CN110763378B - 一种可穿戴式柔性触觉力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴式柔性触觉力传感器。包括具有凸起结构的封装层、中间层及具有微流道结构的基底层，各层通过PDMS加热固化依次进行粘合密封；封装层顶面有球状凸起结构，封装层设有用于将传感器紧密绑定在人手指表面的卡扣结构；基底层顶面中部有波浪形微流道结构，基底层顶面一端有仿指纹形微流道结构，基底层顶面另一端有四个储液槽；中间层底面有仿指纹形微凸起结构，液态金属注入微流道结构形成传感器敏感元件，与外部导线相连测量电阻的变化。本发明可以通过测量液态金属的电阻变化，从而测量手指施加在物体上的接触力以及检测手指弯曲程度，传感器具有较好的柔性和稳定性，可应用在软体机器人、智能假肢等领域。

Description

一种可穿戴式柔性触觉力传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种可穿戴式柔性触觉力传感器。

背景技术

触觉传感器在机器人、智能假肢、可穿戴电子设备等方面有广泛的应用。传统的触觉传感器通常是基于MEMS技术制作的，存在着柔性较差，使用寿命有限，制作工艺复杂，成本较高等问题，不适于复杂环境下的应用。因此有必要发展制造柔性传感器。

作为触觉传感器最重要的部件，现有柔性传感器的敏感元件材料主要包括银纳米线、碳纳米管、石墨烯、液态金属等。液态金属由于具有常温下呈液态、低毒性、高导电性和导热性等优异特性，是制作柔性传感器敏感元件的一种理想材料。当受到外力作用时，液态金属的电阻会发生改变，从而实现对接触力的测量。

目前，随着技术的不断发展，为满足智能设备对外界环境感知能力的要求，人们对于触觉传感器的要求越来越高，研制具有高柔性、高灵敏度的触觉传感器是必然的趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可穿戴式柔性触觉力传感器，利用液态金属在外力作用下电阻变化的特性，在传感器中设计微流道结构，使传感器具有测量接触力和检测手指弯曲程度的功能。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一、一种可穿戴式柔性触觉力传感器：

包括从上到下依次层叠布置的具有球状凸起结构的封装层、中间层和具有微流道结构的基底层，封装层、中间层和基底层通过PDMS加热固化依次进行粘合密封；封装层顶面一侧设有球状凸起结构，封装层的两侧设有用于将传感器紧密绑定在人手指表面的卡扣结构；基底层顶面的中部开设有波浪形微流道结构，波浪形微流道结构为沿S形布置的一条波浪形微流道；球状凸起结构正下方的基底层顶面一端开设有仿指纹形微流道结构，仿指纹形微流道结构为一条直线形微流道；基底层顶面另一端开设有四个凹槽作为储液槽，波浪形微流道结构的两端向四个凹槽中位于中间的两个凹槽延伸并连通，仿指纹形微流道结构的两端向四个凹槽中位于两侧的两个凹槽延伸并连通；球状凸起结构正下方的中间层底面设有和仿指纹形微流道结构配合安装的仿指纹形微凸起结构，仿指纹形微凸起结构和仿指纹形微流道结构的形状、布置和尺寸相吻合，使得仿指纹形微凸起结构嵌入仿指纹形微流道结构中并占据仿指纹形微流道结构的部分深度；仿指纹形微流道结构、波浪形微流道结构和凹槽中充满有液态金属，通过液态金属引出电信号进行柔性触觉力检测，传感器通过仿指纹形微流道结构所在部位测量手指表面受下压的压力数据，传感器通过波浪形微流道结构所在部位测量手指表面弯曲数据。

本发明的封装层、中间层和基底层均采用PDMS制成。

液态金属注入微流道结构形成传感器敏感元件，液态金属经外部导线相连输出自身电阻的变化：

在球状凸起结构受下压时，仿指纹形微凸起结构受压挤压仿指纹形微流道结构中的液态金属，进而改变与仿指纹形微流道结构连通的所有液态金属形成电阻，进而输出电信号检测到下压压力数据；

