CN110108395B - 一种触滑觉传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种触滑觉传感器及其制备方法，该触滑觉传感器包括5层结构，从下至上依次为：底面覆盖导电材料的有机高分子薄膜、中心具有一个圆形凹槽并且凹槽内部均匀分布着半径等于凹槽深度的半球凸起环形阵列的有机材料、圆形有机高分子薄膜、上表面分布有多个压阻薄膜的绝缘薄膜、以及圆台结构。该触滑觉传感器在能识别是否发生滑动的基础上还能对滑动的方向和滑动的速度进行测量，并且可以对作用于传感器的空间力进行测量，不需要对获取数据进行比较复杂的后处理，信息反馈延时性低。
Description
技术领域
本发明涉及传感器，特别是一种可同时测量空间力与滑动的触滑觉传感器及其制备方法。
背景技术
一些具有机械手的机器人在进行抓握物体作业时，需要实时监测机械手与所持物体接触表面间相对运动的情况，以便确定一个合适的握力值，在不损伤物体的前提下抓牢物体。触觉传感器是一种主要用于检测机械手所受垂直压力的装置，而滑觉传感器是一种主要用于检测机械手和所持物体之间滑动或预滑动的装置，同时具有两者功能的传感器称为触滑觉传感器。触滑觉传感器能够帮助机器人在复杂多元环境下成功完成软抓取任务。
现有的一些机械手在进行抓取时需要单独的滑觉传感器与单独的压力传感器配合使用，两种传感器没有统一在一起，集成时会占据更大的面积；一些将两者结合到同一个器件里的触滑觉传感器虽然能识别是否发生滑动，但是并不能判断滑动的方向、测量滑动的速度或物体作用于器件的剪切力，而这三个参数在机器人软抓取过程中也具有比较重要的意义；还有一些触滑觉传感器需要一定的时间对获取信号进行后处理，从中提取相关的触觉和滑觉信息，在信息反馈方面存在一定的延时性。
发明内容
本发明的主要目的在于弥补现有技术的不足，提供一种可同时测量空间力与滑动的触滑觉传感器及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种触滑觉传感器，包括紧密组合在一起的5层结构，按照从下往上的顺序，第1层为底面覆盖导电材料的有机高分子薄膜，第2层为中心具有一个凹槽的有机材料，所述凹槽的开口朝向第1层并且所述凹槽内部均匀分布着高度等于凹槽深度的凸起阵列，第2层的除了所述凹槽之外的区域与第1层紧密连接在一起，所述凹槽内部的凸起阵列与第1层表面接触，并且在传感器受到剪切力作用时发生分离，第3层为有机高分子薄膜，第4层为绝缘薄膜，所述绝缘薄膜上表面均匀分布有多个压阻薄膜，第5层为上底面小于下底面的圆台结构，其中所述第1层和所述第3层为驻极体，所述第2层的有机材料上表面的几何中心、所述第3层的有机高分子薄膜的几何中心、所述第4层的多个压阻薄膜的分布中心以及所述第5层的圆台结构的圆心对齐。
进一步地：
所述凹槽为圆形的凹槽，所述第3层为圆形的有机高分子薄膜。
所述第3层的圆形有机高分子薄膜的直径不大于第2层的圆形凹槽的直径。
所述凸起阵列为半球凸起结构、金字塔凸起结构、圆锥凸起结构、棱柱凸起结构、圆台凸起结构、棱台凸起结构中的任一种结构或多种结构组合的阵列。
所述凸起阵列为多重环形分布的凸起阵列。
所述第2层的有机材料的厚度大于所述凸起阵列的高度并且小于等于所述凸起阵列的高度的3倍。
所述多个压阻薄膜为四个等面积的压阻薄膜。
所述触滑觉传感器具备以下配置中的一种或多种：
所述第1层的有机高分子薄膜材料选用FEP、PET或PTFE；
所述第1层的导电材料选用铜、银或铝，厚度为2微米至200微米；
