CN110132461B - 一种基于多孔结构的可更换式柔性传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多孔结构的可更换式柔性传感装置。主要由等距离阵列排布的柔性感知层、柔性电极层和柔性基底从上到下依次紧密组装构成，柔性感知层中阵列的每个柔性多孔压力传感单元的底面两侧均设置有条形凸起，两个条形凸起正下方的柔性基底表面开设狭缝，条形凸起过盈配合装到狭缝中；柔性电极层包括上下层电极阵列和中间绝缘隔离层，每个柔性多孔压力传感单元的底面下方设置有上下层电极片，上下层电极片之间通过绝缘片隔离绝缘；柔性感知层顶面为针对安装平面的几何形状而设计的凸起结构。本发明是可拆装卸的，可更换，有效降低该种柔性传感装置的柔性基底与印制电路的更换成本，提高柔性传感阵列的疲劳耐用性。

Description

一种基于多孔结构的可更换式柔性传感装置

技术领域

本发明涉及了一种传感装置，特别是涉及了一种基于多孔结构的可更换式柔性传感装置。

背景技术

目前，服务型机器人作为一种最贴近人们生活的机器人正在逐渐进入日常生产和生活，对人类社会发展起着日益重大的影响。

在人与服务型机器人进行交互的过程中，安全性是最为基础与重要的环节。触觉作为信息感知的一种关键方式，可辅助服务型机器人在多元复杂的环境下完成预期动作、进行人与机器人安全交互。敏感皮肤通常由成千上万个传感器组成，需要柔软可变形的切换控制阵列。

目前，被广泛使用的柔性触觉传感器多为整体式结构，少有可拆卸式的传感阵列。现有的这种整体式结构在部分传感器失灵的情况下，只能通过整体传感阵列的更换来解决该问题，这就造成了传感器更换的高成本与浪费问题，

发明内容

为了解决整体式柔性传感器的更换问题以及实现柔性触觉传感器阵列的个性化排列，以适应不同安装位置对传感精度的要求。本发明提出了一种基于多孔结构的可更换式柔性传感装置，可以应用于人机交互中的安全防撞电子皮肤。

本发明通过拆卸单个的柔性多孔压力传感单元来解决部分传感器失灵的问题，节约柔性基底与印制柔性电路的更换成本，减少不必要的浪费。同时由于该发明的可拆卸性，在使用该基于多孔结构的可更换式柔性传感装置可以依据应用场景来选择适用的柔性多孔压力传感单元。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：

本发明主要由等距离阵列排布的可拆卸的柔性感知层、柔性电极层和柔性基底从上到下依次紧密组装构成，柔性感知层主要由多个间隔阵列排布的柔性多孔压力传感单元组成，每个柔性多孔压力传感单元的底面两侧均设置有条形凸起，两个条形凸起正下方的柔性基底表面开设狭缝，条形凸起的形状尺寸稍大于狭缝，使得条形凸起过盈配合装到狭缝中；所述的柔性电极层包括下层电极阵列、中间绝缘隔离层和上层电极阵列；上层电极阵列主要由多个间隔阵列排布的上层电极片组成，所有上层电极片通过引出电线引出连接到外部分析电路，下层电极阵列主要由多个间隔阵列排布的下层电极片组成，所有下层电极片通过引出电线引出连接到外部分析电路，中间绝缘隔离层主要由多个间隔阵列排布的绝缘片组成；每个柔性多孔压力传感单元的底面下方设置有一片上层电极片和一片下层电极片，上层电极片和下层电极片的引出电线之间通过绝缘片隔离绝缘；所述柔性基底底面贴合到外部的安装平面，且柔性感知层顶面为针对安装平面的几何形状而设计的凸起结构。