在基底层的波浪形微流道结构受弯曲时，波浪形微流道结构形态发生变化，进而改变与波浪形微流道结构连通的所有液态金属形成电阻，进而输出电信号检测到弯曲力数据。

所述的四个凹槽在各自靠近基底层边缘处均设置缺口槽，四个凹槽经电导线连接到外部的测电阻的数字万用表，电导线穿过缺口槽走线。

所述的仿指纹形微流道结构的两端经各自的一条沿传感器长度方向布置的直线形微流道和四个凹槽中位于两侧的两个凹槽连通。

所述球状凸起结构用于可穿戴式柔性触觉力传感器穿戴在手指上进行物体抓取动作时与物体表面接触，球状凸起结构的中心厚度为1～2mm。

所述的封装层的两侧部均向侧方凸出于中间层和基底层，所述的卡扣结构包括设置在封装层一侧部的凸起结构和设置在封装层一侧部的凹孔结构，传感器紧密卷绕在人手指表面后，封装层两侧绕经手指后到手指背后，凸起结构嵌装于凹孔结构中使得传感器绑定连接在手指周围。

所述柔性传感器的基底层、中间层和封装层材料为PDMS、硅凝胶或Ecoflex。

所述柔性传感器的基底层、中间层和封装层材料相同。

所述的液态金属包括镓(Ga)、镓(Ga)-铟(In)合金、镓(Ga)-铟(In)-锡(Sn)合金，以及过渡金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓、镓铟合金、镓铟锡合金。

本发明的柔性传感器包括具有凸起结构的柔性封装层、中间层及具有微流道结构的柔性基底层，通过PDMS加热固化依次进行粘合密封；液态金属注入微流道结构形成传感器敏感元件，与外部导线相连测量电阻的变化；中间层的微凸起结构与流道内的液态金属接触；封装层的凸起结构位于传感器结构表面；通过封装层的卡扣结构将柔性传感器紧密固定在人的手指表面。

本发明可以通过测量液态金属的电阻变化，从而测量手指施加在物体上的接触力以及检测手指弯曲程度，传感器具有较好的柔性和稳定性，可应用在软体机器人、智能假肢等领域。

二、一种可穿戴触觉力传感器的制作方法，包括以下步骤：

1)制作柔性传感器的中间层和基底层

制作柔性传感器的中间层和基底层模具，所述模具的凸起结构与传感器中间层和基底层的结构形状相反，配置液体硅胶材料，真空脱泡后分别浇注入模具中，加热至完全固化，揭下后得到具有微凸台结构的中间层和微流道结构的基底层；

2)制作柔性传感器的封装层

制作柔性传感器的封装层模具，所述模具的凸起结构与传感器封装层的结构形状相反，配置液体硅胶材料，真空脱泡后浇注入模具中，加热至半固化；

3)依次粘合传感器的封装层、中间层和传感层

用等离子体表面处理机处理已固化好的中间层和基底层，利用模具上的定位孔对齐，在封装层半固化状态下放置中间层，加热使两者完全粘合；在中间层表面涂覆硅橡胶，放置基底层，确保微凸台与微流道结构一一对应，加热使两者完全粘合；

4)注入液态金属，连接导线并封装

将液态金属注入制作完成的柔性传感器，并将导线分别插入微流道中，在导线及传感器连接处表面涂覆硅橡胶，加热固化后完成传感器的封装，得到可穿戴式柔性触觉力传感器。

本发明具有的有益效果是：

本发明的可穿戴式柔性触觉力传感器，设计了填充有液态金属的微流道结构，因此可以测量柔性传感器施加在物体上的接触力，监测穿戴有传感器的手指的弯曲程度，并且能在较大的受力范围下稳定工作。传感器整体结构采用PDMS材料，柔性较好，可以实现多次弯曲，适用于不同尺寸的手指表面。本发明的柔性传感器可以通过卡扣结构穿戴在人体表面，也可应用于柔性机器人、智能假肢、可穿戴智能设备等方面，为其提供触觉感知信息。

