CN114674467A - 一种电容型触觉传感器 - Google Patents
一种电容型触觉传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114674467A CN114674467A CN202210367484.8A CN202210367484A CN114674467A CN 114674467 A CN114674467 A CN 114674467A CN 202210367484 A CN202210367484 A CN 202210367484A CN 114674467 A CN114674467 A CN 114674467A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- dielectric layer
- conductive
- touch sensor
- elastic porous
- composite dielectric
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 107
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 59
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 51
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 24
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 20
- 239000011370 conductive nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- 239000004088 foaming agent Substances 0.000 claims description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 12
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 12
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 10
- 238000005187 foaming Methods 0.000 claims description 9
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical group CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims description 5
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 claims description 5
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 claims description 5
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 3
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 claims description 3
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 claims description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 2
- 238000003760 magnetic stirring Methods 0.000 claims description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 13
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 9
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 4
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 238000005325 percolation Methods 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 description 2
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 2
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- -1 silver nanowires Chemical compound 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002042 Silver nanowire Substances 0.000 description 1
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000003049 inorganic solvent Substances 0.000 description 1
- 229910001867 inorganic solvent Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000011236 particulate material Substances 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000011897 real-time detection Methods 0.000 description 1
- 230000035807 sensation Effects 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 1
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
- G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
本发明涉及一种电容型触觉传感器，包括弹性多孔复合介电层和至少两个电极，所述电极设置于弹性多孔复合介电层的上、下两侧或同一侧，并与弹性多孔复合介电层构成传感器的电容主体；所述弹性多孔复合介电层受压产生弹性变形，并使传感器的电容发生改变；所述弹性多孔复合介电层以不导电的高分子聚合物为基材，掺入复合导电纳米颗粒制备形成多孔结构。所述电极为设置于弹性多孔复合介电层上的导电电极涂层，通过将触觉传感器的各个部分涂层化，实现触觉传感器的快速制备。该传感器制作成本低，制作工艺简单，适应性好。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，具体涉及一种电容型触觉传感器。
背景技术
随着智能传感技术的飞速发展，智能机器人的应用越来越广泛。触觉传感器作为人机交互的重要成员，其发展也十分迅猛。触觉是实现机器人与环境直接作用的必需媒介。近年来，微纳米加工制造新技术和新材料不断涌现，研究人员开发了多种触觉传感器的感知机理和结构形式，包括压阻式、电容式、压电式等。然而现有许多的触觉传感器由于涉及到光刻加工、聚合物微结构加工、磁控溅射等十分复杂的MEMS制作工艺，往往制造成本高，制备工艺复杂，这就导致了整个触觉传感器的制作成本十分高昂，难以实现大规模的生产与应用。此外，触觉传感器难以紧密的贴合在物体表面也是一大亟需解决的问题。现有的柔性触觉传感器往往是采用包裹或是覆盖等方法，固定在物体表面上。由于许多物体的表面属于对于不规则的曲面，即使传感器本身具有一定的柔性，也难以与物体紧密贴合。
专利CN111766010B（申请日期为2020年7月9日，公开日期为2020年10月13日）公开了一种三角形结构的电容式触觉传感器，包括上极板、下极板与电介质。其中，上下极板对应设置，上极板包括三片第一极板，下极板包括三片第二极板，并且第一与第二极板均呈顶角为120°的等腰三角形。由第一极板与第二极板共同构成三个独立的电容，以此来实现对三维力的精确测量与解耦，大大减少了极板数量与电容数量，简化了测量电路。但同时存在以下问题：1)各极板均为刚性，难以布置于曲面上；2)极板布置呈顶角为120°的三角形分布，对于切向力的分辨率不高。
专利CN106706176A（申请日期为2016年11月23日，公开日期为2017年5月24日）公开了一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器。该传感器的结构组成从上至下依次为指纹状表面微凸起、上层电容电极基底、上层电容电极、二维正弦微凸起介电层、下层电容电极和下层电容电极基底。其中，指纹状表面微凸起用于接收外部力刺激，上下电容电极基底作为支撑结构，上下电极呈正交布置，并与二维正弦微凸起介电层共同构成传感器的电容主体。该专利解决了传感器对于受力的高灵敏度实时检测问题，可应用于对灵敏度要求高的人工假肢、手术机械手等领域。但仍存在以下问题：1)指纹状表面微凸起与二维正弦微凸起高度仅3-5 μm，制备工艺对于精度要求较高，经济效应差；2)传感器大大提高了灵敏度，但这导致了传感器的测量范围很小，限制了传感器的应用。
专利CN111829698A（申请日期为2020年6月18日，公开日期为2020年10月27日）公开了一种基于仿生机理的双层触觉传感器，包括上层压阻式触觉传感器、下层电容式触觉传感器以及中间的硅橡胶隔离层，其中压阻式触觉传感器采用金字塔微结构，电容式触觉传感器采用细孔微针结构。整个传感器包括一个电容式触觉传感器与四个压阻式触觉传感器。该发明将适用于低频响应的压阻式触觉传感器与适用于高频响应的电容式触觉传感器结合为一体，实现了对静态力以及不同频率范围内的动态力的共同检测。将两者感知机理的优势结合起来，弥补了单一类型触觉传感器在稳定性、鲁棒性等方面存在的不足，提高了传感器的性能。其中，金字塔阵列结构提高了压阻式触觉传感器的灵敏度与测量范围，细孔微针结构提高了电容式触觉传感器的重复性与稳定性。但该发明仍存在以下问题：1)该发明中的金字塔阵列结构与细孔微针结构的制备均涉及到光刻工艺、倒模工艺与化学沉积工艺等，工艺流程繁琐且复杂，经济效益较差；2)传感器整体由多层薄膜组装而成，虽然具有一定的柔性，但难以贴合于不规则曲面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电容型触觉传感器，该传感器制作成本低，制作工艺简单，适应性好。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电容型触觉传感器，包括弹性多孔复合介电层和至少两个电极，所述电极设置于弹性多孔复合介电层的上、下两侧或同一侧，并与弹性多孔复合介电层构成传感器的电容主体；所述弹性多孔复合介电层受压产生弹性变形，并使传感器的电容发生改变；所述弹性多孔复合介电层以不导电的高分子聚合物为基材，掺入复合导电纳米颗粒制备形成多孔结构。
