CN115060406A - 一种柔性离电式三维力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性离电式三维力传感器及其制备方法，涉及三维力传感器技术领域，包括依次设置的凸起触头、第一层电极阵列、带有分级微结构的离子凝胶薄膜、第二层电极阵列；所述带有分级微结构的离子凝胶薄膜位于介电层表面，在所述凸起触头和第一层电极阵列之间增加方台凸起，所述分级微结构包括微半球阵列，所述微半球阵列的每个微半球结构上均设置有微柱阵列。本发明能够提升三维力传感器的电容密度，增加传感灵敏度和抗干扰能力，提高空间分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及三维力传感器技术领域，更具体的说是涉及一种柔性离电式三维力传感器及其制备方法。
背景技术
机器人既是先进制造业的关键支撑装备，也是改善人类生活方式的重要切入点。随着服务型智能机器人技术的发展，智能机器人逐步从固定的生产线环境扩展到助老助残、医疗康复、手术机器人等人类生活环境中。目前智能机器人可代替人手完成一些物体的抓取及操作工作，并可以通过计算机视觉方式实现机器人手与外界环境的交互，但在非结构化环境中由于操作目标物及环境复杂多样，机器人手难以完成实现复杂灵巧操作。因此，在智能机器人手中集成触觉传感器，为机器人提供接触力、滑移、温度以及物体硬度等多模态信息，可以提高机器人与外界环境的交互能力，进而增加机器人手操作灵巧性、精准性和鲁棒性。
随着柔性电子技术和微纳制造工艺的发展，各种仿生电子皮肤也相继而生，许多电子皮肤可以感知外界环境的温度、湿度和压力等信息，具有触觉感知、数据采集和信息反馈的能力。以触觉传感器为核心的传感过程是机器人通过触摸方式来获取操作目标的多种物理信息，包括操作对象的形状、大小、粗糙度、质量和姿态等特征，然后触觉传感器将这些信息反馈给机器人控制系统，控制系统根据操作目标的空间状态、接触状态、以及物理性质等信息做出识别并做出相应的动作。智能机器人的触觉传感器主要是检测和识别这两大功能，其中，检测功能是对机器人与操作对象接触状态或操作对象物理性能等检测，而识别功能是在检测的基础上提取对象的形状、大小、刚度、表面粗糙度等特征信息，并进行分类。在实际机器人抓取过程中，需要通过触觉传感器实时了解接触对象表面的滑动状况，从而选取最佳的姿势和抓握力度，既要保证抓取目标对象的稳定性，又要控制抓取力的大小以免力度太小导致物体滑落或力度太大导致物体损坏，这个软抓取的过程同时具有物体压力和滑动信息的检测功能。想实现触觉传感器对滑觉信息的感知就要求传感器能够检测三维力信息，尤其是感知切向力的能力。因此，智能机器人需要准确获取空间三维力的信息，才可以具备类似人同时感知物体压力和滑动信息的能力。
近年来，国内外研究人员针对柔性三维力传感技术开展了广泛的研究，三维力传感在滑移检测、纹理检测等方向取得了一定的进展。然而在面向机器人实际对触滑觉信息感知的需求而言，多数的柔性触觉传感器主要集中在单一法向压力触觉信息的检测，距离三维力信息的检测还相距甚远，三维力传感的研究还有很大的发展空间。随着微机电系统技术和柔性传感技术的发展，电容式触觉传感器通过外力使电容值发生变化来检测三维力的大小和方向，具有结构简单、灵敏度较高以及动态响应好的优势，具有传感器阵列化、微型化等潜力，受到了广泛的关注。目前，大多数电容式三维力触滑觉传感器基于力学的思想，采用传感阵列单元排布设计方式，每个传感单元都提供一个与之对应的局部力估计，因此这种设计除了可以检测接触力，还可以评估接触扭矩。通过调研发现，目前对于柔性电容三维力传感技术的研究存在以下几个问题：(1)柔性电容传感器受介电层敏感材料的限制，灵敏度低，测量精度低；(2)常规电容式三维力传感，电容密度低，信号变化幅值小，抗电磁干扰能力弱；(3)常见的四电极布局精度低，三维力信息空间分辨率弱。
基于双电层(EDL)效应的超级电容器一直被用于储能设备，加州大学潘挺睿团队曾将这种电极和离子电解质之间产生的EDL电容引入到压力传感中，形成离电式传感，由于电极中电子和离子形成纳米级EDL界面，所以基于EDL电容的传感器具有超高的电容值，其大小至少比相当尺寸的传统平行板电容高1000倍，可以显著改善传感器的灵敏度和抗干扰能力。因此，基于EDL电容的新型离电式敏感材料，可以满足用于电容传感的超高电容密度的需求。因此，采用新型离电式敏感材料，设计新型结构及稳定工艺，制备出高灵敏度、强抗干扰能力和空间分辨率高的柔性传感器，为机器人提供稳定、可靠的空间三维力信息。
