CN110082010A - 柔性触觉传感器阵列及应用于其的阵列扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性触觉传感器阵列及应用于其的阵列扫描系统，其中，该传感器阵列包括：凸起层，具有呈阵列排布的多个凸起；上电级层，具有多个电极，与凸起层相连；中间层，具有多个压阻敏感单元，与上电极层相连，该压阻敏感单元与各个所述凸起的每个边缘一一对应；以及下电极层，具有多个电极，与中间层相连；其中，上电极层的各个电极及下电极层的各个电极与中间层的各个压阻敏感单元为一一对应互连。本发明提出的该柔性触觉传感器阵列，制作工艺简单可靠、成本低，同时克服了传统硅基触觉传感器柔性较差的缺点，具有更高的灵敏度，响应时间短，能够实现对接触力的实时检测以及反馈。

Description

柔性触觉传感器阵列及应用于其的阵列扫描系统

技术领域

本发明涉及柔性材料及传感器领域，尤其涉及一种能够实现三维力测 量的柔性触觉传感器阵列及应用于其的阵列扫描系统。

背景技术

近年来随着柔性电子器件的发展，可穿戴式和柔性触觉传感器因其在 生理测量、机器人学、人机交互和可穿戴设备等多种应用领域的巨大潜力 而吸引了大量的研究。器件已经不仅仅具有弯曲的能力，各种能够实现弯 曲，拉伸和扭转的柔性电子器件被不断的研发出来。研发柔性电子器件最 重要推动力之一就是因为人类以及其它生物体是柔性体、弹性体。柔性压 力传感器除了拥有刚性压力传感器的特点，同时具备着很好的柔韧性，能 够随意卷曲或是弯折，它可以检测任意两个柔性接触面或者刚性与柔性两 个接触面之间表面作用力的分布，一般为柔软的平面结构。它可以应用于 检测接触面形状复杂的零件，能满足无损检测、医疗机械、交通安全、机 器人等领域中特殊应用要求。

与具有高硬度的硅基材料相比，柔性材料由于具有良好的附着性、拉 伸性和柔韧性，更适合用于仿生触觉传感器的制造。目前已经有大量的柔 性材料被应用到触觉传感器中，如聚乙烯(PE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、 聚氨酯(PU)和聚酰亚胺(PI)。触觉传感器的工作原理主要包括压阻式、 电容式、压电式和光学式。其中，压阻式触觉传感器由于其制造工艺简单 可靠、成本低廉得到了广泛的应用并且具有广阔的应用前景。目前，大量 的导电纳米材料和纳米复合材料已被证明具有压阻特性，如碳纳米管 (CNT)、炭黑、石墨烯、纳米线和金属颗粒等，这些材料通过与不同的 弹性胶体混合得到的聚合物能够兼具导电和弹性的特性即具有压阻特性。 其中碳纳米管和聚合物结合的纳米复合材料表现出良好的压阻效应。碳纳 米管的超高宽高比和良好的轴向导电性可以大大降低导电材料的消耗，并 且使聚合物本身的力学性能保持不变。此外，碳纳米管具有较高的机械强 度，在外力的反复作用下依然能够保持性能稳定，使得传感器能够表现出 良好的稳定性和可重复性。

除了导电材料或复合材料，压阻式传感元件的结构也是决定传感器性 能的重要因素。不同的结构表现出不同的弹性模量，在实际应用中也会表 现为不同的灵敏度等物理特性。目前，许多微结构已被用于实现高灵敏度， 包括多孔结构、金字塔结构、微柱结构、海绵结构和空心圆柱结构等。但 是具有上述结构的传感器在制造上成本较高并且工艺复杂。此外，日常生 活中的实际接触力通常是包括侧向力和滑动力的三维空间力，但大多数现有的触觉传感器只能在没有切向力信息的情况下测量正常压力，从而限制 了接收到的触觉信息。因此，在仿生和多场景应用中，敏感地检测三维接 触力的触觉传感器是非常必要的。

