CN113970392B - 柔性接近觉与压力触觉传感器、传感系统及柔性电子皮肤 - Google Patents

Abstract

一种柔性接近觉与压力触觉传感器、传感系统及柔性电子皮肤，传感器包括：电极层，所述电极层包括在空间上立体分布的弓形电极与封闭弓形电极的梯形叉指电极，二者整体呈弓‑梯形叠叉指状结构；以及柔性衬底组件，所述柔性衬底组件包括弓形电极柔性衬底、梯形电极柔性衬底和连接在两者之间的阶梯状棱柱结构介质层，弓形电极柔性衬底、梯形电极柔性衬底分别封装弓形电极和梯形叉指电极，阶梯状棱柱结构介质层由多个仿生弯曲蛙腿结构单体阵列而成。本发明具有更优越的灵敏度、动态响应等性能。

Description

柔性接近觉与压力触觉传感器、传感系统及柔性电子皮肤

技术领域

本发明涉及一种柔性接近觉与压力触觉传感器、传感系统及柔性电子皮肤，属于柔性传感技术领域。

背景技术

近年来，随着新科技的浪潮，智能穿戴设备的市场份额越来越大，功能和外观的不断更新换代，带给人们不一样的生活体验。智能穿戴设备是把信息的采集、记录、存储、显示、传输、分析、等功能与我们的日常穿戴相结合，成为我们穿戴的一部分。智能穿戴设备包括头盔、眼镜、鞋垫袜子、书包手表等，未来可以深入到生活的方方面面。传感器作为可穿戴设备的感知端，尤为重要。进而接近觉与压力触觉传感器作为可穿戴传感器的一个重要分支，国内外学者对其研究便趋于追求更快的响应速度、更高的灵敏度、更宽的检测范围、更好的耐用性等。

全柔性材料、高精度感应、快速响应等一系列优良特性使得接近觉与压力触觉传感器可适应多数复杂环境，同时配套在一些可穿戴设备上可应用于众多领域。因此，接近觉与压力触觉传感器未来还有大发展，也必将在生活中的各方面发挥重要作用。科研人员充分利用各类柔性材料，包括橡胶、天然材料、高分子材料、仿生材料等固有的柔性，以及一些复合柔性导电材料的导电性或场效应，制成了各式接近觉与压力触觉传感器。

在现有的接近觉与压力触觉传感器技术中，已知一种机器人用柔性接近觉和触觉双模传感器，该传感器包括第一层柔性薄膜、弹性电介质以及第二层柔性薄膜，所述第一层柔性薄膜上通过导电油墨印制有第一电极，第二层柔性薄膜上通过导电油墨印制有第二电极；所述第一层柔性薄膜和所述第二层柔性薄膜分别在弹性电介质的两侧，通胶水将三者粘合成一个整体；所述第一电极和第二电极为两个交叉互补排布的图案化电极；第一层柔性薄膜上的第一电极和第二层柔性薄膜上的第二电极构成一个电容器，当外界物体逐步靠近传感器时，外界物体对所述电容器的边缘电场线进行部分拦截，所述电容器的电场强度降低，电容值减小，此为传感器的接近觉响应模式；当外界物体直接对传感器施加压力时，弹性电介质产生弹性形变，第一电极与第二电极之间距离减小，所述电容器的电场强度增强，电容值上升，此为传感器的触觉响应模式。

上述现有技术的不足之处在于，在触觉响应模式下，由于弹性电介质为平面层状结构，弹性模量低，因此导致灵敏度低、响应时间与恢复时间长；而在接近觉响应模式下，开放的边缘场使得采集信号容易受到干扰等不足，此类传感器难以阵列。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种柔性接近觉与压力触觉传感器、传感系统及柔性电子皮肤，具有抗干扰、兼容性好、全量程感知、高灵敏度、响应时间与恢复时间短的优良性能。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种柔性接近觉与压力触觉传感器，包括：电极层，所述电极层包括在空间上立体分布的弓形电极与封闭弓形电极的梯形叉指电极，二者整体呈弓-梯形叠叉指状结构；以及柔性衬底组件，所述柔性衬底组件包括弓形电极柔性衬底、梯形电极柔性衬底和连接在两者之间的阶梯状棱柱结构介质层，弓形电极柔性衬底、梯形电极柔性衬底分别封装弓形电极和梯形叉指电极，阶梯状棱柱结构介质层由多个仿生弯曲蛙腿结构单体阵列而成。