进一步地，所述电极为设置于弹性多孔复合介电层上的导电电极涂层，所述导电电极涂层在固化前为高导电性的流体，在固化后具有强附着力。
进一步地，所述导电电极涂层为导电银浆，通过丝网印刷工艺印刷形成特定的图形。
进一步地，包括两个电极，所述两个电极分设于弹性多孔复合介电层的上、下两侧，或者设置于弹性多孔复合介电层的同一侧，两个电极设置于同一侧时，两者之间存在间隙，相互之间不接触。
进一步地，包括三个电极，其中两个电极设置于弹性多孔复合介电层的同一侧且两者之间存在间隙，第三个电极设置于弹性多孔复合介电层的另一侧。
进一步地，所述弹性多孔复合介电层以不导电的高分子聚合物为基底，以复合导电纳米材料作为导电介质，复合导电纳米材料均匀混合于高分子聚合物中。
进一步地，所述复合导电纳米材料由管状材料与球状材料混合制成。
进一步地，所述弹性多孔复合介电层的制作方法为：
步骤1、将复合导电纳米材料与发泡剂加入溶剂中，使用超声波分散仪分散30min；
步骤2、将不导电的高分子聚合物加入步骤1得到的悬浊液中，使用超声波分散仪分散设定时间；
步骤3、使用磁力搅拌仪将步骤2得到的悬浊液搅拌至均匀；
步骤4、将步骤3得到的悬浊液涂覆于导电电极涂层上，静置至溶剂挥发完全；
步骤5、对步骤4得到的材料进行发泡，得到多孔结构的弹性多孔复合介电层。
进一步地，所述高分子聚合物为单组份室温硫化硅橡胶，所述复合导电纳米材料为多壁碳纳米管与炭黑，所述溶剂为正己烷。
进一步地，所述发泡剂为AC发泡剂，所述步骤5中，采用化学发泡法进行发泡，得到多孔结构的弹性多孔复合介电层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过将触觉传感器的各个部分涂层化，可以通过涂覆、喷涂与印刷等方法实现触觉传感器的快速制备，使传感器与衬底更紧密的贴合，或者直接将传感器制作于物体表面。因此，本发明的电容型触觉传感器具有制作材料成本低、制作工艺简单易实现、适用性好等优点。
附图说明
图1是本发明实施例一中导电电极涂层的结构示意图。
图2是本发明实施例一中弹性多孔复合介电层的结构示意图。
图3是本发明实施例一中弹性多孔复合介电层的制备流程示意图。
图4是本发明实施例一中电容型触觉传感器的剖面结构示意图。
图5是本发明实施例一中电容型触觉传感器阵列的导电电极涂层示意图。
图6是本发明实施例一中电容型触觉传感器阵列的分层结构示意图。
图7是本发明实施例二中电容型触觉传感器的剖面结构示意图。
图8是本发明实施例二中电容型触觉传感器阵列的底部导电电极涂层示意图。
图9是本发明实施例二中电容型触觉传感器阵列的分层结构示意图。
图10是本发明实施例三中电容型触觉传感器的剖面结构示意图。
图11是本发明实施例三中电容型触觉传感器阵列的分层结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明提供了一种电容型触觉传感器，包括弹性多孔复合介电层和至少两个电极，所述电极设置于弹性多孔复合介电层的上、下两侧或同一侧，并与弹性多孔复合介电层构成传感器的电容主体；所述弹性多孔复合介电层受压产生弹性变形，并使传感器的电容发生改变；所述弹性多孔复合介电层以不导电的高分子聚合物为基材，掺入复合导电纳米颗粒制备形成多孔结构。
图1为本发明实施例一的导电电极涂层示意图，从图1中可以看出，左导电电极涂层10与右导电电极涂层11设置于衬底的同一侧，并且两者之间存在间隙，相互之间并不接触。左引出线12与右引出线13用于引出左右导电电极涂层所测得的电容，方便后续的接线操作。本实施例中，导电电极涂层的材料选为导电银浆，通过丝网印刷方式，均匀印刷于衬底上。
图2为实施例一的弹性多孔复合介电层结构示意图，从图2中可以看出，20为一种混合有复合导电纳米材料的不导电高分子聚合物，21为复合导电纳米材料，该材料均匀的分散于不导电高分子聚合物20中，22为发泡剂受热分解后，释放气体所产生的气泡。由于弹性多孔复合介电层2属于复合材料，需要通过调整复合导电纳米材料21在不导电高分子聚合物20中的质量分数来得到合适的导电性。根据渗流理论，随着复合导电纳米材料21的质量分数的增加，弹性多孔复合介电层的电阻率依次呈现高电阻区、渗流区和导电区三个区域，由于本发明是将该弹性多孔复合介电层作为电容型触觉传感器的介电层，因此该弹性多孔复合介电层2的电阻不能太小，否则无法形成电容器。结合以上要求，本发明的目标是将弹性多孔复合介电层2的导电性调整至高阻区并靠近渗流区的位置，使得弹性多孔复合介电层2具有较大的原始电阻，并在受压时电阻的变化尽可能大。复合导电纳米材料21是管状材料与球状材料混合使用。此外，本发明引入了多孔结构。