CN204495495U - 一种三维力电容式触觉传感器单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种三维力电容式触觉传感器单元，包括相粘接的驱动电极、介电薄膜和固定基板，介电薄膜设置于驱动电极和固定基板之间，固定基板边沿均设有梯形电极，固定基板在中心处设有等位环，等位环内设有圆形电极，介电薄膜包括一个盖合圆形电极的法向薄膜和四个盖合梯形电极的切向薄膜，四个切向薄膜以两两对称的排布方式设于介电薄膜的四边上。本实用新型的扇形孔减小电极间的接触面积，可提高检测电容的相对灵敏度且能降低维间耦合程度，等位环可以改善电极外边缘处的电场畸变，有效减小边缘效应的影响。

Description

一种三维力电容式触觉传感器单元

技术领域

本实用新型属于触觉传感器技术领域，具体涉及一种三维力电容式触觉传感器单元。

背景技术

触觉是智能机器人作业环境信息感知的重要组成部分，与视觉、听觉等感知信息相比，在机器人精密装配自主作业系统中，其在可靠性、经济性等方面往往具有独特优势，受到学术界和产业界的广泛关注，应用领域不断拓宽，学术和工程应用价值日益明显。触觉感知主要特征包括接触力的分布及大小、滑觉、振动、温度等，反映机械手指与目标间的接触状态，为机器人完成自主作业规划和精确控制提供足够信息支撑。

针对传感器敏感单元阵列特性，国内外专家进行了不少尝试和探索。从触觉机理、触觉传感材料、触觉信息获取、触觉图像识别以及传感器实用化等方面进行了大量的研究，由此产生了很多新型传感器，其中电容式触觉传感器在智能机器人的设计中具有很高的实用价值。目前触觉传感器按照其敏感材料、感知机理大致可分为六种：机械式、压阻式、电容式、压电式、压磁式和光电式。机械式传感器是由外力引起机械位移，但是其空间分辨率受到限制且结构复杂；压阻式传感器是利用单晶硅体材料的压阻效应和集成电路技术制成的，其具有很好的负载能力且动态范围宽，同时也存在迟滞，弹性材料性能需要优化，单调响应非线性的缺点；电容式传感器原理为两平行板极间弹性介质层受压变形是容量变化，有动态范围宽、线性响应和坚固耐用的优点和介电性易受温度影响及易受噪音干扰的缺点；压电式传感器利用对敏感元件施加压力时其两端会产生电压的原理，如PVDF薄膜，其动态范围宽和形状裁剪方便，但是其只能感应动态力；压磁式传感器将作用力的变化转化成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信号，有输出功率大、信号强、结构简单优点，但易受散场和噪音影响；光电式传感器用弹性体变形法调制光波，使压力转换为光图像，拥有高分辨率、无电气干扰、信号处理电路可远离传感器等优点，但性能对弹性体依赖较强且存在滞后。

目前为提高灵敏度和线性度，克服电源电压、环境温度变化等外界条件影响，电容式触觉传感器常采用差动式或梳齿状结构。差动式结构在测量正压力时可以发挥其独特的优势，但在测量切向力的时候存在有一定的局限性；梳齿状结构在测量切向力时能发挥其信息冗余的优势，但在正压力检测时存有一定的缺陷，且其结构过于复杂。

如中国专利号为201010512715.7的电容性传感器，提出了一种电容性传感器放大器电路，并没有涉及到电容传感器单元的结构；如中国专利申请号为201180069443.0的力传感器，通过识别检测环的弹性变形的方式及大小可以检测作用力或力矩的方向及大小，但是其检测部分的电容元件结构不够优化，灵敏度不够高；如中国专利申请号为20130406920.9的电容式压力传感器，在高温环境下，布置在探测器本体远端部处的电容式传感器检测压力的大小，并且通过并联电容的方式来减小由温度变化所引起的误差，压力传感器不能检测三维方向上的力的大小。

发明内容

为了提高电容式传感器的灵敏度并减少维间耦合程度，本实用新型的目的是提供一种三维力电容式触觉传感器单元，以解决现有技术中存在的缺陷。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种三维力电容式触觉传感器单元，包括相粘接的驱动电极、介电薄膜和固定基板，所述介电薄膜设置于驱动电极和固定基板之间，所述固定基板边沿均设有梯形电极，所述固定基板在中心处设有等位环，所述等位环内设有圆形电极，所述介电薄膜包括一个盖合圆形电极的法向薄膜和四个盖合梯形电极的切向薄膜，所述四个切向薄膜以两两对称的排布方式设于介电薄膜的四边上。