一种电容式接近觉与压力触觉的传感系统，所述传感系统设置有一种电容式接近觉与压力触觉传感器。

一种柔性电子皮肤，设置有一种电容式接近觉与压力触觉传感器。

相比现有技术，本发明的柔性接近觉与压力触觉传感器、传感系统及柔性电子皮肤，不仅在整体上构成了一个空间立体电容，依据物体进入边缘场时电容值的变化规律，以及施加载荷时电容值的变化规律，实现了距离与应力的感知，兼具接近觉与压力触觉传感功能。

特别是，一方面本发明的弓形电极和梯形叉指电极整体构造上呈弓-梯形叠叉指状结构，这种空间上的配置，不仅能够判断物体的接近与接触，而且能够利用该电容阵列判断接触物体的位置与受力，同时梯形叉指电极的封闭结构还能进一步降低阵列电容间信号干扰，有助于电子设备信息加工读取。

另一方面本发明阵列式的阶梯状棱柱结构介质层，使得通过接触物体对传感器施加载荷，介质层更易发生形变，不但改变了立体电容极板间距与电场内介电常数，且产生的切向位移使得叉指重叠面积增大，从而造成电容变化更明显，具有高灵敏度、响应时间与恢复时间短、兼容性好、全量程感知的优良性能。

此外，本发明具有距离与压力检测功能的接近觉与触觉传感器，其结构明了，组装简单，相比于其他复杂性接近觉与压力触觉传感器，耐用性好并且维护便利。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明一个实施例的整体结构示意图。

图2为本发明实施例中仿生弯曲蛙腿结构单体以及倾斜二次折弯棱柱的结构示意图。

图3为本发明实施例中的最小单元弓形电极的结构示意图。

图4为本发明实施例中的最小单元梯形叉指电极的结构示意图。

图5为本发明一个实施例中倾斜二次折弯棱柱的模具结构爆炸图。

图6为本发明一个实施例中介质层的应力(KPa)仿真示意图。

图7为本发明实施例与对比例的电场(V/m)分布仿真示意图。

图8为本发明实施例与对比例中压力响应仿真示意图。

图9为本发明实施例与对比例中的接近感知仿真示意图。

图中：1、柔性衬底组件；11、弓形电极柔性衬底；12、梯形电极柔性衬底；13、阶梯状棱柱结构介质层；2、电极层；21、弓形电极；22、梯形叉指电极。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1至图4示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图中的一种柔性接近觉与压力触觉传感器，包括电极层2和柔性衬底组件1，电极层2包括弓形电极21和梯形叉指电极22，柔性衬底组件1包括弓形电极柔性衬底、梯形电极柔性衬底和阶梯状棱柱结构介质层13，以弓形电极柔性衬底、梯形电极柔性衬底和阶梯状棱柱结构介质层13为支撑，阶梯状棱柱结构介质层13上下分别布置弓形电极21与梯形交叉电极22，整体结构自上而下依次为：弓形电极柔性衬底11、弓形电极21、阶梯状棱柱结构介质层13、梯形交叉电极22，以及梯形电极柔性衬底12。图5示出了本发明一个较佳的实施例的倾斜二次折弯棱柱的模具结构爆炸示意图，图中所示两个组件合起来，就是完整模具，这样设计方便脱模。柔性衬底组件对电极层2全包围封装且在空间上柔性间隔，使弓形电极21与梯形交叉电极22构成一个空间立体电容，依据物体进入边缘场时电容值的变化规律，以及施加载荷时电容值的变化规律，实现距离与应力的感知，通过电容值的变化，感知物体的接近与接触的信息，为智能控制系统提供快速、准确的反馈。

参见图3和图4，构成所述电极层2的弓形电极21被梯形叉指电极22封闭起来，二者整体呈弓-梯形叠叉指状结构；阶梯状棱柱结构介质层13连接在弓形电极柔性衬底11与梯形电极柔性衬底12之间，弓形电极柔性衬底11用于封装弓形电极21，梯形电极柔性衬底12则用于封装梯形叉指电极22。在本实施例中，参见图1和图2，所述的阶梯状棱柱结构介质层13由多个仿生弯曲蛙腿结构单体阵列而成。

