CN114486046B - 基于柔性触觉电容的三维压力传感器 - Google Patents
基于柔性触觉电容的三维压力传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于柔性触觉电容的三维压力传感器，其球形接触端头位于柔性上部基底的上方，所述电容上部电极层、极间介质层、电容下部电极层、柔性下部基底层从上到下依次位于三维压力传感器柔性上部基底的下方，所述电容上部电极层位于三维压力传感器柔性上部基底层的下表面，所述韧性支撑圆柱、韧性支撑垫片与极间介质层处于同层、共同构成柔性支架层，其排布为韧性支撑圆柱位于极间介质层四顶角处的间隙区域内，韧性支撑垫片位于极间介质层中心处的间隙区域内；所述传感器可以分别感知施加的法向力、剪切力和拉力，实现较大维度的压力传感，具有较高灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种基于柔性触觉电容的三维压力传感器。
背景技术
随着传感器行业的快速发展，柔性三维压力传感器的出现使对仿生皮肤、机器人触觉传感等内容的研究更加方便，其中电容传感器具有温度稳定性好、动态响应好、成本低廉、可以点接触测量且灵敏度高等优点，是三维压力传感应用中最常用的器件之一。电容传感器的容值随极板间隙、电极正对面积和极间介质的影响，而在压力传感研究中，保留较高的电容灵敏度和测量精度、保持传感器的柔性以及测量稳定性是相对矛盾的；同时，在传感测力时能够同时监测剪切力和法向力也是较为困难的。为了解决上述矛盾，研究人员经行了大量研究。
在论文方面，2005年，Lee等人使用PDMS和铜作为衬底和电极材料，他们在硅上脱模PDMS并将上下衬底粘合在一起，只能检测法向力(IEEE MEMS 2005，pp.642-645，2005)。2009年Cheng等人设计了一种新型的压力传感器，该传感器由PDMS材料和FPCB电路板组成。传感电极连接线都在FPCB上实现，而上电极则在PDMS上绘制图案(JMM，vol.19，no.4，2009)。特殊的设计能有效提高可靠性。2008年，Lee等人制作了一种电容压力传感器，使用PDMS和铜作为衬底和电极材料。每个传感器单元有五层：凹凸层、顶电极层、绝缘层、间隔层和底电极层。一个电容由四个电极组成，特殊的结构可以同时测量法向力和剪切力(JMEMS，vol.17，no.4，pp.934-942，2008)。2009年，Kimetal.使用PDMS作为衬底，ITO作为电极来制作触觉传感器(Transducer 2009，pp.1146-1149,2009)。
在专利方面，2014年，中国科学院合肥物质科学研究院潘宏青等人研究了一种可测量法向和切向力的柔性力传感器，有效提高了传感器受力时的电容变化值，显著改善了力测量灵敏度，并申请了中国专利(201410562317.4)；2015年，一种负电阻效应的拉敏型传感器，这种拉力传感器具有结构简单、力学量变化幅度大、使用寿命长、柔性好的优点，并申请了中国专利(201510600916.5)；苏州大学王凤霞等人研究了一种柔性三维力传感器，实现了高灵敏度和受力范围广的传感特性，并申请了中国专利(202110339251.2)。然而，上述专利未能实现在保证传感器柔性、压感使用寿命的同时监测法向力、切向力和拉力的传感功能。
虽然监测法向力和切向力的电容传感已经被广泛的研究，但是目前这种具有柔软度、韧性和透光性，并能同时检测法向力、剪切力和拉力的三维压力传感器的研究还比较缺乏，且采用的成本较高，不利于大规模商业实际应用。
综上所述，如今传感器朝着小型化、柔性化和高精度的方向发展，但目前已有能够实现三维力测量的电容式柔性传感器的发明由于造价高、体积大、难以穿戴集成等问题而使得难以大规模使用，这也在一定程度上限制了柔性电容传感器的广泛应用；同时，要兼顾柔性(可穿戴性)、韧性(使用寿命)、高精度和低成本也有一定技术挑战性，因此亟待设计出一款性能更为优异的传感器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于柔性触觉电容的三维压力传感器。