现有技术中具有一种采用多壁-碳纳米管(MWCNT)薄膜层和聚二甲 基硅氧烷(PDMS)金字塔微结构的触觉压力传感器，此传感器有很高的 灵敏度和稳定性，能够在200ms时间内完成对外力的检测。通过金字塔形 式的微小结构和图形化的电极，压阻导电层可以近似看成是诸多可变电阻 的并联，同时微结构的存在又能充分利用PDMS材料优良的弹性，使传感 器具有很好的动态响应。但是他们的传感器结构单一无法形成阵列使用，同时只能够检测正向的压力，无法有效检测切向力。

现有技术中还存在一种结合聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)纳米 线和氧化还原石墨烯的柔性触觉传感器，此传感器灵敏度高，可重复性好， 能够用于多种需要柔韧性的场合。同时能够检测很小的压力，在敏感触觉 方面有很大潜力。但是这种单个传感器依然没有实现对三维接触力的有效 检测而只能检测到正向的压力。

因此，在触觉压力传感器领域，研究人员致力于实现能够低成本制造， 同时在具有高灵敏度和高空间分辨率，并且能够检测三维力的触觉传感器。 从而精确可靠地感知外部接触力，实现在仿生皮肤及人机交互方面的大规 模触觉器件的使用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种能够实现三维力测量的柔性触觉传感器 阵列及应用于其的阵列扫描系统，以至少部分解决上述问题。