所述第2层的有机材料为PDMS或ecoflex；
所述第3层的有机高分子薄膜材料为PET；
所述第4层的绝缘薄膜的材料为PDMS或ecoflex；
所述第4层的压阻薄膜的材料为激光诱导多孔石墨烯或碳纳米管；
所述第4层的压阻薄膜的压阻区域为蛇形图案；
所述第5层的圆台结构的材料为PDMS或ecoflex。
一种使用所述的触滑觉传感器测量触滑觉的方法，当滑动物体与所述触滑觉传感器的第5层圆台结构接触时，所述圆台结构发生侧弯，并使得第1层和第3层的驻极体材料之间的间距发生变化，从而在第1层驻极体薄膜的底面的导电材料中静电感应出感生电荷，所述导电材料产生的电流由测试仪器测量，处理器根据测量得到的电流信号的峰值解算出滑动物体的滑动速度，并根据测量到的第4层多个压阻薄膜的电阻值解算出滑动物体的滑动方向；当静态的空间力作用于所述触滑觉传感器的第5层圆台结构时，第4层的多个压阻薄膜的阻值发生变化，通过测试仪器测量多个压阻薄膜各自的阻值变化率，处理器根据测量的阻值变化率解算出空间力的x,y,z三轴分量的大小，从而得到空间力的总大小及方向。
一种制作所述的触滑觉传感器的方法，包括以下步骤：
1)首先准备两个模具，其中一个模具的上表面为一个凹槽结构，凹槽的内底面有一个凸台，凸台的高度小于凹槽的深度，凸台上表面具有均匀分布的小凹槽阵列，并且小凹槽的深度与凸台的高度相等；另一个模具的上表面为一个圆台凹槽结构，其中圆台凹槽的下底面圆的直径小于其上底面圆的直径；
2)使用所述两个模具分别制作第2层结构和第5层结构；
3)制作上表面带有压阻薄膜的第4层结构；
4)将第2层结构的下底面与下底面贴覆了导电材料的第1层结构的上底面相粘接；
5)制作第3层结构，与步骤4)制作好的结构的上底面对准后键合，并将步骤3)制作的第4层结构的下表面与第3层结构的上表面和第2层结构的上底面未被第3层结构遮挡的部分对准后键合；
6)在第4层结构的压阻薄膜上制作引线，并将步骤2)制作出的第5层结构的下底面与制作好的整个结构对准后粘接在一起。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出一种可同时测量空间力与滑动的触滑觉传感器，该触滑觉传感器包括紧密组合在一起的5层结构，整体呈一个“丄”字形结构，相对于现有触滑觉传感器，本发明的触滑觉传感器在能识别是否发生滑动的基础上还能对滑动的方向和滑动的速度进行测量，并且可以对作用于传感器的空间力进行测量，不需要对获取数据进行比较复杂的后处理，信息反馈延时性低。本发明的触滑觉传感器的制作工艺简便，可迅速、方便地实现触滑觉传感器的制作，制备方法简单，工艺流程少，适于工业大规模生产。
附图说明
图1是本发明一种实施例的触滑觉传感器的二维截面示意图；
图2是本发明一种实施例的触滑觉传感器的结构示意图；
图3是本发明一种实施例的触滑觉传感器测量时受力变形的示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1和图2，在一种实施例中，一种触滑觉传感器，包括紧密组合在一起的5层结构，按照从下往上的顺序，第1层为底面覆盖导电材料的有机高分子薄膜1，第2层为中心具有一个凹槽的有机材料2，所述凹槽的开口朝向第1层并且所述凹槽内部均匀分布着高度等于凹槽深度的凸起阵列，第2层的除了所述凹槽之外的区域与第1层紧密连接在一起，所述凹槽内部的凸起阵列与第1层表面接触，并且在传感器受到剪切力作用时发生分离，第3层为有机高分子薄膜3，第4层为绝缘薄膜4，所述绝缘薄膜4上表面均匀分布有多个压阻薄膜，第5层为上底面小于下底面的圆台结构5，其中所述第1层和所述第3层为驻极体，所述第2层的有机材料上表面的几何中心、所述第3层的有机高分子薄膜的几何中心、所述第4层的多个压阻薄膜的分布中心以及所述第5层的圆台结构的圆心对齐。