附图说明

图1是柔性传感器结构爆炸示意图。

图2是柔性传感器的中间层结构三维示意图。

图3是柔性传感器剖面示意图。

图4(a)是柔性传感器的封装层结构示意图。

图4(b)是柔性传感器的中间层结构示意图。

图4(c)是柔性传感器的基底层结构示意图。

图中：1、封装层，2、球状凸起结构，3、中间层，4、基底层，5、仿指纹形微流道结构，6、波浪形微流道结构，7、卡扣结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1和图2所示，包括从上到下依次层叠布置的具有球状凸起结构2的封装层1、中间层3和具有微流道结构的基底层4，封装层1、中间层3和基底层4通过PDMS加热固化依次进行粘合密封；

如图4(a)所示，封装层1顶面一侧设有球状凸起结构2，球状凸起结构2为实心体，球状凸起结构2用于可穿戴式柔性触觉力传感器穿戴在手指上进行物体抓取动作时与物体表面接触，球状凸起结构2的中心厚度为1～2mm。

封装层1的两侧设有用于将传感器紧密绑定在人手指表面的卡扣结构7，通过封装层的卡扣结构可以将柔性传感器紧密固定在人的手指表面。

封装层1的两侧部均向侧方凸出于中间层3和基底层4，卡扣结构7包括设置在封装层1一侧部的凸起结构和设置在封装层1一侧部的凹孔结构，具体为沿传感器长度方向分别等距设有一排圆形凸起和对应的圆孔，传感器紧密卷绕在人手指表面后，封装层1两侧绕经手指后到手指背后，凸起结构嵌装于凹孔结构中使得传感器绑定连接在手指周围，卡扣的尺寸与手指尺寸有关。仿指纹形微流道结构5的部位和开设凹槽的部位之间的连线沿手指方向，使得通过卡扣结构7将传感器卷绕绑定在手指上。

如图1和图4(c)所示，柔性传感器基底层4设计有两条微流道结构5和6，分别用于测量接触力和弯曲程度。基底层前部流道设计成仿指纹图案，中部流道设计为波浪形导线结构，尾部设计有多个储液槽；流道横截面的尺寸0.2～1mm²，传感器尺寸与手指有关，厚度为1～3mm。

具体地，基底层4顶面的中部开设有波浪形微流道结构6，波浪形微流道结构6为沿S形布置的一条波浪形微流道；球状凸起结构2正下方的基底层4顶面一端开设有仿指纹形微流道结构5，仿指纹形微流道结构为一条沿指纹形态的多个同心椭圆弧S形走向的直线形微流道；基底层4顶面另一端开设有四个非贯通的凹槽作为储液槽，凹槽用于储存液态金属，波浪形微流道结构6的两端向四个凹槽中位于中间的两个凹槽延伸并连通，仿指纹形微流道结构5的两端向四个凹槽中位于两侧的两个凹槽延伸并连通；仿指纹形微流道结构5的两端经各自的一条沿传感器直线方向布置的直线型微流道和四个凹槽中位于两侧的两个凹槽连通。在仿指纹形微流道结构5所在部位测量手指表面受下压的压力数据时，直线形微流道所能检测到的手指表面弯曲数据相对于压力数据影响很小，几乎忽略不计。

另外，四个凹槽在各自靠近基底层4边缘处均设置缺口槽，四个凹槽经电导线连接到外部的测电阻的数字万用表，电导线穿过缺口槽走线。

如图3和图4(b)所示，球状凸起结构2正下方的中间层3底面设有和仿指纹形微流道结构5配合安装的仿指纹形微凸起结构，仿指纹形微凸起结构和仿指纹形微流道结构5的形状、布置和尺寸相吻合，仿指纹形微凸台结构的厚度为0.1～0.5mm，使得仿指纹形微凸起结构嵌入仿指纹形微流道结构5中并占据仿指纹形微流道结构5的部分深度，中间层3的仿指纹形微凸起结构与仿指纹形微流道结构5内的液态金属接触；

仿指纹形微流道结构5、波浪形微流道结构6和凹槽中充满有液态金属，通过液态金属引出电信号进行柔性触觉力检测，传感器通过仿指纹形微流道结构5所在部位测量手指表面受下压的压力数据，传感器通过波浪形微流道结构6所在部位测量手指表面弯曲数据。

