CN113588149A

CN113588149A - 一种硅基mems单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器

Info

Publication number: CN113588149A
Application number: CN202110837037.XA
Authority: CN
Inventors: 胡东平; 韩海军; 陈川; 王远; 李华峰; 伍星
Original assignee: General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Current assignee: General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2021-07-23
Filing date: 2021-07-23
Publication date: 2021-11-02

Abstract

本发明公开了一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器，包括底板、弹性体、硅基MEMES压力传感器单元、磁体、磁感应线圈阵列；弹性体、硅基MEMES压力传感器单元与磁感应线圈阵列设置于底板；磁体设置于弹性体中。使用硅基MEMS测压单元，无导电复合材料的电阻蠕变和电容式测压单元寄生电容的影响，精度高、稳定性良好；磁感应线圈阵列通过电磁感应产生电信号检测切向力的方向和大小，精度高，响应快，适合于动态力测量和滑动状态的检测。

Description

一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器。

背景技术

智能化机械产品和智能机器人在工业生产中应用越来越广泛。为了实现模仿高度灵巧的人类操作活动，触觉传感技术近年来得到了越来越多的重视。触觉是机器人获取环境信息的一种重要知觉形式，触觉能够直接感知对象的多种性质特征：包括接触力的大小、柔软性、硬度、弹性、粗糙度、材质等。将触觉传感器嵌入到衣物、配饰甚至皮肤上，可以得到多功能的、便携的可穿戴设备，这些可穿戴设备能够实时提供信息。而柔性触觉传感器技术对于未来智能机器人的发展至关重要，所谓柔性是指触觉传感器的物理特性具有类似于人类皮肤一样的特性，可以覆盖在任意的载体表面测量受力信息，从而感知目标对象的性质特征。柔性触觉传感器技术已成为智能机器人触觉传感器技术领域一研究热点。基于皮肤的可穿戴触觉传感器是指直接层压在机器人表面的触觉监测装置，用以提供连续且准确的测量。与传统的刚性技术不同，在皮肤上层压器件需要保形接触，对于稳定且可重复的测量至关重要。

目前，根据对外界刺激信号的转换与检测原理不同，柔性触觉传感器可主要分为压阻式、电容式、压电式触觉传感器、摩擦自生电式触觉传感器、光学式触觉传感器、电磁式触觉传感器等。但每种传感器都有各自的缺陷，可在同一个传感器中引入多种传感技术，如通过PVDF压电薄膜测量动态力，再通过添加电阻或电容敏感元件，就可以制造出一个既可以感知动态力又可以测量静态力的传感器。目前这种多模式触觉传感器多应用于机器人手爪中。

传统的多模式触觉传感器是压阻式、电容式、压电式触觉传感器、摩擦自生电式触觉传感器、光学式触觉传感器、电磁式触觉传感器等两种或两种以上的组合。

压阻式触觉传感器采用压敏电阻将外界施加的力转换为电阻值的变化，目前常见的柔性触觉传感器多利用导电复合材料的量子隧穿效应，即外界激励下复合材料电阻率的变化，来实现传感器电阻值变化的测量。但这种传感器在恒应力作用下，导电复合材料的电阻会随受力时间的延长而逐渐降低，这种现象称为电阻蠕变，也称为电阻弛豫，且随着时间的延长，电阻率进一步降低，使得压阻式触觉传感器的测试准确度下降。

电容式触觉传感器是通过测量电极极板间的电容值变化来进行触觉力的检测，通过测量传感器上下电极极板间距离的变化，来进行外界机械刺激的检测。但电容式传感器对于输入量变化的输出是非线性且灵敏度偏低，无法忽略寄生电容的影响，因此电容式触觉传感器的检测准确度不高。

压电式触觉传感器压电转换元件是典型的力敏元件，具有自发电和可逆两种重要特性，而且具有体积小、质量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度与信噪比高、性能稳定和几乎不存在滞后等优点。鉴于该传感元件为无源器件，无需考虑电源信号的干扰，因此压电式传感器高度可广泛应用。然而随着时间的推移，压电传感器电压输出值会降低，因此只适合检测动态力，且无法检测外界的动态摩擦机械激励。