作为本实施例的优选设计方案，所述阶梯状棱柱结构介质层13的整体高度范围为0.3-6mm之间，其整体的长度与宽度范围均为10-30mm，仿生弯曲蛙腿结构单体的阵列间距范围为0.1-2mm。

在一些具体实施例中，所述仿生弯曲蛙腿结构单体由一组倾斜二次折弯棱柱组成，每个倾斜二次折弯棱柱包括垂直方向由低到高布置的倾斜低棱柱、水平中棱柱以及倾斜高棱柱，倾斜低棱柱与倾斜高棱柱大小一致且对称排列在水平中棱柱两端，水平中棱柱与柔性衬底组件所在平面平行，两个倾斜二次折弯棱柱的水平中棱柱重叠相连且整体构成对称结构。所述倾斜低棱柱与倾斜高棱柱的长宽高范围均为0.1-2mm，进一步优选地，此长宽高都为2mm。具体参见图2倾斜二次折弯棱柱的平面示意图，θ为倾斜角度，γ为折弯角度，且二者互补；其中倾斜角度θ范围为30-90度，更为优选地，θ为60度；倾斜低棱柱和倾斜高棱柱与水平中棱柱形成的两个折弯，折弯角度γ范围均在90-150度；水平中棱柱的底面长、宽、高范围均为0.1-2mm。

在本实施例的另一些优选设计方案中，所述弓形电极21与梯形叉指电极22映射平面间距一致，间距范围为0-2mm之间，其中2mm最佳。所述弓形电极21与梯形叉指电极22宽度尺寸一致，宽度范围为0.1-2mm之间；所述弓形电极21与梯形叉指电极22厚度尺寸一致，厚度范围为0.001-0.005mm之间。所述弓形电极21与梯形叉指电极22的叉指长度范围为6-18mm之间。所述弓形电极21与封闭弓形电极21的梯形叉指电极22总面积范围为120-480mm²。

通过对比试验，区别在于，所述弓形电极21和梯形电极22的叉指数量增加，或者区别在于所述介质层为多孔或表面微观结构，如金字塔、柱体、椎体等。通过仿真性能测试，比较可以得出本实施例一个优化方案的传感器电极结构布局(即所述弓形电极21与梯形叉指电极22映射平面间距一致，间距范围为1mm。所述弓形电极21与梯形叉指电极22厚度尺寸一致，厚度范围为0.002mm。所述弓形电极21与梯形叉指电极22宽度尺寸一致，宽度范围为1mm。所述弓形电极21与梯形叉指电极22的叉指长度范围为10mm。)，其性能提升更为符合要求，可达到更好灵敏度。

实施例中所述柔性衬底组件的材质优选采用硅橡胶，硅橡胶弹塑性好，价格低廉且易于流体成型制备结构。所述硅橡胶还可以进行掺杂导电材料处理，提升介质层的介电常数，进一步提升触觉感知的灵敏度。弓形电极柔性衬底11、梯形电极柔性衬底12和阶梯状棱柱结构介质层13的连接通过硅橡胶或介电常数高的材料粘贴固定，结构稳定，提升传感器抗疲劳性；所述硅橡胶材质还可以选用如GD401、GD402等常用室温硫化橡胶。所述电极层2的材质优先选用导电布材料，导电布柔韧性好，且易于硅橡胶制备的衬底粘连固定。

本发明实施例一种电容式接近觉与压力触觉传感器可以通过以下步骤的制备而成：

首先，向玻璃板上注入柔性衬底材料，摊匀，同时真空干燥箱中室温固化并待其固化后脱模，剪切制得柔性薄膜(相当于水平中棱柱)；利用SolidWorks 2019对一列阶梯状棱柱建立模具，用3D打印机打印多组模具，向模具里注入硅橡胶，同时真空干燥箱中室温固化并待其固化后脱模，将制得的多列倾斜阶梯状棱柱(相当于倾斜低棱柱、倾斜高棱柱)，用硅橡胶粘贴镜像排列固定到制得的柔性薄膜上，制得柔性阵列式的阶梯状棱柱结构介质层13；然后利用SolidWorks 2019对弓形电极21和梯形交叉电极的图案进行设计建模，基于印刷技术，分别将弓形电极21图案和梯形交叉电极22图案打印到纸张上；将导电布粘贴到印有电极图案的纸张上，沿图案边缘剪切，获取弓形电极21与梯形叉指电极22；去除图案电极的纸张，用硅橡胶分别固定在两份柔性衬底上，中间再用硅橡胶粘贴固定以及倾斜高棱柱，同时真空干燥箱中室温固化。从而获得一种电容式接近觉与压力触觉传感器。