具体实施的柔性传感器的基底层、中间层和封装层材料相同，材料均为PDMS、硅凝胶或Ecoflex。

液态金属包括镓(Ga)、镓(Ga)-铟(In)合金、镓(Ga)-铟(In)-锡(Sn)合金，以及过渡金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓、镓铟合金、镓铟锡合金。

本发明的工作原理如下：

本发明的柔性传感器穿戴在人体手指上，可以与手指紧密贴合。柔性传感器内设计有微流道结构，注入液态金属。当传感器接触物体发生变形或传感器弯曲变形时，流道的横截面尺寸发生变化，从而使液态金属电阻发生改变。将实际测得的电阻值输入电脑，即可将电信号转化成对接触力和弯曲程度的测量。

具体地，液态金属注入微流道结构形成传感器敏感元件，液态金属经外部导线相连输出自身电阻的变化：

在球状凸起结构2受下压力时，仿指纹形微凸起结构受压挤压仿指纹形微流道结构5中的液态金属，改变液态金属的横截面尺寸，进而改变与仿指纹形微流道结构5连通的所有微流道内的液态金属整体电阻，进而输出电信号检测到下压压力数据；

在基底层4的波浪形微流道结构6受弯曲时，波浪形微流道结构6形态发生变化，改变液态金属的横截面尺寸，进而改变与波浪形微流道结构6连通的所有微流道内的液态金属整体电阻，进而输出电信号检测到弯曲力数据。

本发明的制作方法，包括以下几个步骤：

一、制作柔性传感器的中间层和基底层

利用三维打印制作柔性传感器的中间层和基底层浇注模具，所述模具的凸起结构与传感器中间层3和基底层4的结构形状相反，如图4(b)、图4(c)所示；中间层3的厚度设计为0.5mm，微凸台结构厚度设计为0.2mm；基底层4厚度设计为0.5mm，微流道结构5和6横截面尺寸设计为0.2mm²；选择PDMS作为中间层3和基底层4的制作材料。将预聚体及固化剂配比为10:1的PDMS，在真空干燥箱中脱气后浇注到模具上。80℃下加热PDMS至完全固化后，分别从模具上取下，得到具有微凸台结构的中间层3和微流道结构5、6的基底层4；

二、制作柔性传感器的封装层

利用三维打印制作柔性传感器的封装层浇注模具，所述模具的凸起结构与传感器封装层1的结构形状相反，如图4(a)所示；封装层1的厚度设计为0.5mm，球状凸起结构2的厚度设计为1mm；选择PDMS作为封装层1的制作材料。将预聚体及固化剂配比为10:1的PDMS，在真空干燥箱中脱气后浇注到模具上。80℃下加热至半固化；

三、依次粘合传感器的封装层、中间层和传感层

用等离子体表面处理机处理已固化好的中间层3和基底层4。首先将处理完成的中间层3放置在模具中，在封装层半固化状态下放置中间层3，80℃加热使两者完全粘合；在中间层3的表面涂覆硅橡胶，同时将处理完成的基底层4放置在模具中，利用模具上的定位孔对齐，确保中间层3的微凸台结构与基底层4的微流道结构5相对应，加热使两者完全粘合，从模具上取下，得到具有微流道结构和微凸台结构的柔性传感器；