除上述常见的传感原理外，还有其他一些类型的触觉信号转换及检测原理，如利用摩擦生电效应制作的一种自供电的柔性触觉传感器，该传感器的敏感元件由两片带有不同摩擦极性的有机/无机薄膜组成，当传感器受压时，两片薄膜相互摩擦产生电荷，将外部机械力转换为可测量的电信号变化，但检测精度不高。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器，包括底板、弹性体、硅基MEMES压力传感器单元、磁体、磁感应线圈阵列；弹性体、硅基MEMES压力传感器单元与磁感应线圈阵列设置于底板；磁体设置于弹性体中；硅基MEMES压力传感器单元用于输出法向压力电信号；磁感应线圈阵列输出切向压力电信号；

当弹性体受到压力时，产生形变带动磁体运动，从而产生空间磁场的变化，磁感应线圈阵列通过电磁感应产生电信号，检测压力。

优选的，所述弹性体设置于底板表面且覆盖于硅基MEMES压力传感器单元表面。

优选的，所述底板包括印制板与硬质基板；弹性体、硅基MEMES压力传感器单元与磁感应线圈阵列设置于印制板一侧，硬质基板设置于印制板另一侧。

优选的，所述印制板包括依次设置的轻掺杂层、重掺杂层、硅基底与填隙环。

优选的，所述硬质基板为纤维增强的聚酯复合材料。

优选的，所述弹性体、硅基MEMES压力传感器单元与磁感应线圈阵列与底板通过双组份胶粘接固定。

优选的，所述硅基MEMES压力传感器单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻；第一电阻第一端、第四电阻第一端接硅基MEMES压力传感器单元的第一电压信号输入端；第二电阻第二端、第三电阻第二端接硅基MEMES压力传感器单元的第二电压信号输入端；第一电阻第二端、第二电阻第一端接硅基MEMES压力传感器单元第一输出端；第四电阻第二端、第三电阻第一端接硅基MEMES压力传感器单元第二输出端。

优选的，所述弹性体为橡胶材质。

优选的，所述磁体为永磁铁。

本发明的有益效果在于：

(1)使用硅基MEMS测压单元，无导电复合材料的电阻蠕变和电容式测压单元寄生电容的影响，精度高、稳定性良好；

(2)磁感应线圈阵列通过电磁感应产生电信号检测切向力的方向和大小，精度高、响应快，适合于动态力测量和滑动状态的检测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是硅基MEMES压力传感器单元的示意图；

图3是硅基MEMES压力传感器单元的电路原理图。

图中：1-弹性体；2-磁体；3-硅基MEMES压力传感器单元；4-磁感应线圈阵列；5-印制板；6-硬质基板；7-轻掺杂层；8-重掺杂层；9-硅基底；10-填隙环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如附图1所示，本发明一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器，包括底板、弹性体、硅基MEMES压力传感器单元、磁体、磁感应线圈阵列；弹性体、硅基MEMES压力传感器单元与磁感应线圈阵列设置于底板；磁体设置于弹性体中；硅基MEMES压力传感器单元用于输出法向压力电信号；磁感应线圈阵列输出切向压力电信号；

当弹性体受到压力时产生形变，一方面硅基MEMES压力传感器单元检测压力大小，另一方面弹性体带动磁体运动，从而产生空间磁场的变化，磁感应线圈阵列通过电磁感应产生电信号。

优选的，所述硬质基板为纤维增强的聚酯复合材料。

优选的，所述弹性体为橡胶材质。

优选的，所述磁体为永磁铁。

具体的，橡胶材质弹性体中设置有永磁铁，底板包括印制板与硬质基板，印制板上设置有硅基MEMES压力传感器单元，印制板下表面设置有磁感应线圈阵列。

当硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器与物体接触时，硅基MEMES压力传感器单元可以实现弹性体表面(接触面)三维力测量，而磁铁及线圈阵列通过电磁感应原理可以实现接触面二维粘滑状态的检测评估，具体原理为：

(1)当外界仅有法向压力时，压力通过橡胶材质弹性体传递至底部的硅基MEMES压力传感器单元，可直接感知压力的大小以及压力的分布情况，使用的硅基MEMES压力传感器单元避免了导电复合材料的电阻蠕变和电容式测压单元寄生电容的影响，因此精度高，稳定性良好；

(2)当接触面存在切向压力时，橡胶材质弹性体产生形变，带动永磁铁产生运动，从而产生空间磁场的变化，由线圈阵列通过电磁感应产生电信号，从而检测切向力的方向和大小，这种原理的传感器适用于动态力测量和滑动状态的检测。

