CN111473904A - 一体式柔性三维力触觉传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一体式柔性三维力触觉传感器及其制作方法，包括感触电极、封装薄膜和若干基电极；该感触电极外侧设有表面微结构；该若干基电极围绕感触电极外侧分布且设有表面微结构，该基电极通过表面微结构与感触电极形成导电回路；该封装薄膜设置于感触电极和基电极底面；该感触电极和基电极分别外接有连接导线；本发明利用微结构受力形变而产生接触电阻变化，从而实现三维力的大小和方向的测量。具有结构简单、加工工艺简便、成本低廉、可实现器件小型化、轻薄化的特点，同时提高了器件的可弯曲性和稳定性，实现三维力大小和方向测量。

Description

一体式柔性三维力触觉传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及力触觉传感器领域，特别是指一种一体式柔性三维力触觉传感器及其制作方法。

背景技术

在智能机器人技术领域，在模拟人类的触摸过程中，往往需要触觉传感器具有对接触力的空间分辨能力，能够实现与接触物体物理交互过程中识别出物体的三维结构。相比与传统的刚性硅基触觉传感器，柔性触觉传感器具有柔韧性好，制备工艺简单的特点，且能够在变形工作条件下仍能保证其测量功能。因此，柔性三维触觉传感器在可穿戴电子产品、健康医疗、软体机器人、人机交互等领域也具有广泛的应用前景。

目前，柔性三维力触觉传感器主要有电容型触觉传感器和压阻型触觉传感器。

电容型触觉传感器通过两电极之间的电容值变化来测量接触力的大小。电容型触觉传感器一般是利用浮动电极实现两极板距离和相对面积随接触力变化而改变，或者利用电容的边缘效应通过电介质的分布随接触力变化而改变，从而实现电容值变化。前者由于浮动电极存在，器件的稳定性较差，对器件封装要求很高，后者由于器件灵敏度与量程较低，抗干扰能力较差等。对于电容型触觉传感器而言，在小型化的过程中存在电容值太小，变化量不易检测的问题。

压阻型触觉传感器具有高灵敏度、低成本、易于检测信号、不易受温度影响的优点，可用的材料有炭黑、石墨、金属颗粒和碳纳米管(CNT)等导电填料与弹性体的混合物。但压阻型触觉传感器存在对力的方向不敏感，灵敏度低等问题，无法对接触力方向进行准确测量。此外，在实际应用中传感器不仅需要具有较高的灵敏度和合适的量程，还需要保证一定的稳定性和抗干扰能力。因此，开发新型的压阻型三维柔性触觉传感器具有重要的工程应用意义。

中国专利CN201811331536.6公开一种一种柔性压电式的三维力触觉传感器阵列及其制备方法；中国专利CN201821843012.0公开一种一种柔性压电式的三维力触觉传感器阵列。上述专利所述三维力触觉传感器均为多层结构，由上下层电极组成，该结构增加了传感器封装的难度，降低了传感器的稳定性，同时在传感器制造过程中需要对齐上下两层电极，增加了制造难度。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种一体式柔性三维力触觉传感器及其制作方法，具有结构简单、加工工艺简便、成本低廉、可实现器件小型化、轻薄化的特点。

本发明采用如下技术方案：

一体式柔性三维力触觉传感器，其特征在于：包括感触电极、封装薄膜和若干基电极；该感触电极外侧设有表面微结构；该若干基电极围绕感触电极外侧分布且设有表面微结构，该基电极通过表面微结构与感触电极形成导电接触，该封装薄膜设置于感触电极和基电极底面；该感触电极和基电极分别外接有连接导线。