多孔结构的引入主要有两方面的有益效果：一方面，多孔结构可以使复合材料的渗流区前移，这意味着，只需要更少的复合导电纳米材料21就可以使弹性多孔复合介电层达到理想的导电性，这能够有效降低复合导电纳米材料21的质量；另一方面，多孔结构使弹性多孔复合介电层中出现了大量气泡22，受压时气泡22被挤压，使不导电高分子聚合物20中的复合导电纳米材料21接触更紧密，提高了弹性多孔复合介电层受按压之后的导电性，并且改善了弹性多孔复合介电层的力学特性，有助于提高传感器的灵敏度并改善传感器迟滞性。本实施案例中，不导电高分子聚合物20选为单组份室温硫化硅橡胶，复合导电纳米材料21选为多壁碳纳米管与炭黑混合使用，多孔材料制备方法选择化学发泡法，发泡剂选为AC发泡剂，并使用粉末状氧化锌(ZnO)作为催化剂，复合导电纳米材料21的质量分数约为2%，AC发泡剂质量分数约为6%，催化剂与发泡剂含量为1:1。
图3为实施例一的弹性多孔复合介电层的制备流程示意图，从图3中可以看出：30为溶剂，31为复合导电纳米材料，32为AC发泡剂，33为催化剂。将复合导电纳米材料31、发泡剂32与催化剂33加入溶剂30中，使用超声波分散仪分散30min；将不导电的高分子聚合物加入到上一步制作的悬浊液中，继续使用超声波分散仪分散30min；使用磁力搅拌仪将悬浊液搅拌1h至均匀；将上一步制作的悬浊液涂覆于所述的导电电极涂层上方，静置1h至溶剂挥发完全；将所述的弹性多孔复合介电层加热至130℃，使所述的发泡剂分解发泡5min。其中，溶剂应选用能够良好分散复合导电纳米材料并能够溶解不导电高分子聚合物的溶剂；复合导电纳米材料应分别选用管状材料和球状材料，管状结构的导电纳米材料主要担负远程运输电子的作用，颗粒状结构的导电纳米材料主要担负短程运输电子的作用。
图4为实施例一的电容型触觉传感器的剖面结构示意图，本发明提出的一种基于弹性多孔复合介电层的电容型触觉传感器，包括弹性多孔复合介电层40、左导电电极涂层41与右导电电极涂层42。左右导电电极涂层为高导电性的流体，固化后具有较强的附着力，能够附着于衬底上而不脱落，并通过丝网印刷方法在衬底上形成特定的图形。弹性多孔复合介电层40由均匀分散有复合导电纳米材料并经过发泡的不导电高分子聚合物构成。由于在制备弹性多孔复合介电层时，通过调整复合导电纳米材料的质量分数将弹性多孔复合介电层40的导电性调整在高阻区，初始电阻较高。因此当没有受到外力按压时，作为介电层的弹性多孔复合介电层40初始介电常数较小，整个触觉传感器的初始电容也较小。当受到外力43按压时，弹性多孔复合介电层40被压缩，一方面，复合纳米导电材料在高分子聚合物中的间距减小，并形成新的有效导电通路，另一方面，由于弹性多孔复合介电层40中的气泡被压缩，气泡内部相互接触，有效导电通路也随之增加，从而引起弹性多孔复合介电层40的介电常数增加，进而导致触觉传感器的电容增大，最终实现触觉传感器的压力检测。其中，左、右导电电极涂层41、42的材料可以是金属漆，也可以是有机导电高分子材料，或者是其他导电材料。在本实例中，导电电极涂层的材料选为导电银浆。
图5为实施例一的电容型触觉传感器阵列的导电电极涂层示意图，从图5中可以看出，该传感器阵列包括四行四列共16个传感器，各传感器的左、右导电电极涂层分别引出。
图6为实施例一的电容型触觉传感器阵列的分层结构示意图，从图6中可以看出，第一层为导电电极涂层60，第二层弹性多孔复合介电层61布置于导电电极涂层60上方。在导电电极涂层上固定好模具，之后倒入弹性多孔复合介电层悬浊液，待其固化成型，再进行发泡处理后，去除模具，即可完成触觉传感器阵列的制备。该传感器阵列仅为双层结构，大大简化了传感器的制备流程。
图7为实施例二的电容型触觉传感器的剖面结构示意图。在本实施案例中，导电电极涂层71、72分别位于弹性多孔复合介电层70的两侧，构成电容主体。当传感器受到外力73按压时，弹性多孔复合介电层70受力压缩，两导电电极涂层71、72之间的间距减小，并且弹性多孔复合介电层70的介电常数增大，从而使电容增大，最终实现触觉传感器的压力检测。
图8为实施例二的电容型触觉传感器阵列的底部导电电极涂层示意图，从图8中可以看出，底部导电电极涂层包括传感器的底部电极板，以及底部电极板的引出线，本实例中，底部导电电极涂层72材料为导电银浆，通过丝网印刷工艺制备。
图9为实施例二的电容型触觉传感器阵列的分层结构示意图，从图9中可以看出，该传感器阵列包括三层结构，第一层为底部导电电极涂层90，第二层为弹性多孔复合介电层91，第三层为顶部导电电极涂层92。在本实例中，底部导电电极涂层90的制备方法在图8中已说明，弹性多孔复合介电层91则是直接制备于底部导电电极涂层90上，在底部导电电极涂层90上固定好模具，之后倒入弹性多孔复合介电层悬浊液，待其固化成型，再进行发泡处理后，去除模具即可。顶部导电电极涂层92则是通过模板喷涂工艺制备，材料为导电银漆。
图10为实施例三的电容型触觉传感器的剖面结构示意图。在本实施案例中，底部左、右导电电极涂层101、102分别位于弹性多孔复合介电层100的两侧，顶部导电电极涂层103位于弹性多孔复合介电层100的顶部，四者共同构成电容主体。提出该实施案例的原因在于，图4所述的触觉传感器原理实际上测得的是两底部左、右电极板之间的漏电容，数值较小，这将导致传感器的信噪比等性能的下降。因此，为了提高传感器的性能表现，我们提出了该案例所述的传感器结构。该结构的原理阐述如下：底部左导电电极涂层101与顶部导电电极涂层103构成左侧电容主体，而底部右导电电极涂层102与顶部导电电极涂层103构成右侧电容主体，则传感器的电容主体则可以等效的认为由左右两侧电容主体串联而成。
