CN110542494A - 一种基于复合结构介质层的电容式柔性三维力触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合结构介质层的电容式柔性三维力触觉传感器，包括：下柔性衬底、下电容极板、复合结构介质层、绝缘隔离层、上电容极板、上柔性衬底、表面凸起层。上、下电容极板均为2×2排列的四块长方形结构，且上、下电容极板正对面为正方形，复合结构介质层包括介质底层、“田”字型介质墙、以及位于“田”字型四个方形区域内的微圆柱阵列；表面凸起层上具有底面为正方形的长方体凸起，长方体凸起仅部分覆盖上下电容极板的四个正方形正对面。本发明的传感器采用独特的结构设计可以在一定范围内调节力测量范围和灵敏度，减小在对准制备和测量过程中电容极板发生相对平移带来的误差，降低未来阵列化时相邻传感器间的干扰，有利于实际应用。

Description

一种基于复合结构介质层的电容式柔性三维力触觉传感器

技术领域

本发明涉及柔性触觉传感器技术领域，特别涉及一种基于复合结构 介质层的电容式柔性三维力触觉传感器。

背景技术

触觉传感器可以通过一定的触碰方式获取物体的接触力信息，并进 一步分析接触力的时间、大小、方向及分布特征，从而实现对物体的形 状、质量、纹理、表面粗糙度等物理特性的感知。为了满足实际应用中 的非平面情况，能够弯曲贴合在曲面上的柔性触觉传感器受到了越来越 多的关注。为了帮助机器人实现交互传感和复杂动作，三维力的检测和解耦成为了一个重要的研究方向。

其中，基于电容原理的柔性触觉传感器因其具有高灵敏度、适合静 态和动态测量的优点而被广泛研究。常规的电容式三维力触觉传感器的 基本结构包含表面凸起、上下电容极板和介质层。

在介质层方面，研究主要集中于结构设计，例如：密歇根大学 Hyung-Kew Lee课题组提出了“田”字型PDMS墙式介质层结构设计， 罗丞曜课题组采用了PDMS立柱结构的介质层设计，合肥工业大学黄英 课题组采用了长方体气腔式介质层设计，浙江大学汪延成课题组提出了 PDMS金字塔阵列结构的介质层设计。以上结构相对于纯介质结构而言， 大大提高了传感器的灵敏度，但尚存在一定的问题，很多研究没有考虑 传感器制备时的对准问题，特别是微结构设计的介质层与电容极板间的 对准。此外，一般而言，由于空气更容易被压缩，介质层结构中空气比 例越高，电容极板初始初始间距相同的电容，其变化灵敏度越高，测量 范围越小。一些介质层结构设计为了提高灵敏度而过度牺牲了测量范 围，甚至使得传感器只能测量15mN范围内的力。

在电容极板的设计方面，瑞士联邦理工学院J A Dobrzynska等了设 计了电容极板为梳齿电极结构的柔性三维力触觉传感器，通过电容极板 的正对面积变化来反映切向力信息，性能较为稳定，但该传感器由于对 准的高要求限制了制备工艺只能采用逐层加工的方式，从而只能选用均 一的纯固体介质层结构，限制了传感器的灵敏度。罗丞曜课题组在不对 称电极设计上提出了许多创新的结构设计，但为了便于对准，器件的空 间分辨率较低，尺寸普遍在8.5mm×8.5mm以上。大多数研究仍采用了 上下正对的正方形结构设计作为电容极板结构，但结构相对复杂的介质 层设计，只能采用逐层制备、集合封装的工艺，在各层贴合对准过程中 上、下电容极板与介质层的对准时的平移误差并没有被充分考虑，并且 在测量过程中，加载切向力时也会带来上、下电容极板的相对平移。

此外，基于电容原理的柔性触觉三维力传感器容易受到环境干扰， 不可避免地存在寄生电容的问题，特别是，在实际应用场景下，加载力 的过程中将引入寄生电容；尤其是当通过导电物体对表面凸起加载力 时，导电物体与电容极板间会产生寄生电容，从而给传感器的测量带来 较大的干扰。