所述柔性电极层中的下层电极阵列、上层电极阵列作为电学信号传输通道与外部分析电路相连接。

所述柔性电极层中的中间绝缘隔离层作为下层电极阵列、上层电极阵列之间的绝缘物质将下层电极阵列、上层电极阵列隔离开来，避免两者串通。

所述柔性多孔压力传感单元的整体形状包括但不仅限于拱形，具体为长方体、半圆主体或者三棱柱体及其底部的两个平行的条形凸起连接构成。

所述的柔性多孔压力传感单元是通过将包括但不限于成型好的三聚氰胺海绵浸泡入包括但不限于碳纳米管等含敏感导电材料的溶液中再取出，或将碳纳米管等含敏感导电材料的溶液滴在三聚氰胺海绵上；然后烘干，再用正己烷溶液进行清洗，然后再烘干制成获得。制备获得的柔性多孔敏感压力传感单元具有多孔结构，内部形成了微观丝状导电通路。

所述柔性基底呈方形但不仅限于方形。

所述柔性基底的材料包括但不限于聚对苯二甲酸类塑料(PET)。

所述柔性电极层通过包括但不仅限于喷墨打印等图案化方法沉积在柔性基底表面。

所述柔性电极层中的下层电极阵列、上层电极阵列的材料包括但不限于铜(Cu)，中间绝缘隔离层的材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

所述的柔性感知层为包括但不仅限于柔性多孔压力传感单元所组成的8×8排布阵列。

外力作用在柔性多孔压力传感单元上可以使单元产生几何形变，继而改变单元内部的微观丝状导电通路数目，引发电阻值的改变。该电阻值的变化，可以反应外界施加在柔性感知层上的力的大小。

本发明包含柔性基底、柔性电极层和柔性感知层从下到上依次紧密组装构成的柔性传感阵列。柔性感知层由多个等间隔均布的柔性多孔压力传感单元构成；柔性电极层包括下层电极阵列、中间绝缘隔离层和上层电极阵列。柔性电极层通过图案化方法沉积在柔性基底表面，柔性多孔压力传感单元通过柔性基底上的狭缝等间隔地安装到柔性电极层上。外力作用在柔性多孔压力传感单元上可以使单元产生几何形变，继而改变单元内部的微观丝状导电通路数目，引发电阻值的改变。该电阻值的变化，可以反应外界施加在柔性感知层上的力的大小。

本发明的可更换式是体现通过将柔性多孔压力传感单元的底部的几何形状装配进入柔性基底，使柔性多孔压力传感单元与柔性基底上的柔性电极层相接触。利用摩擦力使柔性多孔压力传感单元过盈配合固定到柔性基底上并可拆卸，使得仅更换传感单元即可，解决了现有技术中传感单元和基底一起换的技术问题。由于装配关系选用可拆卸的方式，所以当部分柔性多孔压力传感单元失效的情况下，可以将部分失效的柔性多孔压力传感单元拆下，而保留原有的柔性基底上的柔性电极层以及未失效柔性多孔压力传感单元，更换新的柔性多孔压力传感单元。

本发明特殊制备了柔性多孔压力传感单元，并且针对不同的安装平面采用不同表面形状的柔性多孔压力传感单元，使得按压时，能够增强多孔结构产生应力集中，使柔性多孔压力传感单元在感受到外力的时候多孔结构尽可能产生较为明显的应力集中的效应，以使得增大柔性多孔敏感压力传感单元的形变量，继而，增大单元内部多孔结构的导电通路的改变数目，使得增强电学量的变化，实现了高灵敏度的压力传感检测。