图11为实施例三的电容型触觉传感器阵列的分层结构示意图。从图11中可以看出，底部导电电极涂层110与图5所示的电极涂层完全相同，弹性多孔复合介电层111的制备也与图6所述制备方法相同，只需在图6的基础上，在弹性多孔复合介电层111的顶部再制备一层顶部导电电极涂层113即可。在本实例中，顶部导电电极涂层92通过模板喷涂工艺制备，材料为导电银漆。
本领域技术人员应该理解，本发明不仅仅限于该具体实施案例的设置，在另外的一些具体实施案例中，复合导电纳米材料中的管状材料可选为碳纳米管以外的其他材料，如银纳米线，颗粒状材料可选为炭黑以外的其他材料，如金属颗粒等；不导电高分子聚合物可选为除硅橡胶之外的其他材料，如PVA（聚乙烯醇）、PDMS（聚二甲基硅氧烷）等；溶剂可选为除正己烷以外的其他有机溶剂或无机溶剂，如无水乙醇，丙酮，四氢呋喃等；传感器结构可以选为除该具体实施案例所示的三种结构以外的其他结构；导电电极涂层可以选为除导电银浆以外的其他金属材料或者导电高分子材料，如导电金属喷漆，PEDOT（聚乙烯二氧噻吩）；衬底可以选为PET以外的其他柔性材料或硬质材料，如玻璃。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种电容型触觉传感器，其特征在于，包括弹性多孔复合介电层和至少两个电极，所述电极设置于弹性多孔复合介电层的上、下两侧或同一侧，并与弹性多孔复合介电层构成传感器的电容主体；所述弹性多孔复合介电层受压产生弹性变形，并使传感器的电容发生改变；所述弹性多孔复合介电层以不导电的高分子聚合物为基材，掺入复合导电纳米颗粒制备形成多孔结构。
2.根据权利要求1所述的一种电容型触觉传感器，其特征在于，所述电极为设置于弹性多孔复合介电层上的导电电极涂层，所述导电电极涂层在固化前为高导电性的流体，在固化后具有强附着力。
3.根据权利要求2所述的一种电容型触觉传感器，其特征在于，所述导电电极涂层为导电银浆，通过丝网印刷工艺印刷形成特定的图形。
4.根据权利要求1 所述的一种电容型触觉传感器，其特征在于，包括两个电极，所述两个电极分设于弹性多孔复合介电层的上、下两侧，或者设置于弹性多孔复合介电层的同一侧，两个电极设置于同一侧时，两者之间存在间隙，相互之间不接触。
5.根据权利要求1 所述的一种电容型触觉传感器，其特征在于，包括三个电极，其中两个电极设置于弹性多孔复合介电层的同一侧且两者之间存在间隙，第三个电极设置于弹性多孔复合介电层的另一侧。
6.根据权利要求1 所述的一种电容型触觉传感器，其特征在于，所述弹性多孔复合介电层以不导电的高分子聚合物为基底，以复合导电纳米材料作为导电介质，复合导电纳米材料均匀混合于高分子聚合物中。
7.根据权利要求6所述的一种电容型触觉传感器，其特征在于，所述复合导电纳米材料由管状材料与球状材料混合制成。
8.根据权利要求1 所述的一种电容型触觉传感器，其特征在于，所述弹性多孔复合介电层的制作方法为：
步骤1、将复合导电纳米材料与发泡剂加入溶剂中，使用超声波分散仪分散30min；
步骤2、将不导电的高分子聚合物加入步骤1得到的悬浊液中，使用超声波分散仪分散设定时间；
步骤3、使用磁力搅拌仪将步骤2得到的悬浊液搅拌至均匀；
步骤4、将步骤3得到的悬浊液涂覆于导电电极涂层上，静置至溶剂挥发完全；
步骤5、对步骤4得到的材料进行发泡，得到多孔结构的弹性多孔复合介电层。
9.根据权利要求8 所述的一种电容型触觉传感器，其特征在于，所述高分子聚合物为单组份室温硫化硅橡胶，所述复合导电纳米材料为多壁碳纳米管与炭黑，所述溶剂为正己烷。
10.根据权利要求8 所述的一种电容型触觉传感器，其特征在于，所述发泡剂为AC发泡剂，所述步骤5中，采用化学发泡法进行发泡，得到多孔结构的弹性多孔复合介电层。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210367484.8A CN114674467A (zh) | 2022-04-08 | 2022-04-08 | 一种电容型触觉传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210367484.8A CN114674467A (zh) | 2022-04-08 | 2022-04-08 | 一种电容型触觉传感器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114674467A true CN114674467A (zh) | 2022-06-28 |
Family
ID=82078387
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210367484.8A Pending CN114674467A (zh) | 2022-04-08 | 2022-04-08 | 一种电容型触觉传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114674467A (zh) |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101009158A (zh) * | 2006-01-26 | 2007-08-01 | 汉王科技股份有限公司 | 一种改变电容的装置 |
