CN116793540A - 一种电阻-电容双模式柔性触觉传感器及传感器阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电阻‑电容双模式柔性触觉传感器，包括：第一电极层、支撑件和第二电极层；第一电极层具有弹性形变部和第一电容极板；第二电极层包括电阻层，第一电容极板的电阻率小于电阻层；弹性形变部承受压力能够向电阻层凹陷，承受压力达到指定值后第一电容极板接触电阻层，并随压力增大而增多与电阻层的接触面积。本发明的电阻‑电容双模式柔性触觉传感器，在受到较小压力变形较小时，利用第一电容极板和第二电容极板构成的电容检测压力值，当受到较大压力时，第一电容极板和电阻层接触，改变电阻层的电阻，并随压力增大而增大接触面积，使电阻逐渐减小。
Description
技术领域
本发明属于触觉传感器技术领域，具体涉及一种电阻-电容双模式柔性触觉传感器及传感器阵列。
背景技术
在“智能制造”等工业背景下，机器人技术蓬勃发展，触觉传感器作为其重要组成部分之一，能够将环境中的有用信息及时反馈给感知系统，使得传感器在机器人感知领域取得更接近人类的感知能力。面向机械手复杂操作环境下的触觉传感器要求不仅能够感知力的变化，而且能够感知接触区域，另一方面，还需要具备柔性，适应不同的安装环境并且保证安全的环境交互。基于不同的物理传导机制，柔性触觉传感器主要有压阻式、电容式、压电式、摩擦起电式和电磁式。
上述传感器类型中，压阻式触觉传感器结构简单、动态范围宽，但重复性比较差并且存在一定迟滞性。电容式触觉传感器由于其高灵敏度被研究者们广泛关注，并且具有良好的频率响应和空间分辨率，但是它们容易受到外界干扰。压电式触觉传感器由于具有响应频率高的特点，更适合对振动信号进行获取，但其缺点在于不能对静态测试做出响应。摩擦起电式触觉传感器是一种新型的自供电传感器，拥有快速响应、高灵敏度等优势，但耐久性差并且封装技术尚未成熟。电磁式触觉传感器由于高精度、低成本成为近几年的热点，但一般体积较大，不适合集成在机械手上。
因此在现有触觉传感器技术中，缺少同时解决高灵敏度和大量程矛盾的传感器方案。
发明内容
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求的一种电阻-电容双模式柔性触觉传感器及传感器阵列。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种电阻-电容双模式柔性触觉传感器，包括：
第一电极层、支撑件和第二电极层，所述支撑件设于所述第一电极层和所述第二电极层之间，使所述第一电极层与所述第二电极层间隔某一间距；
所述第一电极层具有弹性形变部，所述弹性形变部朝向所述第二电极层一侧设有第一电容极板；
所述第二电极层包括电阻层，所述第一电容极板的电阻率小于所述电阻层；
所述弹性形变部承受压力能够向所述电阻层凹陷，随压力增大而减少所述第一电容极板与所述电阻层的间距；
所述弹性形变部承受压力达到指定值后所述第一电容极板接触所述电阻层，并随压力增大而增多与所述电阻层的接触面积；
输出端，所述与所述第一电容极板、所述电阻层电性连接，输出所述电阻层的电压值和电阻值。
作为一种优选的实施方式，所述第一电极层由聚酰亚胺薄膜和设于所述聚酰亚胺薄膜上的第一电容极板组成，所述第一电容极板为铜极板。
作为一种优选的实施方式，所述支撑件为硅胶支撑件，并与所述第一电极层和所述第二电极层粘接。
作为一种优选的实施方式，所述电阻层为石墨烯膜。
作为一种优选的实施方式，所述第二电极层由聚酰亚胺薄膜和设于所述聚酰亚胺薄膜上的电阻层组成。
第二方面，本发明还提供一种电阻-电容双模式柔性触觉传感器阵列，包括若干阵列式排列的如上述任一项所述的电阻-电容双模式柔性触觉传感器。
作为一种优选的实施方式，所述若干电阻-电容双模式柔性触觉传感器的第一电极层中，聚酰亚胺薄膜连接为整张膜。
作为一种优选的实施方式，所述若干电阻-电容双模式柔性触觉传感器的第二电极层中，聚酰亚胺薄膜连接为整张膜。
作为一种优选的实施方式，所述若干电阻-电容双模式柔性触觉传感器的支撑件为一体化支撑层，所述支撑层在每个所述电阻-电容双模式柔性触觉传感器的第一电极层和第二电极层之间开孔。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