本发明其有益效果为：

本发明可更换式柔性传感装置能够方便更换，减少更换的成本，可安装不同形状、不同敏感导电材料的柔性多孔压力传感单元以适应传感需求。

由于本装置多孔结构的存在，使得物体在触碰到多孔结构时，传感器获得触觉感知，从而提高安全性能。

本装置为柔性多孔传感结构，能有效缓冲物体(譬如人体)与传感装置的接触。

附图说明

图1为本发明可更换式柔性传感装置的结构示意图；

图2为本发明可更换式柔性传感装置的轴测图；

图3为本发明可更换式柔性传感装置的感知单元装配示意图；

图4为本发明可更换式柔性传感装置的不同感知单元结构图。

图5a为顶部形状为哑铃形(如图4a所示)的柔性多孔压力传感单元动态压力测试结果图。

图5b为顶部形状为长方体(如图4b所示)的柔性多孔压力传感单元动态压力测试结果图。

图5c为顶部形状为三棱柱(如图4c所示)的柔性多孔压力传感单元动态压力测试结果图。

图6a为顶部形状为哑铃形(如图4a所示)的柔性多孔压力传感单元静态标定测试结果图。

图6b为顶部形状为长方体(如图4b所示)的柔性多孔压力传感单元静态标定测试结果图。

图6c为顶部形状为三棱柱(如图4c所示)的柔性多孔压力传感单元静态标定测试结果图。

图中：柔性感知层1、柔性多孔压力传感单元101、上层电极阵列2、中间绝缘隔离层3、下层电极阵列4、柔性基底5、狭缝501。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明具体实施包含柔性基底5、排布在柔性基底5上的柔性电极层2、3、4以及柔性多孔压力传感单元101，柔性多孔压力传感单元101在柔性基底5上表面呈等间隔阵列排布，形成柔性多孔压力传感阵列1，柔性多孔压力传感阵列1，柔性电极层2、3、4与柔性基底5的组成一种基于多孔结构的可更换式柔性传感装置。

具体由等距离阵列排布的可拆卸的柔性感知层1、柔性电极层2、3、4和柔性基底5从上到下依次紧密组装构成，柔性感知层1主要由多个间隔阵列排布的柔性多孔压力传感单元101组成，每个柔性多孔压力传感单元101的底面两侧均设置有条形凸起，两个条形凸起平行布置，两个条形凸起正下方的柔性基底5表面开设狭缝501，狭缝501在柔性基底5上等距离排布，条形凸起的形状尺寸稍大于狭缝501，使得条形凸起过盈配合装到狭缝501中。柔性基底5底面贴合到外部的安装平面，使可更换式柔性传感装置各层联结为传感器统一整体，且柔性感知层1顶面为针对安装平面的几何形状而设计的凸起结构。

柔性电极层2、3、4包括下层电极阵列4、中间绝缘隔离层3和上层电极阵列2；上层电极阵列2主要由多个间隔阵列排布的上层电极片组成，所有上层电极片通过引出电线引出连接到外部分析电路，所有上层电极片通过引出电线连接到同一端，下层电极阵列4主要由多个间隔阵列排布的下层电极片组成，所有下层电极片通过引出电线引出连接到外部分析电路，所有下层电极片通过引出电线连接到同一端，中间绝缘隔离层3主要由多个间隔阵列排布的绝缘片组成；上下层电极片和绝缘片的数量和柔性多孔压力传感单元101数量相同且一一对应，每个柔性多孔压力传感单元101的底面下方设置有一片上层电极片和一片下层电极片，上层电极片和下层电极片的引出电线之间通过绝缘片隔离绝缘。

由于外力的作用会使得柔性多孔压力传感单元101发生几何形变，从而导致柔性多孔压力传感单元101内部的导电通路数目发生改变，进而电阻值发生变化。通过监测柔性多孔压力传感单元101电学参数电阻值的大小可用于检测外力大小。

柔性多孔压力传感单元101呈拱状结构，但不仅限于拱状结构；其底部具有几何形状具有能装配进狭缝501的几何形状，在安装时，只需将柔性多孔压力传感单元101底部的几何形状塞入狭缝501即可，柔性多孔压力传感单元101的轴线与狭缝501平行；装配完成后，柔性多孔压力传感单元101与底部柔性电极层5略微接触。

柔性基底上的柔性电极层2、3、4呈叉指结构，每个电极含有3个叉指结构交叉排列，电极以及外部的单片机分析电路通过欧姆定律监测柔性多孔压力传感单元101的阻值。然后将信号发送至外部的计算机分析设备，从而进行反馈和相应安全策略的实施。

