CN205157086U - 压电式柔性三维触觉传感阵列 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种压电式柔性三维触觉传感阵列，触觉传感阵列从上至下依次由PDMS表面凸起层、上电极层、PVDF压电薄膜层、下电极层、PDMS柔性基底层构成。上下电极层呈图案化分布，将PVDF压电薄膜层夹于中间，形成多个压电电容，在力的作用下，压电电容上下电极产生电荷。整个阵列由六个三维触觉传感单元组成，按两行三列布置，空间分辨率达8mm。每个三维触觉传感单元含一个四棱台凸起和四个压电电容，四棱台凸起将外界三维接触力传递至四个压电电容，通过四个压电电容产生电荷的组合，测量外界三维接触力。本实用新型具有多维力同时测量、柔性适于曲面装载、动态响应好的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种柔性三维触觉传感阵列，尤其涉及一种压电式的柔性三维触觉传感阵列。
背景技术
中国是世界上残疾人数最多的国家，据2006年第二次残疾人抽样调查，我国肢体残疾患者数量高达2412万人，其中截肢患者约226万人。但是，目前大部分患者选择不安装假肢或只安装美容假肢，操作型假肢的接受度不高，其重要原因是目前的操作型假肢缺少触觉感知功能，无法成为患者身体的一部分。触觉感知功能重建是目前操作性假肢领域的一个研究热点，将触觉传感器置于假肢手指端，感受操作物体时的接触力分布及滑移信息，并将信息通过人机接口反馈给残疾患者，提高患者对假肢的掌控能力。
目前用于假肢手的三维触觉传感器主要是基于压阻式和电容式的。硅压阻式三维触觉传感器以其稳定的性能、简单的接口见长，但由于其基底是硬性的，无法随意弯曲，因此只能简单地布置于平面上，无法在手指曲面上作阵列式布置。导电橡胶型压阻式三维触觉传感器和柔性电容式三维触觉传感器虽具有柔性可弯曲的特点，但其动态性能不好，无法对接触及滑移信号作出快速反应。
为解决这些问题，有必要研究一种基于压电式的柔性三维触觉传感阵列，通过其快速响应的特点，实现接触及滑移状态的快速判断。
发明内容
本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种压电式柔性三维触觉传感阵列，通过四棱台凸起和压电电容的组合，实现动态三维接触力大小和方向的多点、快速测量。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种压电式柔性三维触觉传感阵列，从上至下依次由PDMS表面凸起层、上电极层、PVDF压电薄膜层、下电极层和PDMS柔性基底层，五层叠在一起构成；所述PDMS表面凸起层为上表面具有两行三列排布的PDMS四棱台的图案化的PDMS薄膜；上电极层为四行六列排布的上电极阵列；下电极层为两行三列排布的下电极阵列；一个下电极对应四个上电极，与夹心的PVDF压电薄膜层共同形成四个压电电容，一个PDMS四棱台正压于这四个压电电容上，组成一个三维触觉传感单元；所述柔性三维触觉传感阵列包含六个三维触觉传感单元，空间分辨率为8mm；所述上电极和下电极均为铝。
进一步地，所述三维触觉传感单元中四个压电电容均布于PDMS四棱台下底面的四角。
进一步地，所述的上电极层和下电极层的厚度均为200nm，相邻上电极的最小中心间距为2.5mm。
本实用新型具有的有益效果是：
(1)通过PDMS四棱台和四个均布压电电容的组合，可以测量出三维接触力的大小和方向，具有结构简单、操作方便的优点。
(2)触觉传感阵列上下电极层采用双面光刻、湿法腐蚀工艺制备，能有效控制电极形状及尺寸，保证传感阵列的测量精度。
(3)触觉传感阵列的压电薄膜层、表面凸起层及基底层均由柔性材料制备，便于曲面装载，可解决现有刚性触觉传感阵列在假肢手指表面、机器人手指及身体曲面处难于装载的问题。
附图说明
图1是本实用新型压电式柔性三维触觉传感阵列的分层爆炸图；
图2是本实用新型PDMS表面凸起层的平面图；
图3是本实用新型上电极层的平面图；
图4是本实用新型下电极层的平面图；
图5是本实用新型压电式柔性三维触觉传感阵列的整体装配图；
图6是本实用新型三维触觉传感单元的分层爆炸图；
图7是本实用新型三维触觉传感单元的装配图；
图8是本实用新型三维触觉传感单元的工作原理图，其中(a)是受正向接触力Fz作用时的工作原理，(b)是受切向接触力Fx作用时的工作原理，(c)是受切向接触力Fy作用时的工作原理；
图中，PDMS表面凸起层1、上电极层2、PVDF压电薄膜层3、下电极层4、PDMS柔性基底层5、PDMS四棱台6、上电极7、下电极8、三维触觉传感单元9、压电电容10。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，本实用新型的柔性三维触觉传感阵列从上至下依次由PDMS表面凸起层1、上电极层2、PVDF压电薄膜层3、下电极层4、PDMS柔性基底层5，五层叠在一起构成。其中，PDMS表面凸起层1起传递接触力的作用，同时将上电极层2与外界隔绝，减少干扰；PVDF压电薄膜层3与图案化的上电极层2及下电极层4构成压电电容，将力信号转换为电荷信号；PDMS柔性基底层5将下电极层4与外界隔绝，保护下电极层并隔绝外界干扰。
