CN112345146B - 一种基于霍尔元件的三维柔性力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于柔性传感器相关技术领域，其公开了一种基于霍尔元件的三维柔性力传感器及其制备方法，所述传感器包括基底层、霍尔元件、柔性支架及永磁体，所述柔性支架及所述霍尔元件分别设置在所述基底层上，且所述霍尔元件位于所述柔性支架与所述基底层所形成的收容空间内；所述永磁体被包覆在所述柔性支架远离所述基底层的一端内；所述柔性支架包括四个支撑柱及包覆体，所述支撑柱包括相连接的直线段及弧形段，所述直线段垂直连接于所述基底层，所述弧形段连接于所述包覆体；所述永磁体包覆在所述包覆体内。本发明提高了线性度、稳定性及准确度。

Description

一种基于霍尔元件的三维柔性力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于柔性传感器相关技术领域，更具体地，涉及一种基于霍尔元件的三维柔性力传感器及其制备方法。
背景技术
随着智能机器人的飞速发展，触觉传感器在机器人智能控制中的重要作用日益凸显。触觉传感器可以帮助机器人获取触觉信息，使它们能够在复杂环境中感知物体，包括接触力的大小和方向，甚至是物体的温度、湿度、硬度和纹理信息等，这对于在非结构化环境中的稳定抓取和路径规划等具有重要意义。
而随着触觉传感器在可穿戴电子产品、生物医学检测等领域上的重要应用，人们对触觉传感系统不再只满足于触觉的实现。为了追求在多场景和复杂环境下的应用，发展出具有柔性基底、高适应性、可抵御一定程度变形、在复杂环境下稳定工作并能准确提供信息的新型触觉传感器已经是大势所趋。
现阶段柔性触觉传感器的形式都集中于电容式、压阻式和压电式，但目前许多传感器都存在传感范围小、稳定性差等问题，不利于实际使用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于霍尔元件的三维柔性力传感器及其制备方法，其基于现有传感器的工作特点，研究及设计了一种测量准确度和稳定性均较好的基于霍尔元件的三维柔性力传感器，所述传感器经过优化设计的柔性支架可以有效地抑制三轴间的串扰，提高了线性度，同时传感器使用成熟的霍尔元件可以提高传感器的测量稳定性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于霍尔元件的三维柔性力传感器，所述传感器包括基底层、霍尔元件、柔性支架及永磁体，所述柔性支架及所述霍尔元件分别设置在所述基底层上，且所述霍尔元件位于所述柔性支架与所述基底层所形成的收容空间内；所述永磁体被包覆在所述柔性支架远离所述基底层的一端内；
所述柔性支架包括四个支撑柱及包覆体，所述支撑柱包括相连接的直线段及弧形段，所述直线段垂直连接于所述基底层，所述弧形段连接于所述包覆体；所述永磁体包覆在所述包覆体内。
进一步地，所述支撑柱为拱桥形；所述霍尔元件为三维霍尔元件或者水平与垂直式霍尔元件的组合。
进一步地，四个所述弧形段的一端分别位于同一个十字型的四个端点处；四个所述支撑柱呈中心对称分布。
进一步地，所述柔性支架是采用聚二甲基硅氧烷制备而成的。
进一步地，所述直线段的横截面为正方形，其边长为2mm。
进一步地，所述永磁体为碟形或者短圆柱形，且其位于所述霍尔元件的正上方。
进一步地，所述永磁体产生的磁场在所述霍尔元件的核心感应范围内近似均匀分布。