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于柔性触觉电容的三维压力传感器，包括球形接触端头(1)、柔性上部基底层(2)、电容上部电极层(3)、极间介质层(4)、韧性支撑垫片(5)、韧性支撑圆柱(6)、电容下部电极层(7)、柔性下部基底层(8)；所述球形接触端头(1)位于柔性上部基底(2)的上方，所述电容上部电极层(3)、极间介质层(4)、电容下部电极层(7)、柔性下部基底层(8)从上到下依次位于三维压力传感器柔性上部基底(2)的下方，所述电容上部电极层(3)位于三维压力传感器柔性上部基底层(2)的下表面，所述韧性支撑圆柱(6)、韧性支撑垫片(5)与极间介质层(4)处于同层、共同构成柔性支架层，其排布为韧性支撑圆柱(6)位于极间介质层(4)四顶角处的间隙区域内，韧性支撑垫片(5)位于极间介质层(4)中心处的间隙区域内。
上面提到的三维压力是指法向力、切向力、拉力。
优选的，上述基于柔性触觉电容的三维压力传感器，所述柔性上部基底层(2)和柔性下部基底层(8)的体积占比为所述基于柔性触觉电容的三维压力传感器总体积的比例为40％～70％。
优选的，上述基于柔性触觉电容的三维压力传感器，所述极间介质层(4)为空气层、氮气层或惰性气体层。
优选的，上述基于柔性触觉电容的三维压力传感器，所述电容上部电极层(3)和电容下部电极层(7)为平板状电极层，所述平板状电极层包括若干个通过丝网印刷技术，以导电油墨为印刷材料，印刷而成的丝网印刷电极。
优选的，上述基于柔性触觉电容的三维压力传感器，所述传感器的韧性支撑垫片(5)穿过极间介质层(4)的面心区域，支撑电容上部电极层(3)和电容下部电极层(7)的中心区域部分；韧性支撑圆柱(6)穿过电容上部电极层(3)和电容下部电极层(7)的四角空隙区域，与柔性上部基底层(2)和柔性下部基底层(8)通过导电粘合剂粘接在一起，或者利用柔性材料本身黏性拼接成一体。
优选的，上述基于柔性触觉电容的三维压力传感器，所述三维压力传感器柔性上部基底层(2)、三维压力传感器柔性下部基底层(8)使用柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等柔性材料之一制成。
优选的，上述基于柔性触觉电容的三维压力传感器，所述球形接触端头(1)使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)或聚偏氟乙烯(PVDF)制成。
优选的，上述基于柔性触觉电容的三维压力传感器，所述电容上部电极层(3)、电容下部电极层(7)使用导电材料金、银或铜制成。
优选的，上述基于柔性触觉电容的三维压力传感器，制备三维压力传感器柔性上部基底层(2)、三维压力传感器柔性下部基底层(8)的灌装模具采用3d打印技术制成。
有益效果：
所述基于柔性触觉电容的三维压力传感器，具有如下优点：
1、该传感器是五层柔性触觉传感器，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和导电银浆为基材，在每个柔性传感器单元中形成四个电容，具有较高灵敏度。
2、该传感器由于柔性传感和韧性支撑结构，可以分别感知施加的法向力、剪切力和拉力，实现较大维度的压力传感。
3.该传感器尺寸小，可以使用传感阵列结构从而实现多点高精度测量，同时也有利于实现传感模块的集成化。
4.该传感器与现有PDMS等制作工艺兼容，可以实现成本的有效降低和提高规模化生产水平。
附图说明
图1是本发明中基于柔性触觉电容的三维压力传感器的分体结构示意图；
图2是本发明中基于柔性触觉电容的三维压力传感器的总体示意图；
图3是本发明中基于柔性触觉电容的三维压力传感器截面示意图；
图4是本发明中电容测法向力过程的仿真示意图；
图5是本发明中电容测切向力过程的仿真示意图；
图6是本发明中电容测拉力过程的仿真示意图；
图7是法向力的传感器测试特性曲线；
图8是切向力的传感器测试特性曲线；
图9是拉力的传感器测试特性曲线；
图10是总压力的传感器测试特性曲线。
图中，1：球形接触端头 2：柔性上部基底层
3：电容上部电极层 4：极间介质层
5：韧性支撑垫片 6：韧性支撑圆柱
7：电容下部电极层 8：柔性下部基底层
9：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)
10：聚二甲基硅氧烷(PDMS) 11：导电银浆
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于柔性触觉电容的三维压力传感器及其实施方法做出详细说明。
实施例1