优选的，所述驱动电极上设有驱动电极扇形孔。

优选的，所述四个切向薄膜依次连接，两个切向薄膜连接后与法向薄膜形成介电薄膜扇形孔。

优选的，所述介电薄膜扇形孔与驱动电极上对应位置的驱动电极扇形孔形状相同。

优选的，所述的驱动电极与圆形电极是分隔开的。

优选的，所述驱动电极、梯形电极、等位环、圆形电极的材质均为铜或铝。

优选的，所述介电薄膜的材质为PDMS、PET或硅橡胶中的一种，厚度为1μm～20μm。

优选的，所述等位环和圆形电极之间设有绝缘层。

优选的，所述四个切向薄膜的宽度比梯形电极的宽度窄0.1mm～1mm。

众所周知，平行板电容的电容值与两极板间的正对面积成正比，跟极板的垂直距离d成反比。平行板电容器电容公式如下：

$C=\frac{\mathrm{\ϵ}(s+\mathrm{\Δs})}{4\mathrm{\πk}(d+\mathrm{\Δd})}---\left(1\right)$

其中，C为触觉传感器单元电容值；ε为介电常数；s为两电容极板间的正对面积；Δs为两电容极板间正对面积的变化值；k为静电力常数；d为两电容极板间的垂直距离；Δd为两电容极板间垂直距离的变化值。

当驱动电极受外部正压力时，两极板间的垂直距离d改变，由式(1)可知，触觉传感器单元电容值随之发生改变；当驱动电极受外部切向力时，两极板间的正对面积改变，由式(1)可知，触觉传感器单元电容值随之发生改变。由电容式传感器相对灵敏度公式及式(1)可得：

${\mathrm{RS}}_n=\frac{\mathrm{\Δc}/c_0}{{\mathrm{\ΔF}}_n}=\frac{\mathrm{\Δc}/c_0}{\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}{E}_{n}S}\≈\frac{1}{E_{n}S}---\left(2\right)$

RS_n为电容相对灵敏度；ΔC为触觉传感器单元电容的变化值；C₀为触觉传感器单元的初始电容值；ΔF_n为作用在触觉传感器单元上正压力的变化值；d₀为两电容极板间的初始垂直距离；E_n为电容电解质的弹性模量。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的驱动电极受到外部应力作用时，测量电极板间的电压值，根据理论推导可求得位移值对应的应力值，扇形孔减小了驱动电极和介电薄膜、固定基板间的接触面积，从而提高了检测电容的相对灵敏度，同时将梯形电极和圆形电极分隔开，使正压力和切向力的检测分开，可降低维间耦合程度，等位环可以改善电极外边缘处的电场畸变，有效减小边缘效应的影响。

附图说明

图1为本实用新型的立体结构示意图；

图2为本实用新型的固定基板的主视图；

图3为本实用新型的主视图；

图4为图3的A-A剖视图。

图中：1、驱动电极，2、介电薄膜，3、固定基板，4、扇形孔，5、法向薄膜，6、切向薄膜，7、梯形电极，8、等位环，9、圆形电极，10、绝缘层。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对照附图对本实用新型进一步阐述。

如图1和图2所示，一种三维力电容式触觉传感器单元，包括相粘接的驱动电极1、介电薄膜2和固定基板3，驱动电极1上设有4个扇形孔4，介电薄膜2配置于驱动电极1和固定基板3的中间，所述介电薄膜2包括1个法向薄膜5和4个切向薄膜6，所述法向薄膜5为圆柱形，设于介电薄膜2中心处，所述4个切向薄膜6均为长条状，所述4个切向薄膜6以两两对称的排布方式设于介电薄膜2的四边上。

如图3和图4所示，所述固定基板3上表面边沿均匀设有梯形电极7，所述固定基板3上表面中心处设有等位环8，所述等位环8内设有圆形电极9，所述4个切向薄膜6的宽度比梯形电极7的宽度窄0.1mm～1mm。

驱动电极1、介电薄膜2和固定基板3的粘接方式可以通过如下方式实现的：

先用蜡做出介电薄膜中间镂空的模型，将驱动电极和固定基板放置在蜡模型的两侧，然后将PDMS填充进中间镂空的模型并将其置于70℃的环境中两个小时，使PDMS与蜡均处于固态，此时，驱动电极1、介电薄膜2和固定基板3粘接在一起，再将它们整体放置于沸水中，此时蜡融化从基极板上的间隙中流出，浮出水面进而分离出来，最后将其从水中取出来，放置常温下干燥。

众所周知，平行板电容的电容值与两极板间的正对面积成正比，跟极板的垂直距离d成反比。平行板电容器电容公式如下：

$C=\frac{\mathrm{\ϵ}(s+\mathrm{\Δs})}{4\mathrm{\πk}(d+\mathrm{\Δd})}---\left(1\right)$

其中，C为触觉传感器单元电容值；ε为介电常数；s为两电容极板间的正对面积；Δs为两电容极板间正对面积的变化值；k为静电力常数；d为两电容极板间的垂直距离；Δd为两电容极板间垂直距离的变化值。

当驱动电极受外部正压力时，两极板间的垂直距离d改变，由式(1)可知，触觉传感器单元电容值随之发生改变；当驱动电极受外部切向力时，两极板间的正对面积改变，由式(1)可知，触觉传感器单元电容值随之发生改变。由电容式传感器相对灵敏度公式及式(1)可得：

${\mathrm{RS}}_n=\frac{\mathrm{\Δc}/c_0}{{\mathrm{\ΔF}}_n}=\frac{\mathrm{\Δc}/c_0}{\frac{\mathrm{\Δd}}{d_0}{E}_{n}S}\≈\frac{1}{E_{n}S}---\left(2\right)$