将电容式柔性触觉三维力传感器阵列化后，在对其中一个传感器加 载力时，会对相邻的传感器产生一定的干扰，现有的研究几乎没有考虑 这个问题。

发明内容

针对以上所述的问题，本发明提出了一种易于对准、性能稳定、灵 敏度和测量范围可调节的、具有未来阵列化潜力的基于复合结构介质层 的电容式柔性三维力触觉传感器。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于复合结构介质层的电容式柔性三维力触觉传感器，该传感 器是通过2×2个相同结构的电容的变化来反馈所加载的三维力；该传感 器从下至上依次包括下柔性衬底、下电容极板、复合结构介质层、绝缘 隔离层、上电容极板、上柔性衬底、表面凸起层；

所述的上、下电容极板结构相同，均包括：2×2排列的四块长方形 结构且同一列的两块长方形结构通过引线相连；上电容极板中的长方形 结构与下电容极板中的长方形结构呈十字型层叠关系，二者的正对面为 正方形；

所述的复合结构介质层包括固连的：介质底层、及设于介质底层上 的“田”字型介质墙、以及位于“田”字型四个方形区域内的微圆柱阵列； 上、下电容极板的四个正方形正对面的中心与上述“田”字型四个方形区 域的中心在法向投影重合；

所述的表面凸起层上具有一个底面为正方形的长方体凸起，其中心 和上、下电容极板的中心在法向投影重合，且长方体凸起仅部分覆盖上 下电容极板的四个正方形正对面。

上述技术方案中，进一步的，所述的上、下柔性衬底通常采用PI 材质。

进一步的，所述的复合结构介质层和绝缘隔离层可以采用PDMS， 且制备时PDMS树脂与固化剂的质量比根据实际需要在7.5:1～20:1范 围内调节。

进一步的，所述的表面凸起层采用PDMS，且制备时PDMS中树脂 与固化剂的质量比为7.5:1。这样设计可以保证整体传感器作为柔性器件 的同时，可尽可能的减小表面凸起因形变对最终检测结果准确度的影 响。

进一步的，所述的长方体凸起的高度是复合结构介质层及绝缘隔离 层总厚度的30倍以上，该距离的设置非常关键，因为加载力的过程中 极有可能引入寄生电容；尤其是当通过导电物体对表面凸起加载力时， 导电物体与电容极板间会产生寄生电容，从而给传感器的测量带来较大 的干扰，在本发明中设置。

进一步的，所述的复合结构介质层为一体成型制备。

本发明的有益效果是：

1.本发明的电容式柔性三维力触觉传感器具有良好的柔性，可以在 保证电极导电性的同时实现弯曲变形，使得传感器可以在曲面上安装， 适合实际的应用场景。

2.本发明的电容式柔性三维力触觉传感器中每个电容的上下极板 对为互相垂直的长方形结构，呈现十字型层叠关系，极板对的正对面积 为正方形，在四个水平方向的边缘上留有一定的余量面积，可以减小在 对准制备和测量过程中电容极板发生相对平移带来的误差，并且本发明 的电容极板引线排布较为简单，具有未来阵列化的潜力。

3.本发明的电容式柔性三维力触觉传感器主要采用介质底层、“田” 字型介质墙和微圆柱阵列相结合的介质层结构设计。可以通过尺寸较大 的“田”字型介质墙来在层间贴合时进行对准，极大的减小误差，通过改 变单个微圆柱的直径、间距与行列数量等参数可以调节传感器的测量量 程和灵敏度。

4.本发明的电容式柔性三维力触觉传感器的表面凸起设计可减少寄 生电容的影响，同时在一定程度上控制了未来阵列化时相邻传感器间的 干扰。

附图说明

图1为本发明电容式柔性三维力触觉传感器的结构分层示意图；

图2为本发明电容式柔性三维力触觉传感器的(a)下电容极板层 的示意图，(b)上电容极板层的透视示意图，(c)上、下电容极板在封 装时的相对位置关系的俯视示意图；

图3是本发明电容式柔性三维力触觉传感器中复合结构介质层的 (a)示意图，(b)俯视图；

图4是本发明电容式柔性三维力触觉传感器中表面凸起层的(a) 结构示意图和(b)相对于上、下电容极板的位置关系俯视透视图；

图5是本发明电容式柔性三维力触觉传感器的工作原理示意图，(a) 未加载力，(b)加载法向力，(c)加载切向力时的传感器剖视示意图， 其中剖线沿着图3(b)中的直线MN。