在一方面，本发明提供了一种柔性触觉传感器阵列，包括：

凸起层，具有呈阵列排布的多个凸起；

进一步的，该凸起的底面形状为正方形或类正方形。

上电极层，具有多个电极，与凸起层相连。

中间层，具有多个压阻敏感单元，与上电极层相连，该压阻敏感单元 与各个上述凸起的每个边缘一一对应；

进一步的，该中间层具有镂空图案，其中压阻敏感单元的大小及形状 与该镂空图案一致，且该压阻敏感单元放置于该中间层的镂空位置；

更进一步的，该中间层与该压阻敏感单元的上下表面均为粗糙表面结 构或不规则表面结构；

又有，该压阻敏感单元的材料为多壁-碳纳米管和聚二甲基硅氧烷的纳 米复合材料，或导电炭黑和聚二甲基硅氧烷的纳米复合材料。

以及下电极层，具有多个电极，与中间层相连；

进一步的，该上电极层的各个电极每一列/行连成一条线，该下电极层 的各个电极每一行/列连成一条线，该上电极层和下电极层通过接口与外部 电路相连；

更进一步的，该上电极层和该下电极层的材料为聚酰亚胺、聚二甲基 硅氧烷、硅胶、聚对二甲苯或其他柔性材料，电极的材料为导电金属，包 括铜或金或银。

其中，上电极层的各个电极及下电极层的各个电极与中间层的各个压 阻敏感单元为一一对应互连。

进一步的，上述凸起层的各个凸起与该凸起的每个边缘对应的各个压 阻敏感单元，以及相应位置的上电极层与下电极层构成一个传感单元，实 现法向压力和切向压力的测量；

上述凸起层、上电极层、中间层和下电极层，其各层之间均通过聚二 甲基硅氧烷或其他聚合物粘合剂粘接。

另一方面，基于上述的柔性触觉传感器阵列，本发明还提供了一种应 用于其的阵列扫描系统，包括：

扫描电路，通过接口与该柔性触觉传感器阵列中的上电极层和下电极 层相连，实现对该传感器阵列中压阻敏感单元的阵列扫描；

单片机，实时监测该阵列扫描情况，并对该阵列扫描结果进行模数转 换；

计算机，通过网络接收并记录该单片机的模数转换结果，得到接触力 的实时检测，实现进一步推测。

本发明提供的该柔性触觉传感器阵列及应用于其的阵列扫描系统，具 有如下的优点，包括：

(1)传感器阵列的制作工艺简单可靠，成本低，能够进行大面积生 产和实际应用，通过较好的空间分辨率能够检测出接触物体的大致形状；

(2)本发明的传感器克服了传统硅基触觉传感器柔性较差的缺点， 能够实现全柔性，对弯曲的表面具有一定的适应性，可以实现大规模覆盖 于机器人手臂等应用；

(3)本发明的传感器具有很短的响应时间和稳定的电压输出，配合 扫描电路进行阵列扫描能够实现对接触力的实时检测以及反馈。

附图说明

图1是本发明实施例的传感器阵列的三维结构分解示意图；

图2是图1的传感器阵列中单个传感器元件的分解图和初始状态截面 图；

图3是本发明实施例的触觉传感器阵列的阵列扫描系统电路示意图；

图4是本发明实施例的触觉传感器工作时的电压与时间的变化情况。

图中：

凸起1 上电极层2 中间层3

下电极层4 压阻敏感单元5

具体实施方式

针对背景技术中压阻触觉传感器阵列存在的问题和不足，本发明提出 了一种具有超高灵敏度和较高空间分辨率，并且能够有效检测三维接触力 的柔性压阻触觉传感器阵列及应用于其的阵列扫描系统。本发明利用多壁-碳纳米管和聚二甲基硅氧烷(PDMS)的纳米复合材料作为压阻导电材料， 采用独特的双表面粗糙结构作为压阻敏感单元材料的结构来增加传感器 的灵敏度，同时采用了阵列扫描电路来完成对传感器阵列的快速行列扫描， 实现了传感器阵列在接触力压强范围内的高灵敏度。简单的纳米复合材料 的制备和传感器阵列的工艺流程使得该器件能够以较低的成本大规模应 用。此传感器在人的监控和人机交互中有着广阔的应用前景。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明一实施例提供了一种能够实现三维力测量的柔性触觉传感器 阵列，请参照图1，是本实施例中传感器阵列的三维结构分解示意图，可 以看出本实施例的4×4传感器阵列是由五部分构成，包括：

1是最上面的PDMS凸起层上的凸起，具有16个呈阵列排布的凸起， 用于保护触觉传感器并将三维力传递给敏感单元；

2是上电极层，具有多个电极，与该凸起层相连；

3是PDMS中间层，具有多个压阻敏感单元，与上电极层相连，该压 阻敏感单元与各个上述凸起的每个边缘一一对应；

4是下电极层，具有多个电极，与中间层相连；

5是上述中间层的压阻敏感单元；

其中，上述结构中，上电极层的各个电极及下电极层的各个电极与中 间层的各个压阻敏感单元为一一对应互连。

一些实施例中，上述凸起层的各个凸起与该凸起的每个边缘对应的各 个压阻敏感单元，以及相应位置的上电极层与下电极层构成一个传感单元， 实现法向压力和切向压力的测量。

一些实施例中，上述中间层具有镂空图案，其中压阻敏感单元的大小 及形状与该镂空图案一致，且该压阻敏感单元放置于该中间层的镂空位置；

进一步有，该中间层与该压阻敏感单元的上下表面均为粗糙表面结构 或不规则表面结构；

更进一步有，该压阻敏感单元的材料为多壁-碳纳米管和聚二甲基硅氧 烷的纳米复合材料，或导电炭黑和聚二甲基硅氧烷的纳米复合材料。

本实施例中，该压阻敏感单元的尺寸是2×2mm²，同时上下电极层的 对应电极大小也是2×2mm²。对壁-碳纳米管和PDMS的导电复合材料构 成的压阻敏感单元夹在上下电极之间，同时由PDMS中间层固定。PDMS 中间层具有与导电复合材料相同的厚度，即同为200μm，同时中间层的 表面也具有和导电复合材料相同的粗糙的表面结构，这种设计既保证了上 下电极被中间层有效隔开防止接触短路，又能使中间层与纳米复合材料敏 感单元在外力作用下具有相同的应变，从而增大传感器的灵敏度。

一些实施例中，上述凸起层的凸起的底面形状为正方形或类正方形。

本实施例中，该凸起的底面形状为正方形，具有明确的四个边，为了 能够有效实现对三维力的测量，传感器中压阻敏感单元的分布采取十字交 叉错位的方式，同一个凸起下方具有四个纳米复合测量压阻敏感单元，以 十字交叉的方式分别分布在凸起下表面的正方形的四个边中间。