优选的，所述感触电极外侧设有斜面，所述基电极设有与之适配的斜面，两所述表面微结构分别设置于对应的斜面上且互相均匀接触。

优选的，所述感触电极为圆锥或棱锥或棱台。

优选的，所述感触电极或基电极为柔性基底与导电材料混合物制作而成。

优选的，所述表面微结构包括若干微结构单元，该微结构单元为波浪形、金字塔形或微凸点；或者所述表面微结构为仿生微结构。

优选的，所述基电极顶面还设有封装薄膜。

优选的，所述封装薄膜为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜或聚氨酯制作而成。

优选的，所述连接导线为采用铂、金、铜或银制作而成；或者采用导电油墨直写或柔性织物电极制作而成。

一体式柔性三维力触觉传感器制作方法，用于制作上述的一体式柔性三维力触觉传感器，其特征在于：包括如下步骤

1)通过3D打印制造感触电极及基电极的模具；

2)制作柔性基底，将导电材料与柔性基底混合得到混合物，充分搅拌后倒入模具内，进行脱气、烘干、脱模后得到感触电极及基电极；

3)利用紫外激光直写工艺加工微结构表面；

4)分别制作感触电极和基电极的连接导线；

4)利用等离子体对感触电极和基电极进行表面改性，再将封装薄膜键合于感触电极和基电极底面。

步骤1)中，通过光刻技术制造所述感触电极及基电极的模具；步骤2)中，将柔性基底与导电材料混合物注入模具固化后，刻蚀注塑模具得到成型的感触电极及基电极。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明传感器，设置有感触电极、基电极、封装薄膜等。通过感触电极与基电极连接到同一封装薄膜，形成一体式结构。感触电极部分与基电极通过表面微结构接触形成导电回路，利用微结构受力形变而产生接触电阻变化，从而实现三维力的大小和方向的测量，具有结构简单、加工工艺简便、成本低廉、可实现器件小型化、轻薄化的特点，同时提高了器件的可弯曲性和稳定性，实现三维力大小和方向测量。

2、本发明的感触电极、基电极的主体结构采用柔性基体与导电材料混合物倒模制造形成呈相等锥角的锥形结构，实现了触觉传感器在弯曲情况下的测量，有效避免由于感触电极倾斜导致正应力影响切应力大小的测量问题。

3、本发明的感触电极、基电极侧面的微结构采用激光直写工艺加工形成，提高了表面微结构的均匀性和结构形状的一致性，同时提高传感器的灵敏度。

4、本发明可实现对接触力在法向与切向上的分离测量和数据处理，最终测量出接触力的大小和方向，使人工的触摸系统更加的接近人类自然的触摸系统，可以识别物体的滑移和纹理等特征。

附图说明

图1为本发明结构立体图；

图2为本发明剖视图；

图3为为本发明俯视图；

图4为正压力作用于感触电极示意图；

图5为斜压力作用于感触电极示意图；

图6为本发明另一表面微结构示意图；

1.感触电极；2.基电极；3.表面微结构；4.底面封装层；5.顶面封装层；6.连接导线。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图1至图5，一体式柔性三维力触觉传感器，包括感触电极1、封装薄膜和若干基电极2等。该感触电极1外侧设有表面微结构3。该若干基电极2围绕感触电极1外侧分布且设有表面微结构3，该基电极2通过表面微结构3与感触电极1形成导电接触。

具体的，感触电极1外侧设有斜面，基电极2设有与之适配的斜面，即两斜面可互相平行，两表面微结构3分别设置于对应的斜面上且互相均匀接触。该感触电极1和基电极2为柔性基底与导电材料混合物制作而成，柔性基底可以是聚二甲基硅甲烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)薄膜、聚氨酯(PU)等柔性材料，导电材料可以是碳纳米管、石墨烯、PEDOT、聚吡咯等导电材料。

其中，感触电极1可为圆锥或棱锥或棱台等锥形结构。该基电极2主体为扇形结构，若干基电极2均匀地分布于感触电极1外周，其相对感触电极1一侧设置有斜面。感触电极1与基电极2可以通过模具注塑加工，采用这种结构，使得传感器能够在弯曲条件下使用。

本发明中，可通过等离子体处理或胶合实现表面微结构3与斜面的结合。表面微结构3可以是包括若干微结构单元构成表面微单元阵列，或者表面微结构3为仿生微结构(仿植物叶片表面微结构或人体真皮层)。对于表面微单元阵列，其微结构单元形状为波浪形、球形、半球形、金字塔形或微凸点等，具有多种形状，参见图6的波浪形。其中表面微单元阵列设计参数包括单个微结构单元大小(d)，单行个数(n)、微结构行数(i)、两行微结构间距(h)、微结构距离底面高度(h₀)等，可根据需要设定。(本例中单个微结构d＝1mm,n＝32mm，i＝3mm，h＝6mm，h0＝8mm)

该封装薄膜设置于感触电极1和基电极2底面形成底面封装层4，从而构成一个整体。在基电极2顶面也可设置封装薄膜，构成顶面封装层5。封装薄膜可采用绝缘柔性材料制作而成，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)薄膜、聚氨酯(PU)等。

该感触电极1和基电极2分别外接有连接导线6。该连接导线6选用导电性较好的金属，连接导线6为采用铂、金、铜或银制作而成；或者采用导电油墨直写或柔性织物电极制作而成。

本发明的传感器，利用表面微结构3受力形变而产生接触电阻变化，从而实现三维力的大小和方向的测量。感触电极1与基电极2的表面微结构3在初始状态已具有一定接触形变，形成导电回路，在量程范围内不会产生分离现象，导致无法计算感触电极1之间的电阻差值，降低了传感器的测量误差。由于被测量应力在底面上的投影，位于感触电极底面区域内,可以避免感触电极发生倾斜导致正应力对切应力测量产生影响，实现表面剪切力的有效测量。以一个感触电极1和四个基电极2为例，检测原理如下：