| CN106706176A (zh) * | 2016-11-23 | 2017-05-24 | 浙江大学 | 具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器 |
| CN109520646A (zh) * | 2018-11-27 | 2019-03-26 | 安徽大学 | 基于三维多孔微结构复合介质层的高灵敏度电容式柔性触觉传感器及其制作方法 |
| CN109813466A (zh) * | 2019-03-22 | 2019-05-28 | 重庆大学 | 具有滑移感知功能的触觉传感器 |
| CN109870254A (zh) * | 2019-03-01 | 2019-06-11 | 厦门大学 | 一种高灵敏度的电容式滑触觉传感器 |
| CN110220619A (zh) * | 2019-07-15 | 2019-09-10 | 合肥工业大学 | 基于空心球结构的柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN111256571A (zh) * | 2020-01-20 | 2020-06-09 | 腾讯科技（深圳）有限公司 | 柔性电容触觉传感器及其制备方法和触觉传感系统 |
| CN111366274A (zh) * | 2020-04-07 | 2020-07-03 | 安徽大学 | 一种全柔性电容式三维力触觉传感器 |
| CN111766010A (zh) * | 2020-07-09 | 2020-10-13 | 北京航空航天大学 | 一种电容式触觉传感器 |
| CN111829698A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-10-27 | 东南大学 | 一种基于仿生机理的双层触觉传感器 |
| CN112484887A (zh) * | 2020-11-09 | 2021-03-12 | 南京工业大学 | 宽量程柔性电容式压力传感器及其制备方法 |
| CN114112119A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-03-01 | 河北工业大学 | 一种基于赝电容原理的微结构化触觉传感器及其制备方法 |
-
2022
- 2022-04-08 CN CN202210367484.8A patent/CN114674467A/zh active Pending
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101009158A (zh) * | 2006-01-26 | 2007-08-01 | 汉王科技股份有限公司 | 一种改变电容的装置 |
| CN106706176A (zh) * | 2016-11-23 | 2017-05-24 | 浙江大学 | 具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器 |
| CN109520646A (zh) * | 2018-11-27 | 2019-03-26 | 安徽大学 | 基于三维多孔微结构复合介质层的高灵敏度电容式柔性触觉传感器及其制作方法 |
| CN109870254A (zh) * | 2019-03-01 | 2019-06-11 | 厦门大学 | 一种高灵敏度的电容式滑触觉传感器 |
| CN109813466A (zh) * | 2019-03-22 | 2019-05-28 | 重庆大学 | 具有滑移感知功能的触觉传感器 |
| CN110220619A (zh) * | 2019-07-15 | 2019-09-10 | 合肥工业大学 | 基于空心球结构的柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN111256571A (zh) * | 2020-01-20 | 2020-06-09 | 腾讯科技（深圳）有限公司 | 柔性电容触觉传感器及其制备方法和触觉传感系统 |
| CN111366274A (zh) * | 2020-04-07 | 2020-07-03 | 安徽大学 | 一种全柔性电容式三维力触觉传感器 |
| CN111829698A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-10-27 | 东南大学 | 一种基于仿生机理的双层触觉传感器 |
| CN111766010A (zh) * | 2020-07-09 | 2020-10-13 | 北京航空航天大学 | 一种电容式触觉传感器 |
| CN112484887A (zh) * | 2020-11-09 | 2021-03-12 | 南京工业大学 | 宽量程柔性电容式压力传感器及其制备方法 |
| CN114112119A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-03-01 | 河北工业大学 | 一种基于赝电容原理的微结构化触觉传感器及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Peng et al. | Rational design of ultrasensitive pressure sensors by tailoring microscopic features | |