如图1-图3所示，本发明所述基于柔性触觉电容的三维压力传感器，提出了六层互容柔性触觉传感器结构，即该传感器的主体电容传感部分共包括六层主要结构:球形接触端头1、电容上部电极层3、极间介质层4、韧性支撑圆柱5、电容下部电极层7、柔性上部基底层2、柔性下部基底层8。在每个触觉传感器单元中，电容上部电极层3、电容下部电极层7和极间介质层4在对称位置构成了四个差分电容，并在韧性支撑垫片5和韧性支撑圆柱6的支撑下构成了监测三维力的基本单元。球形接触端头的中心位于上基底的正上方，韧性支撑垫片5和韧性支撑圆柱6穿过极间介质层4位于柔性上部基底层2和柔性下部基底层8之间。其中，韧性支撑圆柱6位于极间介质层4四顶角处的间隙区域内，所述韧性支撑圆柱6穿过电容上部电极层3和电容下部电极层7的四角空隙区域，与柔性上部基底层2和柔性下部基底层8通过导电粘合剂粘接在一起(也可以利用柔性材料本身黏性拼接成一体)；传感器的韧性支撑垫片5位于极间介质层4中心处的间隙区域内，所述韧性支撑垫片5穿过极间介质层4的面心区域，支撑电容上部电极层3和电容下部电极层7的中心区域部分。
上述球形接触端头1起到直接接触压力的作用，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)9材质防止外力破坏传感器，同时球形外表与外界物体实现小面积或点接触，从而提高了压力感知精度；柔性基底层起到压力传递作用，使得较小的压力能够有效地改变传感器电极的间隙与正对面积，从而引起电容改变；导电银浆11制备类三维压力传感器的电容上、下部电极层，可保证传感器拥有较高灵敏度，材质为金属银的良好导电性有效地减少了传感反应时间和压力动态反应传递时间；为防止在使用过程中柔性集体的小形变导致传感器腔体的磨损从而使得传感器破坏，上下极板间的介质使用柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)10材料，避免因采用硬性介质而在柔性电极形变下产生较大空隙而导致传感器失灵。
在测量外界压力变化的过程中，传感器可能从各角度受到不同大小的力，为此传感器在各方向受力时需保持较好的性能与数据收集准确率，为此传感器保持了对称耦合结构。传感器结构中，除了上下极板，每个部分需要在x和y维度上都保持尺寸相同，避免在不同方向上的力觉监测出现误差；上下极板则保持中心对称结构，尽量确保各电容极板参数及传感性能相同。
如图4所示，当电容式三维力柔性触觉传感器受法向力Fz1作用时，极间介质腔体受力被压缩使上下极板间距由d0减小为d0-δd，此时单个电容输出的电容值满足：
其中s分别为上下极板的正对面积；ε0＝8.854×10-12F/m，为真空介电常数；εr为两极板间介质层的相对介电常数；Ci为受力时平行板电容值，i＝1，2，3，4。
当电容式三维力柔性触觉传感器受法向力Fz作用时，四个电容输出的电容值满足关系式：
其中，Ci为受力时平行板电容值，i＝1，2，3，4；C0为传感器受法向力下的总体电容值。
如图5所示，电容式三维力柔性触觉传感器在x向的切向力FX作用下，球形接触端头带动柔性上极板产生位移，从而致使其有效正对极板面积发生变化；与此同时，相比于一般的单级板电容式压力传感器，本研究中的柔性三维压力柔性传感器采用差分电容感知切向力，有效地提高了压力测量的灵敏度。当沿x轴正方向施加切向力时，其差分电容值满足下式：
ΔCx0＝(ΔC2+ΔC3-ΔC1-ΔC4)/2
其中ΔCx0为传感器的总体差分电容平均改变量；ΔC1、ΔC2、ΔC3、ΔC4为四个电容分别的变动量。
如图6所示，当电容式三维力柔性触觉传感器受法向力Fz2作用时，极间介质腔体受力被拉伸使上下极板间距由d0增加为d0+δd，此时单个电容输出的电容值满足：
其中s分别为上下极板的正对面积；ε0＝8.854×10-12F/m，为真空介电常数；εr为两极板间介质层的相对介电常数；Ci为受力时平行板电容值，i＝1，2，3，4。
当电容式三维力柔性触觉传感器受法向力Fz2作用时，四个电容输出的电容值满足关系式：
其中，Ci为受力时平行板电容值，i＝1，2，3，4；C1为传感器受拉力下的总体电容值。
实施例2
