CN114739541A - 一种柔性触觉传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种柔性触觉传感器及其应用，柔性触觉传感器包括从上向下依次设置的柔性磁膜、中间弹性体、磁性传感单元和柔性基底，所述磁性传感单元具有敏感轴，所述柔性磁膜的充磁方向可调。本发明柔性触觉传感器结构简单，易于工业化生产，传感器整体为全柔性化设计，相比于刚性基底的传统器件，应用范围更广，并且可大面积制备，磁性传感单元具有敏感轴，可进行多自由度检测，灵敏度高，响应快速，耐温性好。
Description
技术领域
本发明涉及触觉传感器技术领域，具体而言，涉及一种柔性触觉传感器及其应用。
背景技术
触觉传感器是一种模仿触觉功能的传感器，随着人工智能技术的快速发展，在智能机器人、消费电子产品、智慧医疗、健康监测设备等领域对于触觉传感器提出了更高的要求。
目前市面上应用最广泛的是压阻式触觉传感器，其敏感元件为电阻应变材料，测试原理为：电阻应变材料的电阻与材料种类、横截面积A、长度L有关，即
材料受力产生形变，从而导致电阻变化。但压阻式触觉传感器在使用过程中存在很多缺陷，例如灵敏度低，响应时间慢，机械迟滞严重，仅能进行单自由度检测等，无法满足人工智能领域各种各样的需求。中国发明专利CN113607307A公开了一种具有特殊结构的电容式触觉传感器，采用该传感器可以实现高灵敏度和多自由度探测，但该传感器仍然存在多个问题，如其结构设计过于复杂，不能实现柔性化等。
综上所述，现有的触觉传感器已经不能满足人工智能领域的需求，亟需一种可以在智能机器人、智慧医疗等领域应用的触觉传感器。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供了一种可实现高灵敏度、快速响应、多自由度探测和柔性化设计的触觉传感器。
本发明提供一种柔性触觉传感器，包括从上向下依次设置的柔性磁膜、中间弹性体、磁性传感单元和柔性基底，所述磁性传感单元具有敏感轴，所述柔性磁膜的充磁方向可调。
本发明柔性触觉传感器结构简单，易于工业化生产，传感器整体为全柔性化设计，相比于刚性基底的传统器件，应用范围更广，并且可大面积制备，磁性传感单元具有敏感轴，可进行多自由度检测，灵敏度高，响应快速，耐温性好。
优选地，所述柔性磁膜的充磁方向与所述磁性传感单元的敏感轴方向平行。
优选地，所述磁性传感单元和所述柔性磁膜阵列化布置，所述柔性触觉传感器具有多个阵列单元。
优选地，各所述阵列单元中，所述磁性传感单元的敏感轴方向和柔性磁膜的充磁方向独立设计。磁性传感单元和柔性磁膜可进行阵列化设计，从而获得更优的性能。
优选地，所述柔性基底为柔性薄膜，所述柔性基底的材料选自以下一种或多种：PI、PET、PEN、PMMA和Kapton。柔性基底呈现薄膜状态，可进行弯曲形变，应用范围广。
优选地，所述磁性传感单元包括敏感元件，所述敏感元件选自以下一种：自旋阀元件、霍尔传感元件、自旋霍尔磁阻元件、巨磁电阻元件和各向异性磁电阻元件。磁性传感单元具有敏感轴，可进行多自由度检测，敏感元件的灵敏度高，响应快速。
优选地，所述中间弹性体的材料选自以下一种或多种：硅橡胶、嵌段共聚物和水凝胶。中间弹性体具有较低的弹性模量，受到很小的力时就会发生较大的形变，并可进行弯曲、压缩、拉伸等形变，有利于传感器实现高灵敏度、快速响应。
优选地，所述柔性磁膜由磁性材料与高分子材料混合而成。柔性磁膜作为永磁体，其充磁方向可根据磁性传感单元的敏感元件进行设计，磁性传感单元可以获取柔性磁膜在三维方向上的磁场变化，从而测量探测压应力和剪切力。
优选地，所述磁性材料选自以下一种或多种：钕铁硼、磁性金属或合金、磁性氧化物和磁性氮化物，所述高分子材料选自以下一种或多种：泡沫、硅橡胶、嵌段共聚物和水凝胶。柔性磁膜由磁性材料与高分子材料混合而成，其充磁方向可调。