在优选的实施例中，所述凹槽为圆形的凹槽，所述第3层为圆形的有机高分子薄膜。
在更优选的实施例中，所述第3层的圆形有机高分子薄膜的直径不大于第2层的圆形凹槽的直径。
在优选的实施例中，所述凸起阵列为半球凸起结构、金字塔凸起结构、圆锥凸起结构、棱柱凸起结构、圆台凸起结构、棱台凸起结构中的任一种结构或多种结构组合的阵列。
在优选的实施例中，所述凸起阵列为多重环形分布的凸起阵列。
在优选的实施例中，所述第2层的有机材料的厚度大于所述凸起阵列的高度并且小于等于所述凸起阵列的高度的3倍。
在优选的实施例中，所述多个压阻薄膜为四个等面积的压阻薄膜。
在优选的实施例中，所述触滑觉传感器具备以下配置中的一种或多种：
所述第1层的有机高分子薄膜材料选用FEP、PET或PTFE；
所述第1层的导电材料选用铜、银或铝，厚度为2微米至200微米；
所述第2层的有机材料为PDMS或ecoflex；
所述第3层的有机高分子薄膜材料为PET；
所述第4层的绝缘薄膜的材料为PDMS或ecoflex；
所述第4层的压阻薄膜的材料为激光诱导多孔石墨烯或碳纳米管；
所述第4层的压阻薄膜的压阻区域为蛇形图案；
所述第5层的圆台结构的材料为PDMS或ecoflex。
一种使用所述的触滑觉传感器测量触滑觉的方法，当滑动物体与所述触滑觉传感器的第5层圆台结构接触时，所述圆台结构发生侧弯，如图3所示，由于第2层结构凹槽内的凸起阵列不与第1层结构相粘接，其上方的薄膜随圆台结构的侧弯而形变，由此导致第1层和第3层的驻极体材料之间的间距发生变化，从而在第1层驻极体薄膜的底面的导电材料中静电感应出感生电荷。所述导电材料产生的电流由测试仪器测量，处理器根据测量得到的电流信号的峰值解算出滑动物体的运动速度。较佳地，由于第2层结构中的凹槽为圆形，所以对各个方向的滑动具有同样的响应，滑动方向对电流信号的峰值没有影响，降低了后续数据处理的复杂度。
当空间力作用于所述触滑觉传感器的第5层圆台结构时，第4层的多个压阻薄膜的阻值发生变化。由于第2层结构凹槽内凸起阵列的存在，多个压阻薄膜在切向力的作用下具有不等的形变量，从而导致它们具有不等的电阻变化量。通过测试仪器测量多个压阻薄膜各自的阻值变化率，处理器根据测量的阻值变化率解算出空间力的x,y,z三轴分量的大小，从而得到空间力的总大小及方向。而滑动发生时，对圆台也会产生一个作用力，根据测量到的第4层多个压阻薄膜的电阻值也可以解算出滑动物体的滑动方向。
一种制作所述的触滑觉传感器的方法，包括以下步骤：
1)首先准备两个模具，其中一个模具的上表面为一个凹槽结构，凹槽的内底面有一个凸台，凸台的高度小于凹槽的深度，凸台上表面具有均匀分布的小凹槽阵列，并且小凹槽的深度与凸台的高度相等；另一个模具的上表面为一个圆台凹槽结构，其中圆台凹槽的下底面圆的直径小于其上底面圆的直径；
2)使用所述两个模具分别制作第2层结构和第5层结构；
3)制作上表面带有压阻薄膜的第4层结构；
4)将第2层结构的下底面与下底面贴覆了导电材料的第1层结构的上底面相粘接；
5)制作第3层结构，与步骤4)制作好的结构的上底面对准后键合，并将步骤3)制作的第4层结构的下表面与第3层结构的上表面和第2层结构的上底面未被第3层结构遮挡的部分对准后键合；