图中：1、下柔性衬底，2、下电容极板，3、复合结构介质层，4、 绝缘隔离层，5、上电容极板，6、上柔性衬底，7、表面凸起层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例做进一步说明。

如图1所示，本发明的电容式柔性三维力触觉传感器包含2×2个相 同结构的电容。整个传感器自下而上由下柔性衬底1、下电容极板2、 复合结构介质层3、绝缘隔离层4、上电容极板5、上柔性衬底6、表面 凸起层7构成。其中，如图2(a)所示，下柔性衬底1和下电容极板2 共同组成下电容极板层，如图2(b)所示，绝缘隔离层4、上电容极板 5和上柔性衬底6共同组成上电容极板层。

图2(c)所示反映了电容式柔性三维力触觉传感器的上、下电容极板分 布情况，所述的上电容极板5和下电容极板2结构相同，均包括2×2排 列的四块长方形结构，且同一列的两块长方形结构通过引线相连，上电 容极板中的长方形结构与下电容极板中的长方形结构呈十字型层叠关 系构成一个电容，上下两长方形结构正对面呈正方形，电容极板对在切 向的4个方向上(即沿着+x、-x、+y、-y方向)均设有一定的面积余量， 比如：单个电容极板呈长方形，参考尺寸为1.5mm×1.9mm,上下电容极 板俯视时呈现十字型层叠，两个电容极板的正对面积为1.5mm×1.5mm， 在四个水平方向上(即沿+x、-x、+y、-y方向)上各留有1.5mm×0.2mm 的边缘面积余量，使得电容极板在加工制备和测试过程中即使发生相对 平移时，正对面积也能基本保持不变。

如图3所示，所述的复合结构介质层3采用了“田”字型墙和微圆柱 阵列相结合的复合结构设计，包括介质底层、及设于介质底层上的“田” 字型介质墙、以及位于“田”字型四个方形区域(如2.2mm×2.2mm)内的 微圆柱阵列；微圆柱结构可根据需要调节阵列中各行列上的微圆柱结构 数量、尺寸和间距等参数，以调节传感器的灵敏度和测量范围。上、下电容极板的四个正方形正对面的中心与上述“田”字型四个方形区域的 中心在法向投影重合；

如图4(a)所示，所述的表面凸起层7的重要结构为长方体凸起， 其底面呈正方形，如图4(b)所示，长方体凸起的中心和上、下电容极 板的中心在法向投影应重合，且表面凸起与四个电容极板对的正对面呈 部分覆盖。该长方体凸起结构，其高度是介质层(即复合结构介质层和 绝缘隔离层)厚度的30倍以上，本例中设为1.5mm，可大大降低接触 物材料带来的寄生电容的影响，同时长方体凸起的长宽尺寸小于电容极 板所在区域的边长，该凸起与电容极板的正对面呈半覆盖关系，该设计 在未来将传感器阵列化时可以在一定程度上减少相邻传感器间的干扰， 有利于实际应用。

如图5所示，反映了本发明的电容式柔性三维力触觉传感器的工作 原理。任意一个三维力可分解为一个法向分量和两个互相垂直的切向分 量。图5(a)表示未加载力时的传感器状态。如图5(b)所示，当在 表面凸起上加载法向力时，复合结构的介质层被压缩，传感器的四个电 容的值增加，且由于结构的对称性，电容值增加量相同。如图5(c)所 示，当在表面凸起上加载切向力时，介质层结构形状沿着力加载方向发 生不同的变化：靠近施力一侧的介质层发生拉伸，使得处于该侧的两个 电容减小，而远离施力一侧的介质层发生压缩，使得处于该侧侧的两个 电容增加。具体地，当加载+x方向的切向力时，C11、C21对应的介质 层区域被拉伸，电容值随之减小，C12、C22对应的介质层区域被压缩， 电容值随之增加；当加载-x方向的切向力时，C11、C21对应的介质层 区域被压缩，电容值随之增加，C12、C22对应的介质层区域被拉伸， 电容值随之减小；当加载+y方向的切向力时，C11、C12对应的介质层 区域被压缩，电容值随之增加，C21、C22对应的介质层区域被拉伸， 电容值随之减小；当加载-y方向的切向力时，C11、C12对应的介质层 区域被拉伸，电容值随之减小，C21、C22对应的介质层区域被压缩， 电容值随之增加。上述不同方向加载力情况下四个电容的变化趋势如表 1所示。

