CN115452209A - 一种基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器，由上至下包括柔性上衬底、叉指电极、柔性基体和柔性下衬底；柔性基体的上表面具有微凸起结构且涂覆有导电涂层，微凸起结构与叉指电极相接触并形成电性连接；柔性基体的下表面设有成对的微沟槽，微沟槽内填充导热填料，成对的微沟槽通过导热差异形成冷区和热区，冷却和热区上分别设有块状电极，冷区和热区的块状电极之间通过热电引脚连接。本发明提供的柔性多模态触觉传感器具有柔韧性好、热电性能高、成本低廉、性能可定制的特点，同时实现温度压力传感一体化，解决了单一器件只能检测单一物理量的问题。
Description
技术领域
本发明涉及触觉传感领域，具体涉及一种实现压力及温度检测的柔性多模态触觉传感器结构。
背景技术
随着人工智能、医疗诊断、健康监测的技术不断地发展，开发出模仿人体皮肤功能并应用于各类智能穿戴设备、机器手的电子皮肤成为了研究热点。柔性多模态触觉传感器在获取外界环境信息并与之交互的领域发挥着不可缺少的关键作用。现有技术中，均是集中于设计制造出具有高灵敏度与宽量程的柔性压力传感器，因此绝大多数的体感设备和机器人触觉系统仅包含压力感知系统。仿生电子皮肤的多重传感功能是指能够同时感知外界环境中的多个物理量，其中对于温度及压力刺激的感知是皮肤最基本的功能。然而，由于多种物理量和输出信号之间的相互干扰，能够有效的同时检测并区分出不同的刺激信号也是当前所要解决的一个技术难题。
发明内容
本发明提出了一种基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器，能够利用微凸起结构受力变形产生接触电阻变化实现对压力的检测，同时利用非对称热整流结构实现温差自发电从而检测温度，有效提高了热电性能并实现压力与温度的独立检测。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器，由上至下包括柔性上衬底、叉指电极、柔性基体和柔性下衬底；柔性基体的上表面具有微凸起结构且涂覆有导电涂层，微凸起结构与叉指电极相接触并形成电性连接；柔性基体的下表面设有成对的微沟槽，微沟槽内填充导热填料，所述成对的微沟槽通过导热差异形成冷区和热区，所述冷却和热区上分别设有块状电极，冷区和热区的块状电极之间通过热电引脚连接。
可选的，所述微凸起结构的数量大于两个，进一步，为规则或不规则排列的复数个。
更优选的，所述微凸起结构为阵列式排布的微锥结构、微柱结构或微圆弧结构。
可选的，所述成对的微沟槽通过填充不同传热系数的导热填料形成所述冷区和热区。
可选的，所述微沟槽中的至少一个具有向所述柔性基体内部延伸并呈发散状排布的若干分支沟槽，所述成对的微沟槽通过分支沟槽的数量或形状的差异形成所述冷区和热区。
可选的，所述冷区和热区分别沿所述微沟槽的延伸方向设有若干分立的所述块状电极；所述冷区和热区的块状电极通过若干所述热电引脚串联。块状电极的数量≥2个，热电引脚的数量≥2个。
可选的，所述热电引脚包括P型引脚和N型引脚，P型引脚和N型引脚交替排列连接所述冷区和热区的块状电极。
可选的，所述柔性基体、柔性上衬底和柔性下衬底的材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚氨酯中的一种。
可选的，所述热电引脚的材料为碲化铋、碲化锑或硒化铋中的一种。
可选的，所述导电涂层为银纳米线、碳纳米管、石墨烯、碳黑中的一种或多种混合，涂覆工艺为静电喷涂、溅射镀膜、真空蒸镀或离子镀膜中的一种；所述块状电极的材料为铂、铅、金或铜中的一种；所述叉指电极的材料为铂、铅、金、银或铜中的一种。
可选的，所述导热填料为镓基液态金属、导热硅脂、空气、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚氨酯中的一种。
本发明的有益效果为：
1、相比传统的压力传感器和温度传感器，其一般采用的材料为脆性材料、刚性材料，不利于弯折以及贴附于弯曲表面。该柔性多模态触觉传感器基于柔性材料的特性，可以反复弯折不变形并适用于机器人手指、体感服装等复杂的不平整表面。
2、当前限制多模态触觉传感器发展的一大难题在于二者的传感原理之间相互敏感，结构复杂。该柔性多模态触觉传感器在制造上实现同一柔性基体上的压力与温度的独立检测，借助柔性基体实现温度检测的压力不敏感性。
3、对于传统的温度传感，由于热电材料的自身特性，其产生的电压信号较弱。该柔性多模态触觉传感器利用多个热电引脚之间的串联结构，实现了输出压电信号放大作用。
附图说明
图1是本发明实施例1的柔性多模态触觉传感器侧视截面结构示意图；
图2是本发明实施例1的柔性上衬底及叉指电极结构示意图；