按照本发明的另一个方面，提供了一种如上所述的基于霍尔元件的三维柔性力传感器的制备方法，所述制备方法主要包括以下步骤：首先，采用模具制备柔性支架，与此同时将所述永磁体包覆在所述包覆体内；最后，分别将霍尔元件及所述柔性支架安装在所述基底层上。
进一步地，所述柔性支架的厚度为5mm；被包覆的永磁体上表面距柔性支架上表面的距离为0.2mm～0.5mm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于霍尔元件的三维柔性力传感器及其制备方法主要具有以下有益效果：
1.本发明提供的三维柔性力传感器在受到外部力作用时，柔性支架发生形变，导致永磁体位置发生改变进而影响整个传感器区域内的磁场分布情况，霍尔元件的输出量因此改变。
2.所述柔性支架包括四个支撑柱及包覆体，所述支撑柱包括相连接的直线段及弧形段，所述直线段垂直连接于所述基底层，所述弧形段连接于所述包覆体，柔性支架的结构通过此优化设计，使得柔性支架可有效地抑制三轴间的串扰，提高了线性度。
3.所述三维柔性力传感器采用的是成熟的霍尔元件，如此可以提高三维柔性力传感器的测量稳定性。
4.所述柔性支架是采用聚二甲基硅氧烷制备而成的，如此所述柔性支架易于变形，且所述三维柔性力传感器的结构简单，易于制造，有利于推广应用。
附图说明
图1是本发明提供的基于霍尔元件的三维柔性力传感器的结构示意图；
图2中的(a)-(e)是本发明提供的基于霍尔元件的三维柔性力传感器的制备方法的流程示意图；
图3是本发明实施例2提供的基于组合式霍尔元件的三维柔性力传感器的结构示意图；
图4是本发明实施例3提供的基于三维霍尔元件的柔性力传感器阵列的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-永磁体，2-柔性支架，3-基底层，4-霍尔元件。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供的基于霍尔元件的三维柔性力传感器，所述传感器包括基底层3、霍尔元件4、柔性支架2及永磁体1，所述柔性支架2及所述霍尔元件4分别设置在所述基底层3上，且所述霍尔元件4位于所述柔性支架2与所述基底层3所形成的收容空间内。所述永磁体1被包覆在所述柔性支架2远离所述基底层3的一端内。
其中，所述柔性支架2包括四个支撑柱及包覆体，所述支撑柱的侧面呈拱桥形，其包括相连接的直线段及弧形段，所述直线段垂直连接于所述基底层3，所述弧形段连接于所述包覆体。所述永磁体1包覆在所述包覆体内。本实施方式中，四个所述弧形段的一端分别位于同一个十字型的四个端点处；所述包覆体的部分界面为十字形；四个所述支撑柱呈中心对称分布；所述柔性支架2是采用柔性高聚物材料聚二甲基硅氧烷制备而成的；所述直线段的横截面为正方形，其边长为2mm。
所述永磁体1为碟形或者短圆柱形，且其位于所述霍尔元件4的正上方；所述永磁体1的材料为铷铁硼磁体，其产生的磁场在所述霍尔元件4的核心感应范围内近似均匀分布。
所述霍尔元件4可以测量一定区域范围内x、y、z三个方向上的磁通密度分量；所述霍尔元件4为三维霍尔元件或者水平与垂直式霍尔元件的组合；所述基底层3包括保障所述霍尔元件4正常工作的电路及其他电子器件。
其中，所述柔性支架2是在分层制备后固结为整体；所述柔性支架2整体尺寸为：高5～5.5mm，长和宽10～10.5mm；所述永磁体1距离所述柔性支架2远离所述基底层3的表面的距离为0.2mm～0.5mm；当然可以将所述传感器进行阵列化以扩大测量范围。
