电极与底电极之间在垂直于所述柔性基底的方向上无交错的部位。

2.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于：所述感温导电纤维的电阻值呈负温度系数特性。

3.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于：所述感温导电纤维经过硬化处理。

4.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于：所述顶电极为金属弹片、液态金属或导电银浆。

5.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于：所述应力传感单元与温度传感单元之间互不接触；所述应力传感单元中，所述柔性导电纤维自身无交叉或相互接触的部位，所述顶电极与底电极互不接触；所述温度传感单元中，所述感温导电纤维自身无交叉或相互接触的部位，所述两个端电极互不接触。

6.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于：还包括设于所述传感层上的弹性层和受力层，所述弹性层为环形，其沿所述柔性基底的边缘布置，所述受力层设于所述弹性层上，并覆盖所述柔性基底。