本实施例上述制备过程基于3D打印技术、印刷技术、剪切技术与硅橡胶流体成型技术，整体制备流程简单、易操作，适于大批量制作；同时，采用导电布及硅橡胶，制备材料价格低廉，产品使用寿命长，更能应用于实际制作中。

本发明实施例电容式接近觉与压力触觉传感器的工作原理如下：

传感器由一片弓形电极21与封闭弓形电极21的梯形叉指电极22构成弓-梯形叠叉指的空间立体电容，有两种电容敏感机理，一个是压力感知，另一个是接近感知。基于两次保角变换来提取平面叉指电容参数，扩展其理论，用来提取叠叉指电容参数。当施加一个外部压力给敏感薄膜，电容的变化量是由电极的边缘场线通过介质层薄膜形成的，因此，原理公式如下：

C_p＝C_n+C_end(1)

式(1)至(12)中，i＝1,2,3，s,g,l分别为叉指电极的宽、间距、长度，ε₁,ε₂,ε₃,h₁,h₂,h₃分别为弓形电极衬底、梯形电极衬底、介质层的相对介电常数与高，K(k₀)为第一种椭圆积分的模值。

在接近敏感模式下，采用基于有效理论的并联双极板电容式近距离传感器建模中的拟合函数方程：

式(13)中μ，β，γ可以通过多组实验值计算。以上理论可以通过多组实验的测量，标定确定拉力下的一组电容值，从而在实际应用中可以通过电容值反演出对应的未接触时的距离以及接触时的应力大小。

以下是本发明实施例一种电容式接近觉与压力触觉传感器的性能仿真测试：

如图6至图9所示，图示出了本发明一个实施例的仿真性能示意图，仿真工具采用COMSOL Multiphysics 5.4。研究接近觉-触觉传感单元接近与压力感知特性，其中电极长度s为1mm、映射平面叉指间隙g为1mm、电极长度为10mm、电极厚度为0.125mm，此外，介质层厚度h₁为0.75mm、上下衬底厚度h₂、h₃为0.25mm；阶梯状棱柱结构介质层13的尺寸：上下斜棱柱的底部与顶部边长0.25mm、宽0.25mm、高0.25mm、倾斜60度，水平中棱柱中段长宽高与棱柱低段一致，阵列间距为2mm，且相邻的两排斜棱柱映射同一平面后中心镜像；整体尺寸：长12mm，宽10mm，高1.5mm。

如图6与图7所示，图中描述了本发明介质层受力应变过程以及本发明与对比案例的电场分布。图6中，施加载荷依次为0、0.01、0.02、0.03N，应力的分布能够凸显本发明介质层的杨氏模量低，且结构稳定，本发明灵敏度因此得到提升。图7中，依照图a)(本发明)与图b)(对比案例)的电场分布，可以凸显本发明电场分布规律，阵列后的干扰相比于对比案例会有所减小。

如图8与图9所示，图中为分层终端重叠叉指结构以及阵列式阶梯状棱柱结构介质层cc1(本申请实施例电极结构)以及cc2普通叉指电极以及无结构平面膜介质层的性能比较。图8、9分别为压力响应与接近觉响应，纵坐标均为相对电容变化量，横坐标分别为介质层应变厚度与接近距离。图8中，分层终端重叠叉指结构cc1(本申请实施例电极结构)明显优于普通叉指结构电极cc2。图9中，在接近觉量程内，分层终端重叠叉指结构cc1(本申请实施例电极结构)与分层普通叉指结构cc2(终端不重叠)的接近性能几乎一致。