本发明的电阻-电容双模式柔性触觉传感器，在受到较小压力变形较小时，利用第一电容极板和第二电容极板构成的电容检测压力值，当受到较大压力时，第一电容极板和电阻层接触，改变电阻层的电阻，并随压力增大而增大接触面积，使电阻逐渐减小。
该电阻-电容双模式柔性触觉传感器实现了小量程高精度和大量程压力传感的切换，具有高灵敏度的同时拥有大量程，扩大了传感器的适用范围。
附图说明
图1所示为本发明的电阻-电容双模式柔性触觉传感器的工作流程图；
图2所示为本发明实施例的电阻-电容双模式柔性触觉传感器的结构示意图；
图3所示为本发明实施例的电阻-电容双模式柔性触觉传感器阵列的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
在下述介绍中提供了本申请的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本申请也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本申请内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。
本申请提供一种电阻-电容双模式柔性触觉传感器，包括：
第一电极层、支撑件和第二电极层，支撑件设于第一电极层和第二电极层之间，使第一电极层与第二电极层间隔某一间距；
第一电极层具有弹性形变部，弹性形变部朝向第二电极层一侧设有第一电容极板；
第二电极层包括电阻层，第一电容极板额电阻率小于电阻层；
弹性形变部承受压力能够向电阻层凹陷，随压力增大而减少第一电容极板与电阻层的间距；
弹性形变部承受压力达到指定值后第一电容极板接触电阻层，并随压力增大而增多与电阻层的接触面积；
该实施例的传感器还包括输出端，与第一电容极板、电阻层电性连接，输出电阻层的电压值和电阻值。
上述结构的工作流程如图1所示，在本实施例的传感器没有受到压力时，第一电容极板与电阻层未接触，第一电容极板和电阻层间隔一定距离构成电容，此时传感器的输出信号输出电容两端电压。
当压力传感器受到压力时，第一电容极板位于弹性形变部的部分发生弯曲、变形下降，随着第一电容极板与电阻层之间的距离减小，电容值发生变化。此时根据电容两端电压的变化计算第一电容极板和电阻层的间距，进而计算弹性形变部的形变量，得到压力值。
随着压力增大，第一电容极板逐渐靠近至与电阻层接触，此时当第一电容极板和电阻层导通时，第一电容极板和电阻层构成的电容被破坏。此时压力值根据输出信号中电阻层的电阻值来计算。
由于第一电容极板的电阻远小于电阻层的电阻，当第一电容极板下降时，随第一电容极板和电阻层的接触面积增大，输出信号的电阻值将减小，此时，根据电阻值的变化计算压力值的大小。
随着压力进一步增大，接触面积逐渐增大，短路效应逐渐加剧，直至接触面积达到最大值，则输出信号中的电阻值达到最小值。由于达成此阶段变形所需的压力较大，因此通过电阻值能够很大地扩展传感器对压力测量的量程。
当作用在传感器上的压力释放后，由于弹性形变部的弹性，第一电容极板与电阻层分离，输出信号的电阻值再次等于电阻层的电阻，且电容被重新构建于第一电容极板和电阻层之间，回复小变形的压力检测能力。
本申请的一个实施例提供了本申请电阻-电容双模式柔性触觉传感器的一种优选结构，如图2所示，第一电极层包括用于为传感器提供表面柔性和自动复位能力的聚酰亚胺（PI）薄膜1，和作为第一电容极板、充当顶部电极的金属铜2。金属铜2在具有铜基材的PI薄膜1上进行刻蚀，并且电极的引出线也以同样的方式制备。
支撑件包括用于保证初始状态两电极距离和实现自动复位的弹性薄膜3，这一弹性薄膜3采用Ecoflex系列硅胶制作，将硅胶液混合并倒入3D打印成的模具中，经过真空干燥、固化脱膜等步骤后，利用硅胶粘接剂将两电极层进行粘接。
第二电极层包括充当底部电极的石墨导电漆4以及用于外层保护的PE膜。
在将支撑件与第一电极层、第二电极层粘接在一起后，利用PE膜在传感器上下表面进行封装。
本实施例的传感器其具体工作流程如下：
在传感器属于初始状态时，未受到压力，第一电极层与第二电极层之间相互不接触形成一个电容C0，底部电极的电阻值为R0。当受到较小的压力时，第一电极层会发生弯曲，第一电容极板和电阻层之间的距离会随着压力的增大而减小，导致电容值变成C1，处于电容传导机制。由于此时并未接触，电阻层的电阻值保持不变，仍为R0。