本实施方式中，所述传感器按照功能又可分为驱动部分及感应部分，驱动部分包括永磁体及柔性支架，永磁体在传感器范围内发出磁场，柔性支架则在外力作用下产生形变从而改变永磁体在空间中的相对位置，继而改变传感器范围内的磁场分布情况。感应部分包括霍尔元件及基底层，他们的主要作用是感应空间中磁通密度分布的变化，并将其以电信号的形式反映到输出量上，继而通过霍尔元件的输出量，可以计算出外力的大小和方向及其在三维坐标系中每个方向的分量。
所述传感器可以实现三维力测量，最大可测量7N大小的外力，同时具有较好的分辨率，能分辨0.4N大小的外力，可以广泛应用于机器人控制与感知等领域。
请参阅图2，本发明还提供了一种基于霍尔元件的三维柔性力传感器的制备方法，所述制备方法主要包括以下步骤：
(1)如图2中的(a)所示，以亚克力板为基础材料，利用激光切割机加工出柔性支架各部分的模具，包括支撑部分(支撑柱)和包覆部分；准备好加工后的永磁体以及焊接好霍尔元件的电路板。
(2)如图2中的(b)所示，在支撑柱模具中注入柔性高聚物材料。所述柔性高聚物材料可为聚二甲基硅氧烷、共聚酯或铂催化硅橡胶。以聚二甲基硅氧烷为例，用主剂与交联剂以质量比10：1比例混合均匀后，利用抽真空的方式使混合液中的气泡浮至表面并破裂，此后可将混合液注入模具。
(3)如图2中的(c)所示，将充满液态柔性高聚物材料的支撑柱模具放入80度的烘箱中恒温加热约2个小时，即可得到固化的柔性支撑柱(共4个)，支撑柱的厚度为1.8mm～2.2mm；优选的，所述支撑柱的厚度为2mm。其中，柔性高聚物材料的固化温度、固化时间需根据材料的种类及所需柔性支架的物理属性进行调整。
(4)如图2中的(d)所示，将步骤(3)所得四个柔性支撑柱放入步骤(1)制备的包覆层模具中，放入已加工好的永磁体。向模具中注入步骤(2)制备好的液态柔性高聚物材料，并放入60度的烘箱中恒温加热约1.5个小时，即可得到固化的整个柔性支架。如此，可实现柔性支架对永磁体的包覆和柔性支架各部分的组合。柔性支架整体厚度为4.6mm～5.4mm；优选的，所述柔性支架的厚度为5mm。被包覆的永磁体上表面距柔性支架上表面的距离为0.2mm～0.5mm。
(5)如图2中的(e)所示，将电路板表面清理干净，将制备好的柔性支架置于电路板上方，在二者结合处大面积涂抹液态柔性高聚物材料，厚度为0.4mm～0.6mm，之后将其恒温固化，从而制备得到所述柔性力传感器。
以下以几个具体实施例来对本发明进行进一步地详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供的基于霍尔元件的三维柔性力传感器的制备方法主要包括以下步骤：
a、选用集成的三维霍尔元件，将其焊装到电路板上；相应地，选用碟形永磁体；利用激光切割加工出柔性支架支撑部分和包覆部分的模具，原料为亚克力板。
b、将聚二甲基硅氧烷主剂与交联剂以质量比10：1比例混合均匀，利用抽真空的方式使混合液中的气泡浮至表面并破裂，制备出液态聚二甲基硅氧烷，并将其注入支撑柱模具中。
c、将充满液态聚二甲基硅氧烷的支撑柱模具放入80度的烘箱中恒温加热约2个小时，以得到固化的柔性支撑柱(共4个)，此时支撑柱的厚度为2mm。
d、将所得四个柔性支撑柱放入加工好的包覆层模具中，放入永磁体，向模具中注入步骤(2)制备好的液态聚二甲基硅氧烷，并放入60度的烘箱中恒温加热约1.5个小时，即可得到固化的柔性支架。此时被包覆的永磁体上表面距柔性支架上表面0.3mm，柔性支架整体厚度为5mm。
e、将电路板表面清理干净，将所得柔性支架置于其上方，在二者结合处涂抹液态聚二甲基硅氧烷，厚度为0.5mm，之后将其恒温固化。
至此，基于三维霍尔元件的传感器制备完成，如图1所示。