图3是本发明实施例1的柔性基体的上表面结构示意图；
图4是本发明实施例1的柔性基体的下表面结构示意图；
图5是本发明实施例1的柔性下衬底、块状电极及热电引脚结构示意图；
图6是本发明实施例1的导热填料受热升温仿真结果示意图；
图7是本发明实施例2的柔性多模态触觉传感器侧视截面结构意图；
图8是本发明实施例3的柔性多模态触觉传感器侧视截面结构意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
实施例1
如图1所示，一种基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器为堆叠式长方体结构，主要由柔性上衬底1、叉指电极2、柔性基体4、导热填料5-1/5-2、柔性下衬底6、块状电极7-1/7-2和热电引脚8构成；叉指电极2连接在柔性上衬底1上，叉指电极2与柔性基体4上表面的微凸起结构41相互接触，微凸起结构41表面涂敷有导电涂层3；柔性基体4的下表面有微沟槽42，微沟槽42内部填充导热填料5-1、5-2；柔性下衬底6的上表面与柔性基体4的下表面相连接，柔性下衬底6的下表面沉积块状电极7-1、7-2及热电引脚8；块状电极7-1、7-2的位置与微沟槽42的位置相平行；热电引脚8位于块状电极7-1、7-2之间，并连接两侧的块状电极7-1、7-2。
如图2所示，叉指电极2连接在柔性上衬底1表面，叉指电极2的整体尺寸小于柔性上衬底1；叉指电极2由两块具有梳状分支的电极相互穿插构成，电极的引脚位于柔性上衬底1的两端，以便于连接引线；叉指电极2的梳状分支数量大于两个，梳状分支之间的距离可以结合实际所需的传感器性能进行调节设计；叉指电极2的材料为铂、铅、金或铜中的一种。
如图3所示，柔性基体4是具有低传热系数的柔性聚合物，其材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚氨酯中的一种；柔性基体4的上表面有微凸起结构41，微凸起结构41可以为微锥结构、微柱结构或微圆弧结构，不同微结构的形状、尺寸可以结合实际所需的传感器灵敏度与检测范围进行调节；柔性基体4上表面的微凸起结构41个数大于两个，以保证微凸起结构41与叉指电极2的充分接触；同时在柔性基体4上表面的微凸起结构41表面涂覆有导电涂层3，叉指电极2与导电涂层3构成了表面导电连接；柔性基体上表面导电涂层3用银纳米线、碳纳米管、石墨烯、碳黑中的一种或多种混合。
如图4所示，柔性基体4的下表面有两个相同的微沟槽42，两个微沟槽42内填充有导热填料5-1、5-2，导热填料5-1、5-2具有不一致的传热系数，同时导热填料5-1、5-2的传热系数均高于柔性基体4的传热系数；导热填料5-1、5-2为镓基液态金属、导热硅脂、空气、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚氨酯。
如图5所示，块状电极7-1、7-2及热电引脚8沉积在柔性下衬底6的下表面；块状电极7-1、7-2为长条状，左右对称分布在柔性下衬底6中心的两侧，并平行于所述柔性基体4下表面微沟槽42，块状电极7-1、7-2的数量大于两个；块状电极7-1、7-2的材料为铂、铅、金或铜中的一种；热电引脚8分为P型引脚8-1和N型引脚8-2，P型引脚8-1与N型引脚8-2交替平行连接左右两侧块状电极7-1、7-2，从而形成导电通路；热电引脚8-1、8-2数量大于一个；热电引脚8-1、8-2的材料碲化铋、碲化锑或硒化铋中的一种。
如图6所示，当在柔性基体4的上表面施加温度场时，热量从柔性基体4的上表面不断向下传递；当柔性基体4下表面的微沟槽内填充的导热填料5-1、5-2具有比柔性基体3更高的传热系数时，热量会优先向导热填料5-1、5-2流动并汇集；由于导热填料5-1、5-2材料选择上的不同，导热填料5-1比导热填料5-2的传热系数更高，从而使其温升更快以及温度更高，导热填料5-1与导热填料5-2的温度产生一定的差值；随着柔性基体4的上表面接触温度不断上升，导热填料5-1与导热填料5-2之间的温度差不断增大。
结合实施例1对基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器进行说明，当一个物体作用在柔性多模态触觉传感器表面，即柔性上衬底1表面；压力通过叉指电极2传递至柔性基体4上表面的微凸起结构41，在压力的作用下微凸起结构41发生挤压变形，微凸起结构41表面的导电涂层3与叉指电极2之间的接触点不断增加产生接触电阻变化，从而检测压力；物体作用在柔性上衬底1表面的同时，物体自身的热量通过柔性上衬底1、叉指电极2、柔性基体4不断向下传递；由于微沟槽42内填充的导热填料5-1、5-2具有更高的传热系数且二者的传热系数不一致，热量会在导热填料5-1、5-2汇集，从而使二者区域温度升高并产生温度差；传热系数更高的导热填料5-1所在区域称为热区，传热系数更低的导热填料5-2所在区域称为冷区；与导热填料5-1、5-2相对应的，块状电极7-1、7-2分别位于热区和冷区；连接块状电极7-1、7-2的N型热电引脚8-1由于自身热电效应产生从冷端至热端的正向电压，连接块状电极7-1、7-2的P型热电引脚8-2由于自身热电效应产生从热端至冷端的正向电压，因此N型热电引脚8-1与P型热电引脚8-2产生的电压相互串联实现放大输出电压，从而检测温度。