6)在第4层结构的压阻薄膜上制作引线，并将步骤2)制作出的第5层结构的下底面与制作好的整个结构对准后粘接在一起。
以下结合附图进一步描述本发明具体实施例的特征、应用和制备。
一种具体实施例的触滑觉传感器包括：包括5层结构，按照从下往上的顺序，第1层为一底面覆盖导电材料的有机高分子薄膜，第2层为中心具有一个圆形凹槽并且凹槽内部均匀分布着半径等于凹槽深度的半球凸起环形阵列的有机材料，第1、2层除了圆形凹槽之外的区域都紧密连接在一起，第3层为一圆心与第2层有机材料上表面几何中心重合的圆形有机高分子薄膜，第4层为一绝缘薄膜，并且绝缘薄膜上表面均匀分布有四个等面积压阻薄膜，第5层为圆心与第3层圆形有机高分子薄膜圆心重合的圆台结构。传感器中所用的材料都为柔性材料。第1层的有机高分子材料从能通过电晕极化的方法转化为驻极体的材料里筛选；其中第2层的半球凸起结构也可以替换为高度等于圆形凹槽深度的金字塔凸起结构、圆锥凸起结构、棱柱凸起结构、圆台凸起结构、棱台凸起结构或几种不同结构的随机组合分布等；较佳地，其中第2层有机材料的厚度大于半球凸起的半径并且小于等于半球凸起的半径的3倍；其中第3层的有机高分子薄膜从能通过电晕极化的方法转化为驻极体并且具有相对较高表面能的材料里筛选；较佳地，其中第3层的圆形有机高分子薄膜的直径小于等于第2层结构中圆形凹槽的直径；其中第4层的四个压阻薄膜不相重合并且它们的分布中心与第3层圆形有机高分子薄膜的圆心重合。上述5层结构按照顺序对准紧密组合在一起成为一个触滑觉传感器，呈一个“丄”字形结构，尺寸在微米级至厘米级。
使用该触滑觉传感器可同时测量空间力与滑动，通过测量由静电感应产生的短路电流的峰值可以解算出滑动速度，通过测量四个压阻电极的电阻值变化量可以解算出作用于传感器的空间力的大小和方向。测量时，当滑动物体与器件的圆台结构接触时，圆台结构发生侧弯，两层驻极体材料之间的间距发生变化，从而在第1层驻极体薄膜的底面的导电材料中静电感应出感生电荷，将这个导电材料与测试仪器相连，根据测量得到的电流信号的峰值可以解算出滑动物体的滑动速度。当静态的空间力作用于器件的圆台结构时，四个等面积的压阻薄膜的阻值发生变化，通过测量它们各自的阻值变化率，可以解算出空间力的x,y,z三轴分量的大小，从而得到空间力的总大小及方向。本发明设计的触滑觉传感器在能识别是否发生滑动的基础上还能对滑动的方向和滑动的速度进行测量，并且可以对作用于传感器的空间力进行测量，不需要对获取数据进行比较复杂的后处理，信息反馈延时性低。
制作例：
本实施例通过一些装置，制作可同时测量空间力与滑动的触滑觉传感器，具体包括以下步骤：
1)首先通过激光3D打印机打印两个模具，其中一个模具的上表面为一个矩形凹槽结构，矩形凹槽的内底面有一个圆心与其几何中心重合的圆形凸台结构，圆形凸台的高度小于矩形凹槽的深度，圆形凸台上表面具有均匀分布的半球凹槽环形阵列，并且半球凹槽的半径与圆形凸台的高度相等。另一个模具的上表面为一个圆台凹槽结构，其中圆台凹槽的下底面圆的直径小于其上底面圆的直径。将两个模具用去离子水清洗干净，并用氮气吹干；
2)在电子秤上按照10:1的比例将PDMS预聚体与固化剂混合，充分搅拌后将混合好的PDMS浇筑入模具内，使用真空泵进行三次脱泡处理，以便去除PDMS中多余的空气，将模具放入烘箱使用80℃烘烤1小时30分，然后将两个固化后的PDMS结构(第2层结构和第5层结构)从模具中取出；