RS_n为电容相对灵敏度；ΔC为触觉传感器单元电容的变化值；C₀为触觉传感器单元的初始电容值；ΔF_n为作用在触觉传感器单元上正压力的变化值；d₀为两电容极板间的初始垂直距离；E_n为电容电解质的弹性模量。

所述驱动电极1受外部正压力时，所述驱动电极1和固定基板3间的距离改变，测量电容极板间的电压，根据电压确定应变后的电容值，可求得驱动电极1的竖直位移量，由位移量对应的应力值可求得外部正压力的大小；所述驱动电极1受外部切向力时，所述切向薄膜6和梯形电极7间的有效面积减小，测量电容极板间的电压，根据电压确定应变后的电容值，可求得驱动电极1的水平位移量，由位移量对应的应力值可求得外部切向力的大小，由于4个切向薄膜6是两两对称，通过测量对应梯形电极7的电容值，可检测所受切向力的方向。

所述扇形孔4减小了驱动电极1和介电薄膜2间的接触面积，同时所述法向薄膜5和切向薄膜6之间也形成类似的扇形孔，使介电薄膜2和固定基板3间接触面积也减小，从而提高了检测电容的相对灵敏度，所述梯形电极7和圆形电极9是分隔开的，使正压力和切向力的检测分开，可降低维间耦合程度，所述切向薄膜比梯形电极的宽度窄，使电容式触觉传感器单元切向受力发生位移时，一边的切向薄膜因变形而产生偏移后还处于两电容极板间的正对面积内，而对边的切向薄膜因变形而产生偏移后不处于两电容极板间的正对面积内，这就导致电容极板间的电压不同，通过对两侧电容进行比较，可消除切向力的维间耦合作用。所述等位环8可以改善电极外边缘处的电场畸变,有效减小边缘效应的影响。

所述驱动电极1、梯形电极7、等位环8、圆形电极9的材质均为铜或铝，可在高温高压等恶劣环境下稳定工作，可靠性高。

此外，所述介电薄膜2的材质可以为PDMS、PET或硅橡胶中的一种，厚度为1μm～20μm，电绝缘性能较好且扰度高，使电容工作更稳定。所述4个切向薄膜6均为类等腰梯形，受切向力时4个切向薄膜6相对梯形电极7的面积变化率较大，可提高切向力检测灵敏度。

在本实施例中，所述等位环8和圆形电极9之间设有绝缘层10，使等位环8和圆形电极9彼此电绝缘但等电位，使驱动电极1和固定基板3之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环外周不影响两极板间电场。

基于上述，驱动电极和梯形电极、圆形电极构成充放电回路，所述介电薄膜可规整电场线，提高充放电速度，驱动电极受到外部应力作用时，测量电极板间的电压值，根据理论推导可求得位移值对应的应力值，扇形孔减小了驱动电极和介电薄膜、固定基板间的接触面积，从而提高了检测电容的相对灵敏度，同时将梯形电极和圆形电极分隔开，使正压力和切向力的检测分开，可降低维间耦合程度，等位环可以改善电极外边缘处的电场畸变,有效减小边缘效应的影响。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种三维力电容式触觉传感器单元，包括相粘接的驱动电极、介电薄膜和固定基板，所述介电薄膜设置于驱动电极和固定基板之间，其特征在于：所述固定基板边沿均设有梯形电极，所述固定基板在中心处设有等位环，所述等位环内设有圆形电极，所述介电薄膜包括一个盖合圆形电极的法向薄膜和四个盖合梯形电极的切向薄膜，所述四个切向薄膜以两两对称的排布方式设于介电薄膜的四边上。

2.根据权利要求1所述的三维力电容式触觉传感器单元，其特征在于：所述驱动电极上设有驱动电极扇形孔。

3.根据权利要求1或2所述的三维力电容式触觉传感器单元，其特征在于：所述四个切向薄膜依次连接，两个切向薄膜连接后与法向薄膜形成介电薄膜扇形孔。

4.根据权利要求3所述的三维力电容式触觉传感器单元，其特征在于：所述介电薄膜扇形孔与驱动电极上对应位置的驱动电极扇形孔形状相同。

5.根据权利要求1所述的三维力电容式触觉传感器单元，其特征在于：所述的驱动电极与圆形电极是分隔开的。

6.根据权利要求1所述的三维力电容式触觉传感器单元，其特征在于：所述驱动电极、梯形电极、等位环、圆形电极的材质均为铜或铝。

7.根据权利要求1所述的三维力电容式触觉传感器单元，其特征在于：所述介电薄膜的材质为PDMS、PET或硅橡胶中的一种，厚度为1μm～20μm。

8.根据权利要求1所述的三维力电容式触觉传感器单元，其特征在于：所述等位环和圆形电极之间设有绝缘层。

9.根据权利要求1所述的三维力电容式触觉传感器单元，其特征在于：所述四个切向薄膜的宽度均比梯形电极的宽度窄0.1mm～1mm。