| CN110333012B (zh) | 一种阻变容变复合的二维应变传感器及其制备方法 | |
| CN107588872B (zh) | 基于导电织物的三维力柔性触觉传感器 | |
| Zhu et al. | Highly sensitive and flexible tactile sensor based on porous graphene sponges for distributed tactile sensing in monitoring human motions | |
| Cohen et al. | A highly elastic, capacitive strain gauge based on percolating nanotube networks | |
| Thouti et al. | Tunable flexible capacitive pressure sensors using arrangement of polydimethylsiloxane micro-pyramids for bio-signal monitoring | |
| CN110082010A (zh) | 柔性触觉传感器阵列及应用于其的阵列扫描系统 | |
| CN110231110B (zh) | 一种高灵敏度电子皮肤及其制备方法 | |
| Ma et al. | Recent progress in flexible capacitive sensors: Structures and properties | |
| CN110793701A (zh) | 一种高灵敏度电容式柔性三维力触觉传感器及其制备方法 | |
| CN105136369A (zh) | 一种全柔性电阻式触压觉感知传感器及其制作方法 | |
| CN114705334B (zh) | 一种线性压阻式触觉传感器及其制备方法 | |
| CN108195491B (zh) | 柔性压力传感器及其制备方法 | |
| Sun et al. | A highly-sensitive flexible tactile sensor array utilizing piezoresistive carbon nanotube–polydimethylsiloxane composite | |
| Devaraj et al. | Highly elastic and flexible multi-layered carbon black/elastomer composite based capacitive sensor arrays for soft robotics | |
| Su et al. | Highly sensitive ionic pressure sensor based on concave meniscus for electronic skin | |
| US11320323B2 (en) | Additively manufactured flexible electronic sensors and conductive compositions used therein | |
| CN114812879A (zh) | 一种具有超宽且可调线性范围的柔性压力传感器及其制备方法 | |
| Chen et al. | High-sensitivity, fast-response flexible pressure sensor for electronic skin using direct writing printing | |
| Yang et al. | Electrospun ionic nanofiber membrane-based fast and highly sensitive capacitive pressure sensor | |
| Xu et al. | High-sensitivity flexible tri-axial capacitive tactile sensor for object grab sensing | |
| Wang et al. | Printable all-paper pressure sensors with high sensitivity and wide sensing range | |
| Zhang et al. | A highly sensitive flexible capacitive pressure sensor with wide detection range based on bionic gradient microstructures | |
| CN210154720U (zh) | 一种高灵敏度电子皮肤 | |
| Ding et al. | Molding-free fully-printed flexible tactile sensors with performance-enhancing microstructures |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220628 |