本发明另一方面提供一种上述柔性触觉传感器的应用，将所述柔性触觉传感器应用于多触觉传感模式的探测、高精度的触觉探测或高空间分辨触觉探测。
本发明柔性触觉传感器可以实现按压、摩擦等多种触觉模式，具有超灵敏度、超空间分辨率、快速响应等性能，且整体为柔性，可附着在不规则形状的物体表面，满足智能机器人、消费电子产品、智慧医疗、健康监测设备等领域的使用需求。
综上所述，本发明提供了一种柔性触觉传感器及其应用，柔性触觉传感器具有柔性磁膜、中间弹性体、磁性传感单元以及柔性基底的多层结构，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)磁性传感单元具有敏感轴，灵敏度高，响应快速，耐温性好，并且可进行多自由度检测；
(2)柔性触觉传感器整体为全柔性化设计，相比于刚性基底的传统器件，应用范围更广，并且可大面积制备；
(3)磁性传感单元可进行微型化设计，提高集成密度；
(4)柔性触觉传感器的器件结构简单，易于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例中柔性触觉传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例中柔性触觉传感器的柔性磁膜的磁场示意图；
图3为本发明另一实施例中柔性触觉传感器的结构示意图；
图4为实施例1中柔性磁膜下方区域x＝y＝0处时，磁感应强度沿z轴方向的分布图；
图5为实施例1中柔性磁膜下方区域z＝2.5mm处时，磁感应强度沿x轴和y轴方向的分布图；
图6为实施例1中磁性传感单元的磁电阻曲线；
图7为实施例1的柔性触觉传感器输出电阻和柔性磁膜沿z轴方向位移的磁电阻曲线；
图8为实施例1的柔性触觉传感器输出电阻进和柔性磁膜沿x轴方向位移的磁电阻曲线。
附图标记说明：
1-柔性磁膜，2-中间弹性体，3-磁性传感单元，4-柔性基底，5-磁性传感单元的敏感轴方向，6-柔性磁膜的充磁方向，7-坐标轴方向。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。需要说明的是，以下各实施例仅用于说明本发明的实施方法和典型参数，而不用于限定本发明所述的参数范围，由此引申出的合理变化，仍处于本发明权利要求的保护范围内。
需要说明的是，在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
结合图1和图2所示，本发明的实施例提供一种柔性触觉传感器，包括柔性磁膜1、中间弹性体2、磁性传感单元3和柔性基底4，磁性传感单元3设置在柔性基底4上表面，中间弹性体2覆盖于磁性传感单元3上表面，柔性磁膜1设置在中间弹性体2上表面，位于最顶层。
柔性磁膜1由磁性材料与高分子材料混合而成，柔性磁膜1作为永磁体，其充磁方向可根据磁性传感单元3的敏感元件进行设计。中间弹性体2材料为各类柔性高分子材料，具有较低的弹性模量，受到很小的力时就会发生较大的形变，并可进行弯曲、压缩、拉伸等形变。磁性传感单元3具有敏感轴，定义敏感轴的方向为x轴，以磁性传感单元3的几何中心为原点，再分别定义y轴与z轴，如图2所示。柔性磁膜1的充磁方向可调，本实施中，柔性磁膜1的充磁方向与磁性传感单元3的敏感轴的方向平行。柔性基底4为薄膜状态，可进行弯曲形变，柔性基底4材料为各类柔性高分子聚合物材料。
柔性触觉传感器的工作原理为：柔性触觉传感器的柔性磁膜1上表面受到待测法向力(剪切力)的作用，由于压力导致中间弹性体2的形变，从而引起柔性磁膜1沿z轴(x轴或y轴)方向的位移，进而影响柔性磁膜1沿z轴(x轴或y轴)方向磁场的分布，由于磁场沿z轴(x轴或y轴)方向的分布产生变化，且磁感应强度的变化与柔性磁膜1沿z轴(x轴或y轴)方向位移呈函数关系，磁性传感单元3的输出信号随磁场的变化也呈函数关系，同时压力与中间弹性体2在z轴(x轴或y轴)方向的形变也呈函数关系，因此，通过接收触觉传感器的输出信号可以计算出磁场的变化，进而得到待测压力的大小。