如图2、图3、图4所示，所述PDMS表面凸起层1为上表面具有两行三列排布的PDMS四棱台6的图案化的PDMS薄膜；上电极层2为四行六列排布的上电极7阵列；下电极层4为两行三列排布的下电极8阵列。
如图6、图7所示，一个下电极8对应四个上电极7，与夹心的PVDF压电薄膜层3共同形成四个压电电容10，一个PDMS四棱台6正压于这四个压电电容10上，组成一个三维触觉传感单元9。
如图5所示，整个柔性三维触觉传感阵列包含六个三维触觉传感单元9，空间分辨率为8mm。
如图8所示，柔性三维触觉传感单元9的工作原理如下：当正向接触力Fz作用于PDMS四棱台6上表面时，PDMS四棱台6将力均匀地传递至四个压电电容10(10a、10b、10c、10d)上，由于PVDF压电薄膜层3的正压电效应，四个压电电容10的电极上产生等量、同极性的压电电荷；当切向接触力Fx作用于PDMS四棱台6上表面时，在PDMS四棱台6下表面与四个压电电容10的结合面上产生了相应的力矩，使得同列的压电电容10a、10b与压电电容10c、10d受大小相等、方向相反的力，产生大小相等、极性相反的电荷；当切向接触力Fy作用于PDMS四棱台6上表面时，在PDMS四棱台6下表面与四个压电电容10的结合面上产生了相应的力矩，使得同列的压电电容10a、10c与压电电容10b、10d受大小相等、方向相反的力，产生大小相等、极性相反的电荷。利用四个压电电容10上产生电荷的组合运算，可以测量出外界三维接触力的大小和方向。
完成该压电式的柔性三维触觉传感阵列的制作步骤如下：
(1)在一张厚度为28um，双面金属化的PVDF薄膜上表面均匀旋涂一层2.5um厚的正光刻胶，并放入60℃的恒温箱内静置1小时进行软烘干，以提高光刻胶与PVDF薄膜之间的粘附力，将烘干后的PVDF薄膜取出，在其下表面也均匀旋涂一层2.5um厚的正光刻胶，并放入恒温箱进行软烘干，烘干温度和时间同样设置为60℃、1小时，得到一张双面涂有光刻胶的金属化PVDF薄膜。
(2)将带有上电极层(2)图案和下电极层(4)图案的两张菲林掩膜板对齐粘贴，把双面涂有光刻胶的金属化PVDF薄膜插入这两张掩膜板中间，形成曝光组件，并固定到玻璃片上，放入光刻机进行上表面曝光，45s之后取出玻璃片，撕下上面的曝光组件，翻转粘贴到玻璃片上，放入光刻机进行下表面曝光，同样曝光45s，得到双面曝光的金属化PVDF薄膜。
(3)将双面曝光的金属化PVDF薄膜浸入正胶显影液中进行显影处理，浸泡30s后取出，用去离子水反复冲洗，再用高纯氮气吹干，并放入60℃的恒温箱进行后烘处理，90min后取出，待其冷却到室温时浸入由磷酸、醋酸、硝酸和水按16:1:1：4的质量比组成的混合溶液中进行腐蚀，浸泡10min后PVDF薄膜上下表面的金属层被图案化，形成所述柔性三维触觉传感阵列的上电极层(2)和下电极层(4)，中间的PVDF薄膜为所述柔性三维触觉传感阵列的PVDF压电薄膜层(3)。
(4)在上电极层(2)表面旋涂一层50um厚的PDMS(Sylgard184，预聚物质量：固化剂质量＝10:1)薄膜，室温静置24小时，形成PDMS粘结层，然后在下电极层(4)表面同样旋涂一层50um厚的PDMS薄膜，室温静置24小时，形成基底层(5)。
(5)将Sylgard184PDMS预聚物与固化剂以10:1的质量比混合、搅匀、抽真空去除气泡，注入到带有四棱台凹坑阵列的铝合金模具中，在80℃的恒温箱中放置3小时进行固化处理，制造成PDMS表面凸起层(1)。
(6)对PDMS表面凸起层(1)的下表面和步骤(4)制备的PDMS粘结层上表面进行氧等离子活化，并将这两个表面对准贴合，制备出所述的压电式柔性三维触觉传感阵列。
按照以上步骤，制造出来的传感阵列拥有多点动态三维力检测功能，同时具有良好的柔性和延展性，对机器人手、假肢手等复杂非规则曲面具有很好的适应性。
Claims (3)
1.一种压电式柔性三维触觉传感阵列，其特征在于，柔性三维触觉传感阵列从上至下依次由PDMS表面凸起层(1)、上电极层(2)、PVDF压电薄膜层(3)、下电极层(4)和PDMS柔性基底层(5)五层叠在一起构成；所述PDMS表面凸起层(1)为上表面具有两行三列排布的PDMS四棱台(6)的图案化的PDMS薄膜；上电极层(2)为四行六列排布的上电极(7)阵列；下电极层(4)为两行三列排布的下电极(8)阵列；一个下电极(8)对应四个上电极(7)，与夹心的PVDF压电薄膜层(3)共同形成四个压电电容(10)，一个PDMS四棱台(6)正压于这四个压电电容(10)上，组成一个三维触觉传感单元(9)；所述柔性三维触觉传感阵列包含六个三维触觉传感单元(9)，空间分辨率为8mm；所述上电极(7)和下电极(8)均为铝。
2.根据权利要求1所述的一种压电式柔性三维触觉传感阵列，其特征在于：所述三维触觉传感单元(9)中四个压电电容(10)均布于PDMS四棱台(6)下底面的四角。
3.根据权利要求1所述的一种压电式柔性三维触觉传感阵列，其特征在于：所述的上电极层(2)和下电极层(4)的厚度均为200nm，相邻上电极(7)的最小中心间距为2.5mm。
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