而当前现有技术的发展中，面临着常规电容式传感电容密度低、非线性响应、抗干扰能力弱等缺陷，因此，如何提高三维力传感器的电容密度、抗干扰能力、灵敏度等特性，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明充分利用离电式材料在高灵敏度、高信噪比和高分辨率等方面的独特优势，分别进行分级微结构设计和传感电极布局精细化调控，制备具有高灵敏度的离电式三维力传感器。
为了实现上述目的，本发明提供如下具体技术方案：
一种柔性离电式三维力传感器，包括依次设置的凸起触头、第一层电极阵列、带有分级微结构的离子凝胶薄膜、第二层电极阵列；所述带有分级微结构的离子凝胶薄膜位于介电层表面。
由于基于离子凝胶薄膜的柔性传感器的电容密度高、灵敏度高且成本低廉，增加了三维力传感的抗干扰能力和灵敏度，对三维力传感器的制备起到了有益效果。
可选的，在所述凸起触头和第一层电极阵列之间增加方台凸起，降低了相邻压力传感电极之间的干扰，提高了传感器信噪比。
可选的，所述方台凸起之间为中空结构，所述中空结构内部填充有空气。
可选的，所述第一层电极阵列和第二层电极阵列均为3×3传感电极阵列结构，单个凸起触头对应3×3传感电极阵列结构，能够同时满足较高的三维力空间分辨率以及较好的抗干扰性能的要求。
可选的，所述分级微结构包括微半球阵列，所述微半球阵列的每个微半球结构上均设置有微柱阵列。通过制备分级微结构，改善了传感器的灵敏度和响应时间性能。
对应的，本发明还公开一种柔性离电式三维力传感器的制备方法，包括以下步骤：
制备两层电极阵列；
制备电极阵列对应的凸起触头；
制备带有分级微结构的离子凝胶薄膜；
将带有分级微结构的离子凝胶薄膜置于两层电极阵列之间，将凸起触头对准电极阵列进行封装，得到柔性离电式三维力传感器。
可选的，使用磁控溅射或电子束蒸镀的镀膜方式制备电极阵列。
可选的，通过倒膜工艺使用硅胶材料制备凸起触头，凸起触头与电极阵列之间增加方台凸起。
可选的，使用PDMS材料进行二次倒模来制备分级微结构。
可选的，通过热压方式将电极阵列与FPC排线连接起来。
经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种柔性离电式三维力传感器及其制备方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明使用离电式材料代替常规电容，有利于提升电容密度，增加传感灵敏度和抗干扰能力；在介电层设计分级微结构，有利于提高三维力传感灵敏度和提高传感线性响应；传感电极阵列采用3×3布局有利于提高三维力传感空间分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的三维结构示意图；
图2为本发明的电极阵列结构示意图；
图3为本发明的结构剖视图；
图4为本发明的柔性离电式三维力传感器受到法向力时的变形示意图；
图5为本发明的柔性离电式三维力传感器受到切向力时的变形示意图；
图6为本发明的分级微结构示意图；
图7为本发明的性离电式三维力传感器制备方法步骤图；
图8为本发明中分级微结构的制备流程图；
其中，1为凸起触头，2为介电层，3为第一层电极阵列，4为方台凸起，5为空气，6为分级微结构，7为微柱阵列。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种柔性离电式三维力传感器，参见图1和图3，包括依次设置的凸起触头1、第一层电极阵列3、带有分级微结构6的离子凝胶薄膜、第二层电极阵列；所述带有分级微结构6的离子凝胶薄膜位于介电层2表面，在所述凸起触头1和第一层电极阵列3之间增加方台凸起4。所述分级微结构6包括微半球阵列，所述微半球阵列的每个微半球结构上均设置有次级的微柱阵列7，参见图6。图1中仅示意性标注出了第一层电极阵列3。
实际应用过程中，可以对凸起触头1的材料、尺寸、形态进行设计，对传感阵列布局进行优化，最终实现通过单个凸起对应测力阵列大小来实现三维力传感的精细化评估。