如图2所示的一种三维压力传感器，其结构参数如下：球形接触端头底面直径2500μm，高300μm，柔性上、下部基底层为长5400μm、宽5400μm、厚200μm的聚二甲基硅氧烷(PDMS)层，电容上部电极层的四条短边长为1500μm、两条长边长为2500μm，厚10μm，电容下部电极层的四条短边长为1500μm、两条长边长为2500μm，厚10μm，韧性支撑圆柱直径为20μm，高30μm，韧性支撑垫片直径为20μm，高30μm。根据理论计算，该传感器可以支持0-10N的作用力传感。在具体实施例中，使用VERNIER数据采集器labquest-mini置放于linmot线性马达上通过控制线性马达的行进量来改变压力，即对传感器施加标准力；同时使用台式精密LCR数字电桥测试仪对上述传感器进行受力传感测量其实时电容值，并使用作图软件(Excel)中的线性拟合函数对上述测得离散数据进行拟合得到传感特性曲线，其拉力、切向力、法向力分别测得的传感特性曲线如图7、8、9所示，其精度分别可以达到0.1pF、0.2pF、0.1pF，而灵敏度分别达到了0.4pF/N、0.2pF/N、0.4pF/N，与此同时，当测量传感器计算其总电容值特性曲线时，如图10所示传感特性曲线在近似线性区拥有较好线性度，其线性度达到了0.9827，而灵敏度达到了54.98fF/N，可以较好地实现三维力的传感功能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，本发明结构的构建步骤不分先后顺序，本技术领域技术人员以本发明的方法或以本方法为基础进行的结构改造等改进和润饰均视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于柔性触觉电容的三维压力传感器，其特征在于：包括球形接触端头（1）、柔性上部基底层（2）、电容上部电极层（3）、极间介质层（4）、韧性支撑垫片（5）、韧性支撑圆柱（6）、电容下部电极层（7）、柔性下部基底层（8），其中，所述球形接触端头（1）使用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或聚偏氟乙烯制成，所述柔性上部基底层（2）、柔性下部基底层（8）使用柔性聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯制成；所述球形接触端头（1）位于柔性上部基底（2）的上方，所述电容上部电极层（3）、极间介质层（4）、电容下部电极层（7）、柔性下部基底层（8）从上到下依次位于三维压力传感器柔性上部基底（2）的下方，所述电容上部电极层（3）、电容下部电极层（7）和极间介质层（4）在对称位置构成了四个差分电容，所述电容上部电极层（3）位于三维压力传感器柔性上部基底层（2）的下表面，所述韧性支撑圆柱（6）、韧性支撑垫片（5）与极间介质层（4）处于同层、共同构成柔性支架层，其排布为韧性支撑圆柱（6）位于极间介质层（4）四顶角处的间隙区域内，电容上部电极层（3）和电容下部电极层（7）的四角分别设置有贯通的空隙区域，韧性支撑圆柱（6）穿过电容上部电极层（3）和电容下部电极层（7）的四角空隙区域， 与柔性上部基底层（2）和柔性下部基底层（8）通过导电粘合剂粘接在一起，或者利用柔性材料本身黏性拼接成一体；所述韧性支撑垫片（5）位于极间介质层（4）中心处的间隙区域内，韧性支撑垫片（5）穿过极间介质层（4）的面心区域，支撑电容上部电极层（3）和电容下部电极层（7）的中心区域部分。
2.根据权利要求1所述的基于柔性触觉电容的三维压力传感器，其特征在于：所述柔性上部基底层（2）和柔性下部基底层（8）的体积占比为所述基于柔性触觉电容的三维压力传感器总体积的比例为40%～70%。
3.根据权利要求1所述的基于柔性触觉电容的三维压力传感器，其特征在于：所述极间介质层（4）为空气层、氮气层或惰性气体层。
4.根据权利要求1所述的基于柔性触觉电容的三维压力传感器，其特征在于：所述电容上部电极层（3）和电容下部电极层（7）为平板状电极层，所述平板状电极层包括若干个通过丝网印刷技术，以导电油墨为印刷材料，印刷而成的丝网印刷电极。
5.根据权利要求1所述的基于柔性触觉电容的三维压力传感器，其特征在于：所述电容上部电极层（3）、电容下部电极层（7）使用导电材料金、银或铜制成。
6.根据权利要求1所述的基于柔性触觉电容的三维压力传感器，其特征在于：制备所述柔性上部基底层（2）、柔性下部基底层（8）的灌装模具采用3d打印技术制成。
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