该柔性触觉传感器结构简单，易于工业化生产，传感器整体为全柔性化设计，相比于刚性基底的传统器件，应用范围更广，并且可大面积制备，磁性传感单元3具有敏感轴，可进行多自由度检测，灵敏度高，响应快速，耐温性好，满足智能机器人、消费电子产品、智慧医疗、健康监测设备等领域的使用需求。
结合图3所示，本发明的另一实施例提供另一种柔性触觉传感器，包括从上向下依次设置在柔性磁膜1、中间弹性体2、磁性传感单元3和柔性基底4，其中磁性传感单元3和柔性磁膜1阵列化布置，柔性触觉传感器具有多个阵列单元。磁性传感单元3的敏感轴方向和柔性磁膜1的充磁方向独立设计，从而获得更优的功能，如多触觉传感模式的探测、高精度的触觉探测、高空间分辨触觉探测等。
本发明的具体实施方式中，柔性磁膜1的磁性材料选自以下一种或多种：钕铁硼、磁性金属或合金、磁性氧化物和磁性氮化物；柔性磁膜1的高分子材料选自以下一种或多种：泡沫、硅橡胶、嵌段共聚物和水凝胶。
本发明的具体实施方式中，中间弹性体2的材料选自以下一种或多种：泡沫、硅橡胶、嵌段共聚物和水凝胶。
本发明的具体实施方式中，磁性传感单元3包括敏感元件，敏感元件选自以下一种：自旋阀元件、霍尔传感元件、自旋霍尔磁阻元件、巨磁电阻元件和各向异性磁电阻元件。
本发明的具体实施方式中，柔性基底4的材料选自以下一种或多种：PI、PET、PEN、PMMA和Kapton。
以下通过具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例的柔性触觉传感器，包括从上向下依次设置在柔性磁膜1、中间弹性体2、磁性传感单元3和柔性基底4。柔性磁膜1由磁性材料与高分子材料混合而成，磁性材料选用钕铁硼粉体，高分子材料选用PDMS，柔性磁膜1的磁感应强度如图4和图5所示；中间弹性体2层的材料为Ecoflex；磁性传感单元3的敏感元件为自旋阀元件；柔性基底4的材料为聚酰亚胺。
该柔性触觉传感器的磁性传感单元3采用灵敏度和精度都很高的自旋阀元件作为敏感元件，磁电阻曲线如图6所示。当对自旋阀元件施加平行于其敏感轴方向的外磁场H后，在特定的外磁场H范围内，自旋阀元件的电阻值R随外磁场H的变化而变化，当施加的外场大于其饱和场的绝对值后，其阻值不再变化，即该敏感元件达到饱和。
柔性触觉传感器的柔性磁膜11上表面受到待测法向力的作用，由于法向力导致中间弹性体2的形变，从而引起柔性磁膜1沿z轴方向的位移，进而影响柔性磁膜1沿z轴方向磁场的分布，此时磁性传感元件感受到的磁通密度发生变化，从而导致自旋阀元件的电阻变化。如图5，从图中可以看出，当柔性磁膜1在z轴正方向做靠近原点的运动时，输出电阻增大。
柔性触觉传感器的柔性磁膜1上表面受到沿x轴(或y轴)待测剪切力的作用，由于剪切力导致中间弹性体2的形变，从而引起柔性磁膜1沿x轴(或y轴)方向的位移，进而影响柔性磁膜1沿x轴(或y轴)方向磁场的分布，此时磁性传感元件感受到的磁通密度发生变化，从而导致自旋阀元件的电阻变化。如图6，从图中可以看出，当柔性磁膜11沿x轴做远离原点的运动时，输出电阻减小。
可见，该柔性触觉传感器可以探测压应力和剪切力，可实现高灵敏度、快速响应和多自由度探测。
实施例2
本实施例的柔性触觉传感器，包括从上向下依次设置在柔性磁膜1、中间弹性体2、磁性传感单元3和柔性基底4。柔性磁膜1由磁性材料与高分子材料混合而成，磁性材料选用四氧化三铁粉体，高分子材料选用硅橡胶；中间弹性体2层的材料为PDMS；磁性传感单元3的敏感元件为霍尔传感元件；柔性基底4的材料为PET。
实施例3
本实施例的柔性触觉传感器，包括从上向下依次设置在柔性磁膜1、中间弹性体2、磁性传感单元3和柔性基底4。柔性磁膜1由磁性材料与高分子材料混合而成，磁性材料选用镍粉，高分子材料选用水凝胶；中间弹性体2层的材料为硅橡胶；磁性传感单元3的敏感元件为巨磁电阻元件；柔性基底4的材料为PEN。
实施例4