3)使用数控机床加工铝合金模具，模具的上表面具有一个矩形凹槽结构，凹槽的深度为410微米，在矩形凹槽的内底面用60微米厚的双面胶平整贴上一层50厚的杜邦聚酰亚胺(PI)薄膜。将PI薄膜表面用无水乙醇和去离子水清洗干净。将模具放入CO2红外激光雕刻机内并调节激光发射器的高度让PI薄膜上表面刚好位于激光光路的焦点位置，使用功率为5W，扫描速度为100mm/s的激光对PI表面按照四路压阻电极设计图案进行雕刻以诱导多孔石墨烯。将与正己烷按照质量比1:1进行混合后的PDMS倒入铝合金模具，让PDMS将激光诱导石墨烯完全覆盖，并使用玻璃棒将高出模具部分的PDMS擀平。将铝合金模具放置在通风橱里的热板上于室温下静置8小时让PDMS充分渗透进入激光诱导石墨烯的多孔结构内，然后使用80℃加热1小时30分使PDMS充分固化，将PDMS从PI薄膜表面揭下，获得转移了LIG激光诱导石墨烯的PDMS薄膜(第4层结构)。
4)使用环形双面胶将步骤2)制作好的具有圆形凹槽的PDMS结构(第2层结构)的下底面与下底面贴覆了等面积铜胶带的FEP薄膜(第1层结构)的上底面相粘接。
5)使用CO2红外激光雕刻机切割出圆形的PET薄膜，将圆形PET薄膜(第3层结构)与步骤4)制作好的结构的上底面对准后键合，并将步骤3)制作的转移了LIG的PDMS薄膜(第4层结构)的LIG未暴露出来一侧的表面与圆形PET薄膜(第3层结构)的上表面和具有圆形凹槽的PDMS结构(第2层结构)的上底面的未被PET薄膜遮挡部分对准后键合。
6)在步骤5)制作好的结构的LIG暴露出来一侧的PDMS表面(第4层结构)的LIG引线接口处均匀涂覆银浆，并在银浆中插入银丝作为引线，将整个结构放入烘箱使用120℃烘烤40分钟让银浆充分固化，在LIG暴露出来一侧的PDMS表面浇覆一层未固化PDMS，使用这层PDMS将步骤2)制作出的圆台PDMS结构(第5层结构)的下底面与制作好的整个结构对准后粘接在一起，放入烘箱使用80℃烘1小时30分，完成传感器的制作。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种使用触滑觉传感器测量触滑觉的方法，其特征在于,所述触滑觉传感器包括紧密组合在一起的5层结构，按照从下往上的顺序，第1层为底面覆盖导电材料的有机高分子薄膜，第2层为中心具有一个凹槽的有机材料，所述凹槽的开口朝向第1层并且所述凹槽内部均匀分布着高度等于凹槽深度的凸起阵列，第2层的除了所述凹槽之外的区域与第1层紧密连接在一起，所述凹槽内部的凸起阵列与第1层表面接触，并且在传感器受到剪切力作用时发生分离，第3层为有机高分子薄膜，第4层为绝缘薄膜，所述绝缘薄膜上表面均匀分布有多个压阻薄膜，第5层为上底面小于下底面的圆台结构，其中所述第1层和所述第3层为驻极体，所述第2层的有机材料上表面的几何中心、所述第3层的有机高分子薄膜的几何中心、所述第4层的多个压阻薄膜的分布中心以及所述第5层的圆台结构的圆心对齐；
所述方法包括：当滑动物体与所述触滑觉传感器的第5层圆台结构接触时，所述圆台结构发生侧弯，并使得第1层和第3层的驻极体材料之间的间距发生变化，从而在第1层驻极体薄膜的底面的导电材料中静电感应出感生电荷，所述导电材料产生的电流由测试仪器测量，处理器根据测量得到的电流信号的峰值解算出滑动物体的滑动速度,并根据测量到的第4层多个压阻薄膜的电阻值解算出滑动物体的滑动方向；当静态的空间力作用于所述触滑觉传感器的第5层圆台结构时，第4层的多个压阻薄膜的阻值发生变化，通过测试仪器测量多个压阻薄膜各自的阻值变化率，处理器根据测量的阻值变化率解算出空间力的x,y,z三轴分量的大小，从而得到空间力的总大小及方向。