安装后非按压情况下，柔性多孔压力传感单元101与柔性电极层2、3、4略微接触；

按压下，柔性多孔压力传感单元101发生弹性形变，受按压力作用向按压力的方向发生弯曲与压缩，柔性多孔压力传感单元101内部导电通路数目发生改变，同时柔性多孔压力传感单元101与柔性电极层2、3、4接触面积增大，引发两电极之间的阻值发生变化。

具体实施的可更换式柔性传感装置底部的柔性基底5上的柔性电极层2、3、4可通过但不仅限于喷墨打印等图案化方法沉积与柔性基底5连接成一体，柔性电极层2、3、4的端口处可接单片机等分析电路。

具体实施的可更换式柔性传感装置的柔性多孔压力传感单元101是通过将包括但不限于三聚氰胺海绵浸泡入包括但不限于碳纳米管等含敏感导电材料的溶液中，或将碳纳米管等含敏感导电材料的溶液滴在海绵上，然后烘干；再用正己烷溶液进行清洗，然后再烘干制得。

使用本装置时，柔性基底5不具有感知功能的下表面，贴合待检测区域，可更换式海绵传感阵列感知外力的大小。

具体实施的可更换式柔性传感装置上的柔性多孔压力传感单元布置方式为包括但不限于8×8阵列，更高阶阵列结构形式相同。更高阶的阵列结构具有更加多的柔性多孔压力传感单元101，可以实现更高精度的压力传感。

具体实施的可更换式柔性传感装置在不同的应用场景之下，可选择可以安装不同形状、不同敏感导电材料的柔性多孔压力传感单元101以适应传感需求。例如，在人机安全应用中，机器人皮肤所起的作用为感知碰撞存在与否，所以相应的基于多孔结构的可更换式柔性传感装置只需要具有力的粗略感知能力即可。相应的柔性多孔压力传感单元101对压力的感知精度以及柔性多孔压力传感单元101的安装密度可以适当降低，但要求其具备较大的压力感知范围，同时其对柔性多孔压力传感单元101的杨氏模量要求也相应较低。但在机械手抓取物体的应用场合中，机械手上的柔性多孔压力传感单元101对压力的感知精度以及柔性多孔压力传感单元101的安装密度就会要求较高，对其压力感知范围要求较低，以感知细微的压力变化，同时，机械手在抓取易碎物品时，其对柔性多孔压力传感单元101的杨氏模量要求就会较高，以保证物体的完整性。

柔性多孔压力传感单元101的对压力的感知精度与压力感知范围可通过改变敏感导电材料种类、浓度或者是改变柔性多孔压力传感单元101的结构的方式加以改变。杨氏弹性模量的调节可通过向敏感导电材料溶液中加入聚二甲基硅氧烷PDMS不同比例的预聚物：固化剂，来调节柔性多孔压力传感单元101杨氏弹性模量。

制成柔性基底5的材料为柔性材料，柔性材料包括但不限于聚对苯二甲酸类塑料(PET)；柔性多孔压力传感单元101的材料包括但不限于三聚氰胺；敏感导电材料包括但不仅限于碳纳米管；上、下电极层2、4所用材料包含但不限于铜(Cu)；中间绝缘隔离层的材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷PDMS。

如图2所示，本发明在将柔性基底5、柔性电极层2、3、4以及柔性多孔压力传感单元101所组成的柔性多孔压力传感阵列1安装在一起后形成完整的基于多孔结构的可更换式柔性传感装置，其轴测图如图2所示。

如图3所示，本发明的每一个感知单元都包含两个狭缝501，柔性电极层2、3、4中上下电极层2、3可呈但不仅限于叉指状电极。将柔性电极层通过图案化沉积的方法固定在柔性基底501上，柔性多孔压力传感单元101底部的几何形状安装进两个狭缝501中即可完成一个感知单元的装配。

如图4所示，本发明的柔性多孔压力传感单元101装配到柔性基底2上的过程只与狭缝与柔性多孔压力传感单元101底部的几何形状尺寸有关，而与柔性多孔压力传感单元101上部的形状无关。那么，所以可以采用不同形状的柔性多孔压力传感单元101如：a长方体，b半圆柱体，c三棱柱，分别如图4a～图4c所示，或是其他更加复杂的有利于压力感知的结构。