一种电容式接近觉与压力触觉的传感系统，通过在所述传感系统的结构和电路中，设置有本实施例一种电容式接近觉与压力触觉传感器。从而得到一个更为完整的，具有兼备接近觉与压力触觉传感器的传感系统。

一种柔性电子皮肤，此种柔性电子皮肤通过设置有本实施例一种电容式接近觉与压力触觉传感器从而生产制造出一种可应用于智能可穿戴设备、人机交互、智能机器人、康复医疗等领域的柔性电子皮肤。

本发明的柔性接近觉与压力触觉传感器、传感系统及柔性电子皮肤倾斜，组成阶梯状棱柱结构介质层的仿生弯曲蛙腿结构单体弹性模量高，使得具有高灵敏度以及响应时间与恢复时间短的压力传感性能，同时弓-梯形叠叉指图案电极使得兼具了优越的接近感知能力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种柔性接近觉与压力触觉传感器，其特征是，包括：

电极层（2），所述电极层（2）包括在空间上立体分布的弓形电极（21）与封闭弓形电极（21）的梯形叉指电极（22），二者整体呈弓-梯形叠叉指状结构；

以及柔性衬底组件（1），所述柔性衬底组件包括弓形电极柔性衬底（11）、梯形电极柔性衬底（12）和连接在两者之间的阶梯状棱柱结构介质层（13），弓形电极柔性衬底（11）、梯形电极柔性衬底（12）分别封装弓形电极（21）和梯形叉指电极（22），阶梯状棱柱结构介质层（13）由多个仿生弯曲蛙腿结构单体阵列而成；所述仿生弯曲蛙腿结构单体由一组倾斜二次折弯棱柱组成，每个倾斜二次折弯棱柱包括垂直方向由低到高布置的倾斜低棱柱、水平中棱柱以及倾斜高棱柱，倾斜低棱柱与倾斜高棱柱大小一致且对称排列在水平中棱柱两端，水平中棱柱与柔性衬底组件所在平面平行，两个倾斜二次折弯棱柱的水平中棱柱重叠相连且整体构成对称结构。

2.根据权利要求1所述的一种柔性接近觉与压力触觉传感器，其特征是：所述阶梯状棱柱结构介质层（13）的整体高度范围为0.3-6 mm之间，其整体的长度与宽度范围均为10-30mm，仿生弯曲蛙腿结构单体的阵列间距范围为0.1-2 mm。

3.根据权利要求1所述的一种柔性接近觉与压力触觉传感器，其特征是：所述倾斜低棱柱与倾斜高棱柱的长、宽、高范围均为0.1-2 mm，倾斜角度范围为30-90度，与水平中棱柱形成的两个折弯，折弯角度范围均在90-150度，且折弯角度与倾斜角度互补；水平中棱柱的底面长、宽、高范围均为0.1-2 mm。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种柔性接近觉与压力触觉传感器，其特征是：所述弓形电极（21）与梯形叉指电极（22）映射平面间距一致，间距范围为0-2 mm之间。

5.根据权利要求1至3任一项所述的一种柔性接近觉与压力触觉传感器，其特征是：所述弓形电极（21）与梯形叉指电极（22）宽度尺寸一致，宽度范围为0.1-2 mm之间；所述弓形电极（21）与梯形叉指电极（22）厚度尺寸一致，厚度范围为0.001-0.005 mm之间。

6.根据权利要求1至3任一项所述的一种柔性接近觉与压力触觉传感器，其特征是：所述弓形电极（21）与梯形叉指电极（22）的叉指长度范围为6-18 mm之间。

7.根据权利要求1至3任一项所述的一种柔性接近觉与压力触觉传感器，其特征是：所述柔性衬底组件的材质采用硅橡胶，其弓形电极柔性衬底（11）、梯形电极柔性衬底（12）与阶梯状棱柱结构介质层（13）的连接均通过硅橡胶实现；所述电极层（2）的材质选用导电布材料。

8.一种电容式接近觉与压力触觉的传感系统，其特征在于，所述传感系统设置有如权利要求1至7任一项所述的一种柔性接近觉与压力触觉传感器。

9.一种柔性电子皮肤，其特征在于，设置有如权利要求1至7任一项所述的一种柔性接近觉与压力触觉传感器。