与传统柔性触觉传感器相比，本发明的柔性触觉传感器可以实现柔性接触面静态动态三维力及滑动状态的检测。

弹性体采用橡胶材质弹性体，硅橡胶具有柔软、高延展、高弹性等特性，体积模量约为1.5GPa～2GPa，剪切模量约为0.5MPa～2MPa，泊松比约为0.5，拉伸模量约为3G，尺寸为Ф15mm×5mm，顶端圆弧高度为3mm。

硅基MEMES压力传感器单元为硅基MEMS测压单元阵列，具体结构如附图2所示，具体尺寸为厚度25μm、半径200μm。当MEMS压阻传感单元表面有压力作用时，轻掺杂形成的四个电阻组成的惠斯通电桥感知压力后形成电压输出，如附图3所示，从而可检测表面压力，设表面压力为u₀，第一电阻阻值R₁为，第二电阻阻值为R₂，第三电阻阻值为R₃，第四电阻阻值为R₄，硅基MEMES压力传感器单元输入电压V，则：

硅基MEMES压力传感器单元能够直接感知压力的大小，形成阵列后，可检测压力的分布情况。硅基MEMS测压单元不存在导电复合材料的电阻蠕变和电容式测压单元寄生电容的影响，因此精度高、稳定性良好。

硅基MEMES压力传感器单元通过MEMS工艺制备，经过高温氧化、离子注入掺杂、溅射镀膜、光刻图形化等工艺形成。

具体的，磁感应线圈阵列尺寸采用Ф4mm×0.5mm的导电线圈。

由法拉第电磁感应定律可知，电感阵列的输出与弹性体变形速度呈线性关系，且可分辨变形的方向。

v_x＝K_cxV(U₁-U₃)＝K_CxU₁₃；

v_y＝K_cyV(U₂-U₄)＝K_CyU₂₄；

由此，基于电感阵列的输出可以直接用来进行动态三维力及接触面二维粘滑状态的检测。

电路板、硬质基板，电路板为普通印制板按设计尺寸加工，硬质基板为纤维增强的聚酯复合材料。

与现有技术相比较，本发明有以下优点：

(1)使用的硅基MEMS测压单元，无导电复合材料的电阻蠕变和电容式测压单元寄生电容的影响。经测试分析，精度达到0.5％FS以上，十年漂移不超过1％，因此精度高，稳定性良好。

(2)线圈阵列通过电磁感应产生电信号检测切向力的方向和大小，精度高，响应快，适合于动态力测量和滑动状态的检测。

因此与传统柔性触觉传感器相比，本发明的柔性触觉传感器可以实现柔性接触面静态动态三维力及滑动状态的检测，且精度高、稳定性好。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器，其特征在于，包括底板、弹性体、硅基MEMES压力传感器单元、磁体、磁感应线圈阵列；弹性体、硅基MEMES压力传感器单元与磁感应线圈阵列设置于底板；磁体设置于弹性体中；硅基MEMES压力传感器单元用于输出法向压力电信号；磁感应线圈阵列输出切向压力电信号；

2.根据权利要求1所述一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器，其特征在于，所述弹性体设置于底板表面且覆盖于硅基MEMES压力传感器单元表面。

3.根据权利要求1所述一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器，其特征在于，所述底板包括印制板与硬质基板；弹性体、硅基MEMES压力传感器单元与磁感应线圈阵列设置于印制板一侧，硬质基板设置于印制板另一侧。

4.根据权利要求3所述一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器，其特征在于，所述印制板包括依次设置的轻掺杂层、重掺杂层、硅基底与填隙环。

5.根据权利要求3所述一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器，其特征在于，所述硬质基板为纤维增强的聚酯复合材料。

6.根据权利要求1所述一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器，其特征在于，所述弹性体、硅基MEMES压力传感器单元与磁感应线圈阵列与底板通过双组份胶粘接固定。

7.根据权利要求1所述一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器，其特征在于，所述硅基MEMES压力传感器单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻；第一电阻第一端、第四电阻第一端接硅基MEMES压力传感器单元的第一电压信号输入端；第二电阻第二端、第三电阻第二端接硅基MEMES压力传感器单元的第二电压信号输入端；第一电阻第二端、第二电阻第一端接硅基MEMES压力传感器单元第一输出端；第四电阻第二端、第三电阻第一端接硅基MEMES压力传感器单元第二输出端。

8.根据权利要求1所述一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器，其特征在于，所述弹性体为橡胶材质。

9.根据权利要求1所述一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器，其特征在于，所述磁体为永磁铁。