一些实施例中，上述上电级层的各个电极每一列/行连成一条线，下电 极层的各个电极每一行/列连成一条线，该上电极层和下电极层通过接口与 外部电路相连；

进一步有，该上电极层和该下电极层的材料为聚酰亚胺、聚二甲基硅 氧烷、硅胶、聚对二甲苯或其他柔性材料，电极的材料为铜或金或银等导 电金属。

本实施例中，中间层的不同压阻敏感单元通过上电极和下电极相连， 上电极层的表面电极每一列连接成一条线，下电极层的表面电极每一行连 接成一条线，上下电极层通过接口分别与外部电路相连。这样的电极设计 与每个单元需要两根导线的触觉传感器阵列相比，减少了导线的数量，简 化了电极层和电路接口的布线布局，提高了阵列扫描电路的工作效率，同 时也最大限度地避免了不同导线之间的干扰。该上下电极层都由聚酰亚胺(PI)薄膜作为柔性衬底，上面电镀铜和金作为电极。

一些实施例中，上述凸起层、上电级层、中间层和下电极层，其各层 之间均通过聚二甲基硅氧烷或其他聚合物粘接。

本实施例中，由此实现的的该传感器阵列的各部分都具有柔韧性，柔 性材料的使用使得传感器阵列具有一定的柔性，可以以一定的弧度贴附在 曲面上。

基于以上实施例，对该柔性触觉传感器阵列的工作原理在此详细介绍， 请参照图2，给出了上述实施例中单个传感器元件的分解图和初始状态截 面图。其中1是PDMS凸起，2是上电极层，3是中间层，4是复合材料 压阻敏感单元，5是下电极层。当该触觉传感器处于无外力接触的初始状 态时，压阻敏感单元的上下表面分别与电极层保持多点接触，纳米复合材 料中的碳纳米管间隙也处于最大状态。当法向压力作用于凸起时，凸起下 面的四个压阻敏感单元受到相同的正压力，纳米复合材料上下表面与电极 之间的接触面积增大，同时纳米复合材料内部的碳纳米管之间的距离减小， 形成更密集的导电网络，从而同等程度地降低了四个压阻敏感单元中压阻 纳米复合材料的电阻。当向触觉传感器施加沿X轴或者Y轴(图5所示) 的切向力时，凸起的倾斜和变形将导致沿切向力方向的一个压阻敏感单元受到压缩应力，而相对的另一个压阻敏感单元受到拉伸应力。前者使纳米 复合材料的电阻减小，而后者使纳米复合材料的电阻基本不发生变化。因 此，可以通过X轴或者Y轴上的两个压阻敏感单元的阻值差来检测相应 轴向上的切向力大小，从而得到XOY平面上的切向力的大小和方向。

本实施例中的该触觉传感器阵列中压阻敏感单元的电阻由纳米复合 材料的体积电阻和纳米复合材料上下表面与电极之间的接触电阻组成。电 阻由下式给出：

其中R是电阻，l是长度，A是压阻材料与电极的接触面积，ρ是纳 米复合材料的电阻。与实体结构相比，粗糙多孔的表面结构使纳米复合材 料与电极的接触面积减小，电阻率增大，因此压阻敏感单元具有较大的初 始电阻。在相同压力下，接触面积越小，电阻增大的幅度就越大。根据公 式(1)，压阻敏感单元的灵敏度可写为：

式中S为灵敏度，ΔP、Δρ和ΔL分别为压力、电阻率和长度的变化。 与上下表面的面积变化相比，纳米复合材料中间实体处的横截面积在外压 下几乎没有变化，因此可以将ΔA视为纳米复合材料与电极之间接触表面 的面积变化。根据杨氏模量的定义和渗透理论压阻敏感单元的灵敏度可写 为：