本发明可以通过改变分级微结构6阵列中半球阵列的尺寸和微柱阵列7的尺寸和密度实现介电层2分级微结构6的可控制备，从而有效的提高了传感器的灵敏度和实现线性响应。
在具体实施例中，所述方台凸起4之间选为中空结构，所述中空结构内部填充有空气5。
在具体实施例中，所述第一层电极阵列3和第二层电极阵列均为3×3传感电极阵列结构，参见图2。
进一步，在另一种实施例中，发明还公开一种柔性离电式三维力传感器的制备方法，用于制备上述所述的柔性离电式三维力传感器，参见图7，包括以下步骤：
步骤1、制备两层电极阵列。
具体的，首先在10um厚的PI和PET上使用磁控溅射或电子束蒸镀等镀膜方式制备电极阵列，电极阵列大小为3×3，线宽为800um，线间距为200um，镀膜金属为Au。
步骤2、制备电极阵列对应的凸起触头1。
具体的，通过倒膜工艺使用硅胶材料制备直径为2mm的半球凸起，半球与传感电极之间增加方台凸起4，阵列大小为3×3，宽度为800um，间距为200um。
步骤3、制备带有分级微结构6的离子凝胶薄膜。
具体的，将具有高极性的P(VDF-HFP)聚合物作为高分子骨架与[EMIM][TFSI]的离子液体在丙酮中均匀混合制备离子凝胶前驱液，P(VDF-HFP):丙酮：[EMIM][TFSI]质量比为1:10:0.5。制备步骤参见图8，首先，第1步，使用超高精度微尺度3D打印机实现分级微结构6阵列模具，半球对应阵列大小为3×3，直径为300um，间距为200um，半球上微柱的直径为20um，高为60um，第2步填充PDMS，第3步进行PDMS翻模，第4步得到PDMS模具，第5步对PDMS模具填充离子凝胶前驱液，第6步得到带有分级微结构6的介电层2。
在其他具体实施例中，分级微结构6还可以通过光刻、刻蚀的工艺进行进行制备，进而得到分级微结构6的介电层2。
步骤4、将带有分级微结构6的离子凝胶薄膜置于两层电极阵列之间，将凸起触头1对准电极阵列进行封装，得到柔性离电式三维力传感器。
具体的，在光学显微镜下将系统进行对准封装，从上到下依次为凸起-电极阵列-介电层2-电极阵列，最后通过使用热压方式将电极阵列与FPC排线连接起来，制备出三维力传感器。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种柔性离电式三维力传感器，其特征在于，包括依次设置的凸起触头(1)、第一层电极阵列(3)、带有分级微结构(6)的离子凝胶薄膜、第二层电极阵列；所述带有分级微结构(6)的离子凝胶薄膜位于介电层(2)表面。
2.根据权利要求1所述的一种柔性离电式三维力传感器，其特征在于，在所述凸起触头(1)和第一层电极阵列(3)之间增加方台凸起(4)。
3.根据权利要求2所述的一种柔性离电式三维力传感器，其特征在于，所述方台凸起(4)之间为中空结构，所述中空结构内部填充有空气(5)。
4.根据权利要求1所述的一种柔性离电式三维力传感器，其特征在于，所述第一层电极阵列(3)和第二层电极阵列均为3×3传感电极阵列结构。
5.根据权利要求1所述的一种柔性离电式三维力传感器，其特征在于，所述分级微结构(6)包括微半球阵列，所述微半球阵列的每个微半球结构上均设置有微柱阵列(7)。
6.一种柔性离电式三维力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备两层电极阵列；
制备电极阵列对应的凸起触头(1)；
制备带有分级微结构(6)的离子凝胶薄膜；
将带有分级微结构(6)的离子凝胶薄膜置于两层电极阵列之间，将凸起触头(1)对准电极阵列进行封装，得到柔性离电式三维力传感器。
7.根据权利要求6所述的一种柔性离电式三维力传感器的制备方法，其特征在于，使用磁控溅射或电子束蒸镀的镀膜方式制备电极阵列。
8.根据权利要求6所述的一种柔性离电式三维力传感器的制备方法，其特征在于，通过倒膜工艺使用硅胶材料制备凸起触头(1)，凸起触头(1)与电极阵列之间增加方台凸起(4)。
9.根据权利要求6所述的一种柔性离电式三维力传感器的制备方法，其特征在于，使用PDMS材料进行二次倒模来制备分级微结构(6)。
10.根据权利要求6所述的一种柔性离电式三维力传感器的制备方法，其特征在于，通过热压方式将电极阵列与FPC排线连接起来。
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