实施例2
如图7所示，本实施例2与实施例1的不同之处在于柔性基体4下表面的两个微沟槽结构不同；柔性基体4下表面的微沟槽42a、42b分别具有多个分支沟槽421，分支沟槽421的截面形状为矩形并以微沟槽42为中心呈发散状，微沟槽42a、42b的分支沟槽421的数量不同；柔性基体4下表面的两个微沟槽42a、42b内填充相同传热系数的导热填料5-1、5-2，导热填料5-1、5-2具有一样的传热系数，同时导热填料5-1、5-2的传热系数均高于柔性基体4的传热系数。
结合实施例2对基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器进行说明，本实施例2与实施例1的不同之处在于柔性基体4下表面的两个微沟槽42a、42b不一致，而导热填料5-1、5-2具有一样的传热系数；物体作用在柔性上衬底1表面的同时，物体自身的热量通过柔性上衬底1、叉指电极2、柔性基体4不断向下传递，最终在导热填料5-1、5-2汇集；由于微沟槽42a相比微沟槽42b具有更多的分支沟槽421，这些分支沟槽421容纳了导热填料后提高了吸热能力，因此热量更倾向于向分支沟槽较多的微沟槽42a汇集；分支沟槽421更多的微沟槽42a区域称为热区，分支沟槽421更少的微沟槽42b区域称为冷区；相对应的，块状电极7-1、7-2分别位于热区和冷区；连接块状电极7-1、7-2的N型热电引脚8-1由于自身热电效应产生从冷端至热端的正向电压，连接块状电极7-1、7-2的P型热电引脚8-2由于自身热电效应产生从热端至冷端的正向电压，因此N型热电引脚8-1与P型热电引脚8-2产生的电压相互串联实现放大输出电压，从而检测温度。
此外，其中一微沟槽的分支沟槽的数量可以设置为零个。本实施例中，微沟槽42a、42b也可以填充不同导热系数的导热填料。
实施例3
如图8所示，本实施例3与实施例1、2的不同之处在于柔性基体4下表面的两个微沟槽42c、42d具有不一致的分支沟槽421形状，左侧微沟槽42c的分支沟槽422的截面形状为矩形，而右侧微沟槽42d的分支沟槽423的截面形状为锥形；柔性基体4下表面的两个微沟槽42c、42d内填充导热填料5-1、5-2，同时导热填料5-1、5-2的传热系数均高于柔性基体4的传热系数。
结合实施例3对基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器进行说明，本实施例3与实施例1、2的不同之处在于两个微沟槽42c、42d内的分支沟槽422、423的形状不一致；当导热填料5-1、5-2具有一样的传热系数时，物体作用在柔性上衬底1表面的同时，物体自身的热量通过柔性上衬底1、叉指电极2、柔性基体4不断向下传递，最终在导热填料5-1、5-2汇集；由于导热填料5-1所在微沟槽42c中的矩形分支沟槽422相比导热填料5-2所在微沟槽42d中的锥形分支沟槽423具有更大的容积，可以容纳更多的导热填料5-1，因此微沟槽42c具有更强的吸热能力，热量更倾向于向导热填料5-1所在的微沟槽42c汇集；温度较高的区域称为热区，温度较低的区域称为冷区；与导热填料5-1、5-2相对应的，块状电极7-1、7-2分别位于热区和冷区；当导热填料5-1、5-2具有不一样的传热系数时，冷区、热区的位置结合材料传热系数以及分支沟槽的形状而定；连接块状电极7-1、7-2的N型热电引脚8-1由于自身热电效应产生从冷端至热端的正向电压，连接块状电极7-1、7-2的P型热电引脚8-2由于自身热电效应产生从热端至冷端的正向电压，因此N型热电引脚8-1与P型热电引脚8-2产生的电压相互串联实现放大输出电压，从而检测温度。
此外，分支沟槽的截面形状可以为矩形、锥形或圆弧形等，不以此为限。
基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器的设计与制作可通过以下方式实现：