本实施例的柔性触觉传感器，包括从上向下依次设置在柔性磁膜1、中间弹性体2、磁性传感单元3和柔性基底4。柔性磁膜1由磁性材料与高分子材料混合而成，磁性材料选用钴粉，高分子材料为PET；中间弹性体2层的材料为SEBS；磁性传感单元3的敏感元件为各向异性磁电阻元件；柔性基底4的材料为PMMA。
实施例5
本实施例的柔性触觉传感器，包括从上向下依次设置在柔性磁膜1、中间弹性体2、磁性传感单元3和柔性基底4。柔性磁膜1由磁性材料与高分子材料混合而成，磁性材料选用铁粉，高分子材料选用泡沫；中间弹性体2层的材料为PDMS；磁性传感单元3的敏感元件为自旋霍尔磁阻元件；柔性基底4的材料为Kapton。
实施例6
本实施例的柔性触觉传感器，包括从上向下依次设置在柔性磁膜1、中间弹性体2、磁性传感单元3和柔性基底4。磁性传感单元3和柔性磁膜1阵列化布置，柔性触觉传感器具有多个阵列单元，每个阵列单元中磁性传感单元3的敏感轴方向和柔性磁膜1的充磁方向平行，而各阵列单元中磁性传感单元3的敏感轴方向不同。柔性磁膜1由磁性材料与高分子材料混合而成，磁性材料选用钕铁硼粉体，高分子材料选用PDMS；中间弹性体2层的材料为泡沫；磁性传感单元3的敏感元件为自旋阀元件；柔性基底4的材料为PI。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种柔性触觉传感器，其特征在于，包括从上向下依次设置的柔性磁膜(1)、中间弹性体(2)、磁性传感单元(3)和柔性基底(4)，所述磁性传感单元(3)具有敏感轴，所述柔性磁膜(1)的充磁方向可调。
2.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性磁膜(1)的充磁方向与所述磁性传感单元(3)的敏感轴方向平行。
3.根据权利要求1所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述磁性传感单元(3)和所述柔性磁膜(1)阵列化布置，所述柔性触觉传感器具有多个阵列单元。
4.根据权利要求3所述的柔性触觉传感器，其特征在于，各所述阵列单元中，所述磁性传感单元(3)的敏感轴方向和柔性磁膜(1)的充磁方向独立设计。
5.根据权利要求1-4任一所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性基底(4)为柔性薄膜，所述柔性基底(4)的材料选自以下一种或多种：PI、PET、PEN、PMMA和Kapton。
6.根据权利要求1-4任一所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述磁性传感单元(3)包括敏感元件，所述敏感元件选自以下一种：自旋阀元件、霍尔传感元件、自旋霍尔磁阻元件、巨磁电阻元件和各向异性磁电阻元件。
7.根据权利要求1-4任一所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述中间弹性体(2)的材料选自以下一种或多种：泡沫、硅橡胶、嵌段共聚物和水凝胶。
8.根据权利要求1-4任一所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述柔性磁膜(1)由磁性材料与高分子材料混合而成。
9.根据权利要求8所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述磁性材料选自以下一种或多种：钕铁硼、磁性金属或合金、磁性氧化物和磁性氮化物，所述高分子材料选自以下一种或多种：泡沫、硅橡胶、嵌段共聚物和水凝胶。
10.一种如权利要求1-9任一所述的柔性触觉传感器的应用，其特征在于，所述柔性触觉传感器可应用于多触觉传感模式的探测、高精度的触觉探测或高空间分辨触觉探测。
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