实施例1

本0.2N～1N的往复循环力加载试验的试验条件为：拉压试验机以300mm/min的加载速度对柔性多孔压力传感单元101进行拉压试验，该试验作用到传感单元上的最小压力为0.2N，最大压力为1N。

针对0.2N～1N的往复循环力加载实验，采用哑铃体形状如图4a所示的柔性多孔压力传感单元101的传感检测结果如图5a所示：电阻变化比例(变化电阻与静态电阻的比值)为110％；采用长方体形状如图4b所示的柔性多孔压力传感单元101的传感检测结果如图5b所示：电阻变化比例(变化电阻与静态电阻的比值)为70％；采用三棱柱体形状如图4c所示的柔性多孔压力传感单元101的传感检测结果如图5c所示：电阻变化比例(变化电阻与静态电阻的比值)为25％

由此可以说明，在动态压力施加条件下，不同几何形状的传感单元具有不同的灵敏度特性。因此，本发明可更换式柔性传感装置的可更换特性允许使用者在不同的使用条件下自由选择适合的具有不同灵敏度的传感单元。

实施例2

本静态力标定实验的试验条件为：拉压试验机以5mm/min的加载速度对柔性多孔压力传感单元101进行静态压力试验，该试验作用到传感单元上的最大压力为2N。

针对静态力标定实验的试验，采用哑铃体形状如图4a所示的柔性多孔压力传感单元101的传感检测结果如图6a所示，当静态压力范围为0-0.3N时，该传感单元的灵敏度为0.90N^-1；当静态压力范围为0.3-1.3N时，该传感单元的灵敏度为-0.84N^-1；当静态压力范围为1.3-2.0N时，该传感单元的灵敏度为-0.10N^-1。采用长方体形状如图4b所示的柔性多孔压力传感单元101的传感检测结果如图6b所示；当静态压力范围为0-0.25N时，该传感单元的灵敏度为0.80N^-1；当静态压力范围为0.25-1.7N时，该传感单元的灵敏度为-0.47N^-1；当静态压力范围为1.7-2.0N时，该传感单元的灵敏度为-0.20N^-1。采用三棱柱体形状如图4c所示的柔性多孔压力传感单元101的传感检测结果如图6c所示,当静态压力范围为0-0.7N时，该传感单元的灵敏度为0.02N^-1；当静态压力范围为0.7-1.6N时，该传感单元的灵敏度为-0.38N^-1；当静态压力范围为1.6-2.0N时，该传感单元的灵敏度为-0.17N^-1。

由此可以说明，在静态压力施加条件下，不同几何形状的传感单元具有不同的灵敏度特性。因此，本发明可更换式柔性传感装置的可更换特性允许使用者在不同的使用条件下自由选择适合的具有不同灵敏度的传感单元。

实施例3

针对机械灵巧手表面的传感阵列，可采用装配有长方体形状如图4b所示的柔性多孔压力传感单元101的阵列。一方面接触面积相对较大，防止抓取物体的滑落与松脱；二是在本传感阵列中长方体形状的多孔压力传感单元相对敏感，适宜于应用于机械灵巧手等精准操作机械中。

针对人机交互机器人表面的传感阵列，可采用装配有三棱柱形状如图4c所示的柔性多孔压力传感单元101的阵列。一方面机器人表面面积较大，采用体积较小的单元能够有效地节省材料；二是在本传感阵列中三棱柱形状的多孔压力传感单元相对不敏感，防止在人机交互过程中，因传感器过于敏感而产生的误报警问题。

当部分柔性多孔压力传感单元101失效的情况下，可以将失效的柔性多孔压力传感单元101拆下，而保留原有的柔性基底5上的柔性电极层2、3、4以及未失效柔性多孔压力传感单元101，再失效部分的柔性多孔压力传感单元101位置处安装上新的柔性多孔压力传感单元101即可。