本实例所得传感器整体厚度为柔性支架与电路板厚度之和，即5.5毫米，长宽均为12毫米。
实施例2
本发明实施例2提供的基于霍尔元件的三维柔性力传感器的制备方法主要包括以下步骤：
a、选用一组水平霍尔元件和四组垂直霍尔元件，将其焊装到电路板上；相应地，选用短圆柱形永磁体；利用激光切割加工出柔性支架支撑部分和包覆部分的模具，原料为亚克力板。
b、将聚二甲基硅氧烷主剂与交联剂以质量比10：1比例混合均匀，利用抽真空的方式使混合液中的气泡浮至表面并破裂，制备出液态聚二甲基硅氧烷，并将其注入支撑柱模具中。
c、将充满液态聚二甲基硅氧烷的支撑柱模具放入80度的烘箱中恒温加热约2个小时，以得到固化的柔性支撑柱(共4个)，此时支撑柱的厚度为2mm。
d、将所得四个柔性支撑柱放入加工好的包覆层模具中，放入永磁体，向模具中注入步骤(2)制备好的液态聚二甲基硅氧烷，放入60度的烘箱中恒温加热约1.5个小时，即可得到固化的柔性支架。此时被包覆的永磁体上表面距柔性支架上表面的距离为0.3mm，柔性支架的整体厚度为5mm。
e、将电路板表面清理干净，将所得柔性支架置于电路板的上方，在二者结合处涂抹液态聚二甲基硅氧烷，厚度为0.5mm，之后将其恒温固化。
至此，基于组合式霍尔元件方案的柔性力传感器制备完成，如图3所示。
本实例所得传感器整体厚度为柔性支架与电路板厚度之和，即5.5毫米，长宽均为12毫米。
实施例3
本发明实施例3提供的基于霍尔元件的三维柔性力传感器的制备方法主要包括以下步骤：
a、选用四组集成的三维霍尔元件，将其焊装到扩展的电路板上；相应地，选用碟形永磁体；利用激光切割加工出柔性支架支撑部分和包覆部分的模具，原料为亚克力板。
b、将聚二甲基硅氧烷主剂与交联剂以质量比10：1比例混合均匀，利用抽真空的方式使混合液中的气泡浮至表面并破裂，制备出液态聚二甲基硅氧烷，并将其注入支撑柱模具中。
c、将充满液态聚二甲基硅氧烷的支撑柱模具放入80度的烘箱中恒温加热约2个小时，以得到固化的柔性支撑柱(共4个)，此时支撑柱的厚度为2mm。
d、将所得四个柔性支撑柱放入加工好的包覆层模具中，放入永磁体，向模具中注入步骤(2)制备好的液态聚二甲基硅氧烷，放入60度的烘箱中恒温加热约1.5个小时，即可得到固化的柔性支架。此时被包覆的永磁体上表面距柔性支架上表面的距离为0.3mm，柔性支架整体厚度为5mm。
e、将电路板表面清理干净，将所得柔性支架置于其上方，在二者结合处涂抹液态聚二甲基硅氧烷，厚度为0.5mm，之后将其恒温固化。
至此，基于霍尔元件的柔性传感器阵列制备完成，如图4所示。其传感区域面积更大，使用形式也更灵活，可测量有多个作用位置的外力。
本实例所得传感器整体厚度为柔性支架与电路板厚度之和，即5.5毫米，长宽均为22毫米。
本实施方式中，柔性支架是通过一系列优化及模拟分析传感特性曲线得到，柔性支架最初模型是一个大小为10*10*5mm长方体，以此出发逐渐优化结构；为了提高灵敏度，增大整个结构的柔度，最直接和简单的方式就是让柔性层出现气隙。气隙的存在就意味着支撑方式的选择，因此优化问题存在两个自变量。根据经验，气隙的厚度相比支撑方式，对结果的影响更大，因此先确定气隙大小再确定支撑方式，其中选择气隙大小2mm，同时支撑方式经过模拟分析选定为十字形的四点支撑，间距由计算机筛选得到。之后利用有限元软件对截面形状进行优化计算，最终得到的柔性支架的机构如图1所示，表1为柔性支架优化前后的性能指标对照表。
表1优化前后性能指标对照表
Sen<sub>X</sub>(uT/kPa) Sen<sub>Z</sub>(uT/kPa) Ct<sub>X</sub>(uT/kPa) Lin<sub>X</sub> Lin<sub>Z</sub>