随着压力增大，第一电容极板和电阻层间的距离会逐渐减小直至为0，即第一电容极板和电阻层接触，此时顶部电极和底部电极会形成短路效应，电容突变视为无效，通过检测电容的突变点来切换电阻传导机制，同时电阻层的测量电阻值会减小为R1。随着压力进一步增大，两电极的接触面积不断增大，短路效应不断加剧，电阻层的测量电阻值就会不断减小直至接触面积达到最大值。
将压力卸载后，第一电容极板和电阻层由于基底和弹性薄膜的弹性能够自动复位，同时电阻层的测量电阻也会恢复到初始状态。通过电容传导机制测量微小压力，电阻传导机制测量较大压力，将两者进行组合，能达到高灵敏度且大量程的效果，这是单种传感方式不能实现的。
本实施例的柔性触觉传感器通过金属铜电极、石墨导电漆、弹性薄膜的组合实现压力检测，在受到较小压力变形较小时，利用第一电容极板和第二电容极板构成的电容检测压力值，当受到较大压力时，第一电容极板和电阻层接触，改变电阻层的电阻，并随压力增大而增大接触面积，使电阻逐渐减小。实现了小量程高精度和大量程压力传感的切换，具有高灵敏度的同时拥有大量程，扩大了传感器的适用范围。同时，组成构件均为常见的元器件以及材料，制作工艺简单。
本申请的另一实施例还提供一种电阻-电容双模式柔性触觉传感器阵列，其结构如图3所示，包括若干阵列式排列的如上述任一项的电阻-电容双模式柔性触觉传感器。这些阵列式排列的电阻-电容双模式柔性触觉传感器为一体化成型，具体的各个电阻-电容双模式柔性触觉传感器的第一电极层中，聚酰亚胺薄膜5连接为整张膜，各个电阻-电容双模式柔性触觉传感器的第二电极层中，聚酰亚胺薄膜5连接为整张膜。各个电阻-电容双模式柔性触觉传感器的支撑件为一体化支撑层，支撑层在每个电阻-电容双模式柔性触觉传感器的第一电极层和第二电极层之间开孔。
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
Claims (9)
1.一种电阻-电容双模式柔性触觉传感器，其特征在于，包括：
第一电极层、支撑件和第二电极层，所述支撑件设于所述第一电极层和所述第二电极层之间，使所述第一电极层与所述第二电极层间隔某一间距；
所述第一电极层具有弹性形变部，所述弹性形变部朝向所述第二电极层一侧设有第一电容极板；
所述第二电极层包括电阻层，所述第一电容极板的电阻率小于所述电阻层； 所述弹性形变部承受压力能够向所述电阻层凹陷，随压力增大而减少所述第一电容极板与所述电阻层的间距；
所述弹性形变部承受压力达到指定值后所述第一电容极板接触所述电阻层，并随压力增大而增多与所述电阻层的接触面积；
输出端，所述与所述第一电容极板、所述电阻层电性连接，输出所述电阻层的电压值和电阻值。
2.如权利要求1所述的一种电阻-电容双模式柔性触觉传感器，其特征在于，所述第一电极层由聚酰亚胺薄膜和设于所述聚酰亚胺薄膜上的第一电容极板组成，所述第一电容极板为铜极板。
3.如权利要求1所述的一种电阻-电容双模式柔性触觉传感器，其特征在于，所述支撑件为硅胶支撑件，并与所述第一电极层和所述第二电极层粘接。
4.如权利要求1所述的一种电阻-电容双模式柔性触觉传感器，其特征在于，所述电阻层为石墨烯膜。
5.如权利要求1所述的一种电阻-电容双模式柔性触觉传感器，其特征在于，所述第二电极层由聚酰亚胺薄膜和设于所述聚酰亚胺薄膜上的电阻层组成。
6.一种电阻-电容双模式柔性触觉传感器阵列，其特征在于，包括若干阵列式排列的如权利要求1-5任一项所述的电阻-电容双模式柔性触觉传感器。
7.如权利要求6所述的一种电阻-电容双模式柔性触觉传感器阵列，其特征在于，所述若干电阻-电容双模式柔性触觉传感器的第一电极层中，聚酰亚胺薄膜连接为整张膜。
8.如权利要求6所述的一种电阻-电容双模式柔性触觉传感器阵列，其特征在于，所述若干电阻-电容双模式柔性触觉传感器的第二电极层中，聚酰亚胺薄膜连接为整张膜。
9.如权利要求6所述的一种电阻-电容双模式柔性触觉传感器阵列，其特征在于，所述若干电阻-电容双模式柔性触觉传感器的支撑件为一体化支撑层，所述支撑层在每个所述电阻-电容双模式柔性触觉传感器的第一电极层和第二电极层之间开孔。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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