由于柔性多孔压力传感单元101装配到柔性基底上的过程只与狭缝与柔性多孔压力传感单元101底部的几何形状尺寸有关，而与柔性多孔压力传感单元101上部的形状以及导电材料无关。那么，在综合考虑不同形状、不同敏感导电材料柔性多孔压力传感单元101的加工成本以及传感精度之后，一个基于多孔结构的可更换式柔性传感装置可以安装不同形状、不同敏感导电材料的柔性多孔压力传感单元101以适应传感需求。

由此可见，本发明的传感阵列中的各个柔性多孔压力传感单元与沉积有柔性电极层的柔性基底是相互分离的，可拆装卸的，因此本柔性传感阵列上的柔性多孔压力传感单元可更换，可以有效降低该种柔性传感装置的柔性基底与印制电路的更换成本，提高柔性传感阵列的疲劳耐用性。根据应用场景更换适用的柔性多孔压力传感单元，可扩大该传感阵列的应用范围，简单易用。

Claims (5)

1.一种基于多孔结构的可更换式柔性传感装置，其特征在于：主要由等距离阵列排布的可拆卸的柔性感知层(1)、柔性电极层(2、3、4)和柔性基底(5)从上到下依次紧密组装构成，柔性感知层(1)主要由多个间隔阵列排布的柔性多孔压力传感单元(101)组成，每个柔性多孔压力传感单元(101)的底面两侧均设置有条形凸起，两个条形凸起正下方的柔性基底(5)表面开设狭缝(501)，条形凸起的形状尺寸稍大于狭缝(501)，使得条形凸起过盈配合装到狭缝(501)中；

所述的柔性电极层(2、3、4)包括下层电极阵列(4)、中间绝缘隔离层(3)和上层电极阵列(2)；上层电极阵列(2)主要由多个间隔阵列排布的上层电极片组成，所有上层电极片通过引出电线引出连接到外部分析电路，下层电极阵列(4)主要由多个间隔阵列排布的下层电极片组成，所有下层电极片通过引出电线引出连接到外部分析电路，中间绝缘隔离层(3)主要由多个间隔阵列排布的绝缘片组成；每个柔性多孔压力传感单元(101)的底面下方设置有一片上层电极片和一片下层电极片，上层电极片和下层电极片的引出电线之间通过绝缘片隔离绝缘；所述柔性基底(5)底面贴合到外部的安装平面，且柔性感知层(1)顶面为针对安装平面的几何形状而设计的凸起结构；

所述柔性多孔压力传感单元(101)的整体形状包括拱形，具体为长方体、半圆主体或者三棱柱体及其底部的两个平行的条形凸起连接构成；

所述的柔性多孔压力传感单元(101)是通过将成型好的三聚氰胺海绵浸泡入碳纳米管含敏感导电材料的溶液中再取出，或将碳纳米管含敏感导电材料的溶液滴在三聚氰胺海绵上；然后烘干，再用正己烷溶液进行清洗，然后再烘干制成获得；

针对不同的安装平面采用不同表面形状的柔性多孔压力传感单元，使得按压时，能够增强多孔结构产生应力集中，使柔性多孔压力传感单元在感受到外力的时候多孔结构尽可能产生较为明显的应力集中的效应，以使得增大柔性多孔敏感压力传感单元的形变量，继而，增大单元内部多孔结构的导电通路的改变数目，使得增强电学量的变化，实现了高灵敏度的压力传感检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的可更换式柔性传感装置，其特征在于：所述柔性基底(5)的材料包括聚对苯二甲酸类塑料（PET）。

3.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的可更换式柔性传感装置，其特征在于：所述柔性电极层(2、3、4)通过喷墨打印图案化方法沉积在柔性基底(5)表面。

4.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的可更换式柔性传感装置，其特征在于：所述柔性电极层(2、3、4)中的下层电极阵列(4)、上层电极阵列(2)的材料包括铜(Cu)，中间绝缘隔离层的材料包括聚二甲基硅氧烷 (PDMS)。

5.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的可更换式柔性传感装置，其特征在于：所述的柔性感知层(1)为柔性多孔压力传感单元(101)所组成的8×8排布阵列。

Images