所述柔性上衬底、柔性基体及柔性下衬底均可以由聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚氨酯等材料制成，满足其有一定柔韧性的要求；所述叉指电极和块状电极可以由铂、铅、金、铜等材料制成；所述导电涂层可以由银纳米线、碳纳米管、石墨烯或碳黑等材料制成；所述导热填料可以由镓基液态金属、导热硅脂、空气、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚氨酯等材料制成；所述热电引脚可以由碲化铋、碲化锑或硒化铋等材料掺杂制成。
所述柔性上衬底、柔性基体及柔性下衬底可以采用3D打印、激光加工或倒模辅助法等方式制作；所述叉指电极与块状电极可以采用柔性电路板制造技术制作；所述导电涂层可以采用静电喷涂、溅射镀膜、真空蒸镀或离子镀膜等方式制作；所述热电引脚可以采用MEMS加工、晶体生长、混合挤压成型技术制作。
所述柔性多模态触觉传感器的尺寸大小、各个结构层的尺寸大小均可根据实际的应用需求进行设计；所述柔性基体上表面的微凸起结构的形状、间隔距离与数量均可根据压力检测需求进行设计；所述柔性基体的微沟槽的形状以及分支沟槽的数量、形状可以结合温度检测所需的应用范围进行调节；所述导热填料可以根据微沟槽的结构尺寸大小、温度检测输出性能进行选择；所述热电引脚的数量可以根据温度检测输出电压幅值大小进行调节。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器，但本发明并不局限于实施例，凡是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、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器，其特征在于：由上至下包括柔性上衬底、叉指电极、柔性基体和柔性下衬底；柔性基体的上表面具有微凸起结构且涂覆有导电涂层，微凸起结构与叉指电极相接触并形成电性连接；柔性基体的下表面设有成对的微沟槽，微沟槽内填充导热填料，所述成对的微沟槽通过导热差异形成冷区和热区，所述冷却和热区上分别设有块状电极，冷区和热区的块状电极之间通过热电引脚连接。
2.根据权利要求1所述的基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器，其特征在于：所述微凸起结构为阵列式排布的微锥结构、微柱结构或微圆弧结构。
3.根据权利要求1所述的基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器，其特征在于：所述成对的微沟槽通过填充不同传热系数的导热填料形成所述冷区和热区。
4.根据权利要求1所述的基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器，其特征在于：所述微沟槽中的至少一个具有向所述柔性基体内部延伸并呈发散状排布的若干分支沟槽，所述成对的微沟槽通过分支沟槽的数量或形状的差异形成所述冷区和热区。
5.根据权利要求1所述的基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器，其特征在于：所述冷区和热区分别沿所述微沟槽的延伸方向设有若干分立的所述块状电极；所述冷区和热区的块状电极通过若干所述热电引脚串联。
6.根据权利要求5所述的基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器，其特征在于：所述热电引脚包括P型引脚和N型引脚，P型引脚和N型引脚交替排列连接所述冷区和热区的块状电极。
7.根据权利要求1所述的基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器，其特征在于：所述柔性基体、柔性上衬底和柔性下衬底的材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚氨酯中的一种。
8.根据权利要求1所述的基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器，其特征在于：所述热电引脚的材料为碲化铋、碲化锑或硒化铋中的一种。
9.根据权利要求1所述的基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器，其特征在于：所述导电涂层为银纳米线、碳纳米管、石墨烯、碳黑中的一种或多种混合；所述块状电极的材料为铂、铅、金或铜中的一种；所述叉指电极的材料为铂、铅、金、银或铜中的一种。
10.根据权利要求1所述的基于非对称热整流结构的柔性多模态触觉传感器，其特征在于：所述导热填料为镓基液态金属、导热硅脂、空气、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚氨酯中的一种。
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