其中E是纳米复合材料单元的杨氏模量，k是纳米复合材料中碳纳米 管含量与电阻率之间的相关系数，ω是碳纳米管含量，ω₀是碳纳米管在纳 米复合材料中形成导电网络的阈值含量，α是与几何结构相关的因子，A_m是纳米复合材料与电极之间的最大接触面积并且是一个固定值，f(h)是高 度的概率密度函数。

从以上分析可知，传感器的灵敏度主要取决于粗糙多孔的表面结构和 纳米复合材料中碳纳米管的含量。前者影响纳米复合材料单元的杨氏模量， 后者决定了纳米复合材料内部导电网络的密度。这些影响可以从传感器的 压力灵敏度和压力电阻特性曲线中反映出来。因此，通过调节压阻敏感单 元表面结构的粗糙度和调整碳纳米管的含量分数，可以有效地调节器件的 灵敏度。由方程(3)可知，随着压力的增大，压阻敏感单元的应变增大， 杨氏模量增大。同时，多壁-碳纳米管在导电网络中相互连接形成的导电通 道增加，使器件的灵敏度降低。

本发明另一实施例针对上述柔性触觉传感器阵列，提供了一种制作该 触觉传感器阵列的制作工艺，方法如下：首先采用粗糙不平的砂纸作为柔 性材料制造的模具。在砂纸模板的粗糙表面上沉积1μm厚的聚对二甲苯 (Parylene)，然后旋涂200μm加入了固化剂的聚二甲基硅氧烷(PDMS) 并放置于高温烤箱固化，其中PDMS和固化剂的质量比为10:1。然后将固 化后的PDMS薄膜剥离并在其粗糙表面上沉积1μm厚的Parylene。聚对 二甲苯具有良好的保形性和分布均匀性，可以降低PDMS聚合物分子对模 具和纳米复合材料表面的粘附力，能够保证PDMS薄膜容易剥离。其次， 将制备得到的结构粗糙的PDMS薄膜通过冲压将其切割成中间层的镂空 图案。第三，将制备的多壁-碳纳米管和PDMS纳米复合材料刮涂在砂纸 模具上，然后在纳米复合材料表面覆盖沉积了Parylene的柔性PDMS薄膜， PDMS薄膜的粗糙表面朝下。在120℃真空加热30分钟后，固化的纳米复 合材料薄膜就具有了双面粗糙的表面结构。剥离纳米复合膜后将其切割成4平方毫米(2mm×2mm)的正方形，并且填充到中间层的镂空位置。最 后，将中间层、上下电极层和凸起通过少量PDMS粘接组成柔性传感器阵 列。高温固化少量的PDMS胶后即可得到完整的传感器阵列。纳米复合材 料是通过溶液混合的方法得到的，将多壁-碳纳米管和PDMS在以氯仿为 溶剂的溶液中充分混合，然后将混合溶液在水浴箱中70℃加热蒸发掉氯仿 溶剂，得到多壁-碳纳米管-PDMS复合物。这样使得碳纳米管能够充分分 散于PDMS中，形成均匀的导电网络。

本发明又一实施例基于上述柔性触觉传感器阵列，提供了一种应用于 其的阵列扫描系统，请参照图3，是本实施例触觉传感器阵列的扫描电路 系统示意图，包括：

扫描电路，通过接口与该柔性触觉传感器阵列中的上电极层和下电极 层相连，实现对该传感器阵列中压阻敏感单元的阵列扫描；

单片机，实时监测该阵列扫描情况，并对该阵列扫描结果进行模数转 换；

计算机，通过网络接收并记录该单片机的模数转换结果，得到接触力 的实时检测，实现进一步推测。

本实施例中，该阵列扫描系统由扫描电路、单片机和计算机组成。在 扫描电路中，增加了一排标准电阻并标记为R_S1到R_SN。标准电阻行可以 有效地避免计算过程中输入电压波动对电阻值的影响，提高测量精度。其 他阵列电阻是连接到电路的传感器阵列中的压阻敏感单元，标记为R_ij(其 中i是行数，j是列数)。每行和每列都有一个与压敏电阻相连的运算放大 器。当单片机选择一行时，对运算放大器正向输入端施加高压，同时将其 它几行运算放大器接至零电位，分别测量每列运算放大器的输出电压，即 可得到选中行中的各个压阻敏感单元的电阻。然后单片机通过模数转换器 将各列运算放大器的输出电压转换成数字形式，并通过蓝牙传送给计算机。 根据测量出传感器压阻敏感单元的压力阻值特性曲线就可以得到敏感单 元所受的外界接触压力的大小，从而实现对接触力的实时检测，通过分析 整个阵列不同压阻敏感单元受力的大小，我们可以得到外界压力在阵列区 域的分布情况从而能够进一步推测出接触物体的结构形状。