当正压力作用在传感器的感触电极1上时，感触电极1两端发生相同的弹性形变，使感触电极1与基电极2之间的距离减小，两者之间的表面微结构3接触面积增大。根据接触电阻可知，感触电极1与四个相同基电极2之间的接触电阻发生等量减小。通过四个基电极2的电阻变化平均值可以计算出正压力的大小。

当斜压力作用在传感器的感触电极1上时，由于斜压力中的表面切应力的存在，感触电极1发生不等量的形变，根据对称方向的两基电极2与感触电极1之间的接触电阻差值可以计算出斜压力中表面切应力在X方向上的值，结合其余两基电极2之间的接触电阻差值可以得出斜压力中表面切应力在Y方向上的值。根据力的平行四边形原理可以计算出斜压力中的表面切应力的大小和方向。通过对表面切应力及正压力矢量叠加可以得到接触力的大小和法向。

本发明还提出一体式柔性三维力触觉传感器制作方法，用于制作上述的一体式柔性三维力触觉传感器，包括如下步骤：

1)通过3D打印技术分别制造感触电极1及基电极2的模具，材料使用透明光敏树脂，加工精度为50um。

2)制作柔性基底，将导电材料与柔性基底混合得到混合物，充分搅拌后倒入模具内，进行脱气、烘干、脱模后得到感触电极1及基电极2。

具体的,可按照质量比12：1的比例混合PDMS预聚物与固化剂得到柔性基底，按照8％的质量比将纳米碳管与柔性基底混合得到柔性基底与导电材料混合物。将充分搅拌的混合物倒入模具内，放入真空箱中脱气30min，将模具放入烘干箱中以80℃烘干5小时后脱模，得到感触电极1及基电极2。

3)利用紫外激光直写工艺加工微结构表面；提高了表面微结构3的均匀性和结构形状的一致性，同时提高传感器的灵敏度。

4)分别制作感触电极1和基电极2的连接导线6，可以通过金属导线直连、通过内嵌网状柔性电极、喷墨打印或者静电直写制作。

4)利用等离子体对感触电极1和基电极2进行表面改性，再将封装薄膜键合于感触电极1和基电极2底面。

实施例二

一体式柔性三维力触觉传感器及其制作方法，主要结构与实施例一相同，其区别在于：感触电极1及基电极2可以通过光刻技术制造出注塑模具，将柔性基底与导电材料混合物注入固化后，刻蚀注塑模具得到成型的感触电极1及基电极2。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (10)

1.一体式柔性三维力触觉传感器，其特征在于：包括感触电极、封装薄膜和若干基电极；该感触电极外侧设有表面微结构；该若干基电极围绕感触电极外侧分布且设有表面微结构，该基电极通过表面微结构与感触电极形成导电接触，该封装薄膜设置于感触电极和基电极底面；该感触电极和基电极分别外接有连接导线。

2.如权利要求1所述的一体式柔性三维力触觉传感器，其特征在于：所述感触电极外侧设有斜面，所述基电极设有与之适配的斜面，两所述表面微结构分别设置于对应的斜面上且互相均匀接触。

3.如权利要求2所述的一体式柔性三维力触觉传感器，其特征在于：所述感触电极为圆锥或棱锥或棱台。

4.如权利要求1所述的一体式柔性三维力触觉传感器，其特征在于：所述感触电极或基电极为柔性基底与导电材料混合物制作而成。

5.如权利要求1所述的一体式柔性三维力触觉传感器，其特征在于：所述表面微结构包括若干微结构单元，该微结构单元为波浪形、金字塔形或微凸点；或者所述表面微结构为仿生微结构。

6.如权利要求1所述的一体式柔性三维力触觉传感器，其特征在于：所述基电极顶面还设有封装薄膜。

7.如权利要求1或6所述的一体式柔性三维力触觉传感器，其特征在于：所述封装薄膜为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜或聚氨酯制作而成。

8.如权利要求1所述的一体式柔性三维力触觉传感器，其特征在于：所述连接导线为采用铂、金、铜或银制作而成；或者采用导电油墨直写或柔性织物电极制作而成。

9.一体式柔性三维力触觉传感器制作方法，用于制作权利要求1至8中的任一项的一体式柔性三维力触觉传感器，其特征在于：包括如下步骤

1)通过3D打印制造感触电极及基电极的模具；

2)制作柔性基底，将导电材料与柔性基底混合得到混合物，充分搅拌后倒入模具内，进行脱气、烘干、脱模后得到感触电极及基电极；

3)利用紫外激光直写工艺加工微结构表面；

4)分别制作感触电极和基电极的连接导线；

4)利用等离子体对感触电极和基电极进行表面改性，再将封装薄膜键合于感触电极和基电极底面。

10.如权利要求9所述的一体式柔性三维力触觉传感器制作方法，其特征在于：步骤1)中，通过光刻技术制造所述感触电极及基电极的模具；步骤2)中，将柔性基底与导电材料混合物注入模具固化后，刻蚀注塑模具得到成型的感触电极及基电极。

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