表1:不同的加载力情况下四个电容的变化趋势

加载方向	电容C11	电容C12	电容C21	电容C22
					法向+z	+	+	+	+
切向+x	-	+	-	+
					切向-x	+	-	+	-
切向+y	+	+	-	-
					切向-y	-	-	+	+

+：表示电容值增加

-：表示电容值减小

本发明的电容式柔性三维力触觉传感器主要通过电容极板间距来 反应加载力的信息，可按照下述方式解析获取四个电容值信息：

根据平行电容极板公式，可将每个电容在未加载力时的极板间距值d₀和加载力时的极板间距d分别表示为：

其中，C₀表示未加载力时的初始电容值，C表示加载力时的电容值，ε表 示介质层的介电常数，A表示电容极板的正对面积。

那么，电容极板间距变化的有效值Δd_eff可表示为：

将介质层在x、y、z方向上的有效变化量dx、dy、dz分别表达如下：

其中，Δd_eff-ij表示电容C_ij的极板间距变化有效值，i、j取1或2。

将加载的力在x、y、z方向上的分量分别记作Fx、Fy、Fz时，则Fx、 Fy、Fz和dx、dy、dz存在一定的函数关系：

F_x＝f(d_x)

F_y＝g(d_y)

F_z＝h(d_z)

其中函数关系f、g、h可通过传感器标定的数据拟合来获取。

Claims (6)

1.一种基于复合结构介质层的电容式柔性三维力触觉传感器，其特征在于，该传感器是通过2×2个相同结构的电容的变化来反馈所加载的三维力；该传感器从下至上依次包括下柔性衬底、下电容极板、复合结构介质层、绝缘隔离层、上电容极板、上柔性衬底、表面凸起层；

所述的上、下电容极板结构相同，均包括：2×2排列的四块长方形结构且同一列的两块长方形结构通过引线相连；上电容极板中的长方形结构与下电容极板中的长方形结构呈十字型层叠关系，二者的正对面为正方形；

所述的复合结构介质层包括固连的：介质底层、及设于介质底层上的“田”字型介质墙、以及位于“田”字型四个方形区域内的微圆柱阵列；上、下电容极板的四个正方形正对面的中心与上述“田”字型四个方形区域的中心在法向投影重合；

所述的表面凸起层上具有一个底面为正方形的长方体凸起，其中心和上、下电容极板的中心在法向投影重合，且长方体凸起仅部分覆盖上下电容极板的四个正方形正对面。

2.如权利要求1所述的基于复合结构介质层的电容式柔性三维力触觉传感器，其特征在于，所述的上、下柔性衬底采用PI材质。

3.如权利要求1所述的基于复合结构介质层的电容式柔性三维力触觉传感器，其特征在于，所述的复合结构介质层和绝缘隔离层采用PDMS，且制备时PDMS树脂与固化剂的质量比根据实际需要在7.5:1～20:1范围内调节。

4.如权利要求1所述的基于复合结构介质层的电容式柔性三维力触觉传感器，其特征在于，所述的表面凸起层采用PDMS，且制备时PDMS中树脂与固化剂的质量比为7.5:1。

5.如权利要求1所述的基于复合结构介质层的电容式柔性三维力触觉传感器，其特征在于，所述的长方体凸起的高度是复合结构介质层及绝缘隔离层总厚度的30倍以上。

6.如权利要求1所述的基于复合结构介质层的电容式柔性三维力触觉传感器，其特征在于，所述的复合结构介质层为一体成型制备。