初始模型 9.22 5.03 2.60 1.67％ 0.55％
最终模型 13.07 8.45 0.42 2.13％ 3.45％
1)三轴灵敏度，即柔性传感器在稳态工作情况下输出量三轴磁感应强度变化对输入量三维力变化(以压强表征)的比值，该值越大越好。定义为：
Figure BDA0002740754700000091
2)三轴间的串扰，即某一轴输入量对另一轴输出量的影响。因为基本模型的结构，z轴对x、y轴的影响相对于x、y轴对z轴的影响微乎其微，因此主要的串扰为x、y轴对z轴的串扰。定义为x(y)轴在稳态条件下受到同等作用力时，x(y)轴输入量对z轴的输出量磁感应强度的改变量的比值，该值越小越好。
Figure BDA0002740754700000092
3)线性度，即稳态条件下传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出的百分比，该值越小越好。定义为：
Figure BDA0002740754700000093
在优化时，因为x轴与y轴的对称性，为了方便起见，以x轴代替两轴为指标，因此上述八个参数可以简化为五个，即SenX、SenZ、CtX、LinX、LinZ。优化的目标即为：在尽量减小串扰的同时提高三轴灵敏度和线性度，其中减小串扰优先于提高灵敏度优先于提高线性度。
从对照表可以看出，优化后的最终模型的串扰减少到了优化前的15％，x轴的灵敏度提高了41.75％，z轴的灵敏度提高了68％，虽然x轴和z轴的非线性度增大了不少，但各轴的非线性度还是保持在了5％的可接受范围以内。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于霍尔元件的三维柔性力传感器，其特征在于：
所述传感器包括基底层、霍尔元件、柔性支架及永磁体，所述柔性支架及所述霍尔元件分别设置在所述基底层上，且所述霍尔元件位于所述柔性支架与所述基底层所形成的收容空间内；所述永磁体被包覆在所述柔性支架远离所述基底层的一端内；
所述柔性支架包括四个支撑柱及包覆体，所述支撑柱包括相连接的直线段及弧形段，所述直线段垂直连接于所述基底层，所述弧形段连接于所述包覆体；所述永磁体包覆在所述包覆体内；
所述霍尔元件为三维霍尔元件或者水平与垂直式霍尔元件的组合；所述柔性支架是采用聚二甲基硅氧烷制备而成的；所述永磁体为碟形或者短圆柱形，且其位于所述霍尔元件的正上方，所述永磁体产生的磁场在所述霍尔元件的核心感应范围内近似均匀分布。
2.如权利要求1所述的基于霍尔元件的三维柔性力传感器，其特征在于：四个所述弧形段的一端分别位于同一个十字型的四个端点处；四个所述支撑柱呈中心对称分布。
3.如权利要求1或2所述的基于霍尔元件的三维柔性力传感器，其特征在于：所述直线段的横截面为正方形，其边长为2mm。
4.一种权利要求1-3任一项所述的基于霍尔元件的三维柔性力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：首先，采用模具制备柔性支架，与此同时将所述永磁体包覆在所述包覆体内；最后，分别将霍尔元件及所述柔性支架安装在所述基底层上。
5.如权利要求4所述的基于霍尔元件的三维柔性力传感器的制备方法，其特征在于：所述柔性支架的厚度为5mm；被包覆的永磁体上表面距柔性支架上表面的距离为0.2mm～0.5mm。
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