四、注入液态金属，连接导线并封装

选择镓铟锡合金(质量比为Ga:In:Sn＝62:22:16)为液态金属材料，将液态金属注入制作完成的柔性传感器，并将导线分别插入微流道5、6中，保证导线与液态金属充分接触。在导线及传感器连接处表面涂覆硅橡胶，80℃加热固化后完成传感器的封装，得到可穿戴式柔性触觉力传感器。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可穿戴式柔性触觉力传感器，其特征在于：包括从上到下依次层叠布置的具有球状凸起结构(2)的封装层(1)、中间层(3)和具有微流道结构的基底层(4)，封装层(1)、中间层(3)和基底层(4)通过PDMS加热固化依次进行粘合密封；封装层(1)顶面一侧设有球状凸起结构(2)，封装层(1)的两侧设有用于将传感器紧密绑定在人手指表面的卡扣结构(7)；基底层(4)顶面的中部开设有波浪形微流道结构(6)，波浪形微流道结构(6)为沿S形布置的一条波浪形微流道；球状凸起结构(2)正下方的基底层(4)顶面一端开设有仿指纹形微流道结构(5)，仿指纹形微流道结构为一条直线形微流道；基底层(4)顶面另一端开设有四个凹槽作为储液槽，波浪形微流道结构(6)的两端向四个凹槽中位于中间的两个凹槽延伸并连通，仿指纹形微流道结构(5)的两端向四个凹槽中位于两侧的两个凹槽延伸并连通；球状凸起结构(2)正下方的中间层(3)底面设有和仿指纹形微流道结构(5)配合安装的仿指纹形微凸起结构，仿指纹形微凸起结构和仿指纹形微流道结构(5)的形状、布置和尺寸相吻合，使得仿指纹形微凸起结构嵌入仿指纹形微流道结构(5)中并占据仿指纹形微流道结构(5)的部分深度；仿指纹形微流道结构(5)、波浪形微流道结构(6)和凹槽中充满有液态金属，通过液态金属引出电信号进行柔性触觉力检测，传感器通过仿指纹形微流道结构(5)所在部位测量手指表面受下压的压力数据，传感器通过波浪形微流道结构(6)所在部位测量手指表面弯曲数据。

2.根据权利要求1所述的一种可穿戴式柔性触觉力传感器，其特征在于：

液态金属注入微流道结构形成传感器敏感元件，液态金属与外部导线相连输出自身电阻的变化：在球状凸起结构(2)受到下压时，仿指纹形微凸起结构受压挤压仿指纹形微流道结构(5)中的液态金属，进而改变与仿指纹形微流道结构(5)连通的所有液态金属形成的电阻，进而输出电信号检测到下压压力数据；在基底层(4)的波浪形微流道结构(6)受弯曲时，波浪形微流道结构(6)形态发生变化，进而改变与波浪形微流道结构(6)连通的所有液态金属形成的电阻，进而输出电信号检测到弯曲力数据。

3.根据权利要求1所述的一种可穿戴式柔性触觉力传感器，其特征在于：

所述的四个凹槽在各自靠近基底层(4)边缘处均设置缺口槽，四个凹槽经电导线连接到外部的测电阻的数字万用表，电导线穿过缺口槽走线。

4.根据权利要求1所述的一种可穿戴式柔性触觉力传感器，其特征在于：

所述的仿指纹形微流道结构(5)的两端经各自的一条沿传感器长度方向布置的直线形微流道和四个凹槽中位于两侧的两个凹槽连通。

5.根据权利要求1所述的一种可穿戴式柔性触觉力传感器，其特征在于：

所述球状凸起结构(2)用于可穿戴式柔性触觉力传感器穿戴在手指上进行物体抓取动作时与物体表面接触，球状凸起结构(2)的中心厚度为1～2mm。

6.根据权利要求1所述的一种可穿戴式柔性触觉力传感器，其特征在于：

所述的封装层(1)的两侧部均向侧方凸出于中间层(3)和基底层(4)，所述的卡扣结构(7)包括设置在封装层(1)一侧部的凸起结构和设置在封装层(1)一侧部的凹孔结构，传感器紧密卷绕在人手指表面后，封装层(1)两侧绕经手指后到手指背后，凸起结构嵌装于凹孔结构中使得传感器绑定连接在手指周围。

7.根据权利要求1所述的一种可穿戴式柔性触觉力传感器，其特征在于：

所述柔性传感器的基底层、中间层和封装层材料为PDMS、硅凝胶或Ecoflex。

8.根据权利要求1所述的一种可穿戴式柔性触觉力传感器，其特征在于：

所述柔性传感器的基底层、中间层和封装层材料相同。

9.根据权利要求1所述的一种可穿戴式柔性触觉力传感器，其特征在于：

所述的液态金属包括镓(Ga)、镓(Ga)-铟(In)合金、镓(Ga)-铟(In)-锡(Sn)合金，以及过渡金属、固态非金属元素的一种或几种掺杂的镓、镓铟合金、镓铟锡合金。

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