本发明提到的该柔性触觉传感器阵列及应用于其的阵列扫描系统，其 中：

(1)压阻触觉传感器在接触力压强范围内具有超高的灵敏度，经实 验测试结果显示，600Pa的正向接触压力范围内能够实现12.1kPa^-1的灵敏 度，在0.05N的切向力范围内具有59.9N^-1的高灵敏度。同时在大压力的 作用下，本传感器的响应时间能够低至3.1ms。对于微小接触力的检测具 有良好的效果，各个敏感单元之间具有良好的一致性。同时通过四个组合 单元的电阻差值和平均值能够有效地得到接触三维力的大小和方向，非常 适合仿人皮肤等交互触摸场景的应用；

(2)传感器具有很短的响应时间和稳定的电压输出，如图4所示， 配合扫描电路进行阵列扫描能够实现对接触力的实时检测以及反馈。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性触觉传感器阵列，其特征在于，包括：

凸起层，具有呈阵列排布的多个凸起；

上电极层，具有多个电极，与所述凸起层相连；

中间层，具有多个压阻敏感单元，与所述上电极层相连，所述压阻敏感单元与各个所述凸起的每个边缘一一对应；以及

下电极层，具有多个电极，与所述中间层相连；

其中，所述上电极层的各个电极及所述下电极层的各个电极与所述中间层的各个压阻敏感单元为一一对应互连。

2.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器阵列，其特征在于，所述凸起层的各个所述凸起与该凸起的每个边缘对应的各个所述压阻敏感单元，以及相应位置的上电极层与下电极层构成一个传感单元，实现法向压力和切向压力的测量。

3.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器阵列，其特征在于，所述中间层具有镂空图案，所述压阻敏感单元的大小及形状与所述镂空图案一致，且所述压阻敏感单元放置于所述中间层的镂空位置。

4.根据权利要求1或3所述的柔性触觉传感器阵列，其特征在于，所述中间层与所述压阻敏感单元的上下表面均为粗糙表面结构或不规则表面结构。

5.根据权利要求4所述的柔性触觉传感器阵列，其特征在于，所述压阻敏感单元的材料为多壁-碳纳米管和聚二甲基硅氧烷的纳米复合材料，或导电炭黑和聚二甲基硅氧烷的纳米复合材料。

6.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器阵列，其特征在于，所述上电极层的各个电极每一列/行连成一条线，所述下电极层的各个电极每一行/列连成一条线，所述上电极层和所述下电极层通过接口与外部电路相连。

7.根据权利要求1或6所述的柔性触觉传感器阵列，其特征在于：

所述上电极层和所述下电极层的材料为聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、硅胶、或聚对二甲苯；

各个所述电极的材料为导电金属，包括铜或金或银。

8.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器阵列，其特征在于，所述凸起的底面形状为正方形或类正方形。

9.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器阵列，其特征在于，所述凸起层、上电极层、中间层和下电极层，其各层之间均通过聚合物粘合剂粘接。

10.一种阵列扫描系统，其特征在于，所述阵列扫描系统应用于权利要求1至9中任一所述的柔性触觉传感器阵列，包括：

扫描电路，通过接口与所述柔性触觉传感器阵列中的上电极层和下电极层相连，实现对所述传感器阵列中压阻敏感单元的阵列扫描；

单片机，实时监测所述阵列扫描情况，并对所述阵列扫描结果进行模数转换；

计算机，通过网络接收并记录所述单片机的模数转换结果。