2.一种制作触滑觉传感器的方法，其特征在于,所述触滑觉传感器包括紧密组合在一起的5层结构，按照从下往上的顺序，第1层为底面覆盖导电材料的有机高分子薄膜，第2层为中心具有一个凹槽的有机材料，所述凹槽的开口朝向第1层并且所述凹槽内部均匀分布着高度等于凹槽深度的凸起阵列，第2层的除了所述凹槽之外的区域与第1层紧密连接在一起，所述凹槽内部的凸起阵列与第1层表面接触，并且在传感器受到剪切力作用时发生分离，第3层为有机高分子薄膜，第4层为绝缘薄膜，所述绝缘薄膜上表面均匀分布有多个压阻薄膜，第5层为上底面小于下底面的圆台结构，其中所述第1层和所述第3层为驻极体，所述第2层的有机材料上表面的几何中心、所述第3层的有机高分子薄膜的几何中心、所述第4层的多个压阻薄膜的分布中心以及所述第5层的圆台结构的圆心对齐；所述方法包括以下步骤：
1)首先准备两个模具，其中一个模具的上表面为一个凹槽结构，凹槽的内底面有一个凸台，凸台的高度小于凹槽的深度，凸台上表面具有均匀分布的小凹槽阵列，并且小凹槽的深度与凸台的高度相等；另一个模具的上表面为一个圆台凹槽结构，其中圆台凹槽的下底面圆的直径小于其上底面圆的直径；
2)使用所述两个模具分别制作第2层结构和第5层结构；
3)制作上表面带有压阻薄膜的第4层结构；
4)将第2层结构的下底面与下底面贴覆了导电材料的第1层结构的上底面相粘接；
5)制作第3层结构，与步骤4)制作好的结构的上底面对准后键合，并将步骤3)制作的第4层结构的下表面与第3层结构的上表面和第2层结构的上底面未被第3层结构遮挡的部分对准后键合；
6)在第4层结构的压阻薄膜上制作引线，并将步骤2)制作出的第5层结构的下底面与制作好的整个结构对准后粘接在一起。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于,所述凹槽为圆形的凹槽，所述第3层为圆形的有机高分子薄膜。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于,所述第3层的圆形有机高分子薄膜的直径不大于第2层的圆形凹槽的直径。
5.如权利要求2至4任一项所述的方法，其特征在于,所述凸起阵列为半球凸起结构、金字塔凸起结构、圆锥凸起结构、棱柱凸起结构、圆台凸起结构、棱台凸起结构中的任一种结构或多种结构组合的阵列。
6.如权利要求2至4任一项所述的方法，其特征在于,所述凸起阵列为多重环形分布的凸起阵列。
7.如权利要求2至4任一项所述的方法，其特征在于,所述第2层的有机材料的厚度大于所述凸起阵列的高度并且小于等于所述凸起阵列的高度的3倍。
8.如权利要求2至4任一项所述的方法，其特征在于,所述多个压阻薄膜为四个等面积的压阻薄膜。
9.如权利要求2至4任一项所述的方法，其特征在于,具备以下配置中的一种或多种：
所述第1层的有机高分子薄膜材料选用FEP、PET或PTFE；
所述第1层的导电材料选用铜、银或铝，厚度为2微米至200微米；
所述第2层的有机材料为PDMS或ecoflex；
所述第3层的有机高分子薄膜材料为PET；
所述第4层的绝缘薄膜的材料为PDMS或ecoflex；
所述第4层的压阻薄膜的材料为激光诱导多孔石墨烯或碳纳米管；
所述第4层的压阻薄膜的压阻区域为蛇形图案；
所述第5层的圆台结构的材料为PDMS或ecoflex。
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