CN210036760U - 双模传感单元和双模传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了双模传感单元和双模传感器，双模传感单元包括屏蔽层、压敏导电层、电容感应层和柔性凸起层；屏蔽层与压敏导电层固定连接，屏蔽层接地设置；压敏导电层包括传导电极和压阻敏感层；压阻敏感层设有凸起微结构；电容感应层包括第一柔性基底、发射电极和接收电极；发射电极、接收电极固定在第一柔性基底的底面，且发射电极和接收电极上下分层设置，发射电极与凸起微结构导通连接；柔性凸起层与第一柔性基底固定连接，柔性凸起层的上端面设有应力收集凸起。双模传感单元同时具备接近觉和触觉传感的功能；双模传感器由多个双模传感单元矩阵排布而成，并且相互之间通过柔性基底连接，具备良好的柔性，其内部线路简洁。

Description

双模传感单元和双模传感器

技术领域

本实用新型属于机器人传感技术领域，具体涉及双模传感单元和双模传感器。

背景技术

现有的协作机器人传感系统基本都包含视觉和触觉传感器，触觉传感系统主要是提供接触情况下的应力及其分布信息，视觉传感系统主要是提供方位捕捉和物体距离信息。然而一方面，需要额外的3D摄像头装置，不仅增加了成本，而且在处理数据带宽和视觉算法的要求较高；另一方面，在有些应用场景中存在物距较小的情况，此时视觉传感器易被机械臂遮挡无法有效捕捉距离信息，而同时机械臂仍未接触到物体，触觉传感器也无法正常获取物体信息，为传感系统的“盲区”。所以机器人电子皮肤在具有视觉、触觉能力的同时，还需要有接近感知的辅助功能，才能真正实现安全的人机交互任务。

韩国首尔大学的Hyung-Kew Lee在2009年公开的文献中描述了一种电容式的接近和触觉的传感器阵列，采用的是上下层分布的叉指型电极，通过连接不同检测电极来实现共面电容式接近传感和上下结构的交叉平板电容式触觉传感，这两种模式的切换需要复杂的控制电路来实现，上下交叉电极结构将导致引线和电路复杂，影响整体传感器的柔性，同时也会引起寄生电容的产生，导致测量信号发生漂移，此外平板电容的介电层是空气，将导致压力信号的量程范围小和灵敏度低等问题。

韩国Jong-Hyun Ahn等人(Kang,Kim et al.2017)实用新型了一种基于石墨烯的3D触摸传感器，通过电容感知人体的距离和接触物体的大致轮廓，其可以直接安装于可变形的部位，具有一定的拉伸性。但是在接触模式下存在灵敏度不高，检测范围较窄等问题。

因此，需要一种新的技术以解决现有技术中接近觉和触觉的电路复杂、测量精度低、灵敏度低、检测范围较窄问题。

实用新型内容

为解决现有技术中的上述问题，本实用新型提供了双模传感单元和双模传感器，其电路简洁、测量精度、检测范围较大，具备高灵敏度。

本实用新型采用了以下技术方案：

双模传感单元，包括由下往上依次叠层设置的屏蔽层、压敏导电层、电容感应层和柔性凸起层；

所述屏蔽层的上表面与所述压敏导电层固定连接，屏蔽层接地设置；

所述压敏导电层包括传导电极和与所述传导电极导通连接的压阻敏感层；所述压阻敏感层由压敏导电材料制成，压阻敏感层的上表面设有若干呈矩阵分布的凸起微结构；

所述电容感应层包括第一柔性基底、发射电极和接收电极；所述发射电极、接收电极固定在所述第一柔性基底的底面，且发射电极和接收电极上下分层设置，所述发射电极与所述凸起微结构的上端面导通连接；

所述柔性凸起层与所述第一柔性基底的上表面固定连接，所述柔性凸起层的上端面对应所述压阻敏感层的位置设有应力收集凸起。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述传导电极包括第一电极主体和从所述第一电极主体延伸出的第一连接脚；所述压敏导电层与所述屏蔽层之间还设有第二柔性基底；所述传导电极固定在所述压阻敏感层的底部，所述传导电极嵌入所述第二柔性基底。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述传导电极包括呈框形的第二电极主体和与所述第二电极主体连接的第二连接脚；所述传导电极环设在所述压阻敏感层的外周并与所述压阻敏感层相导通连接。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述发射电极包括第三电极主体和与所述第三电极主体连接的第三连接脚，所述第三电极主体的位置与所述第一电极主体的位置相对应；所述接收电极包括呈框形的第四电极主体和与所述第四电极主体连接的第四连接脚；所述第四电极主体环设在所述第三电极主体的上方，所述第三连接脚和第四连接脚相互垂直。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述第四电极主体与所述压阻敏感层之间采用绝缘硅胶封装，所述绝缘硅胶的厚度与所述凸起微结构的高度相等，绝缘硅胶的宽度与第四电极主体的框形的宽度相等。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述凸起微结构的形状为锥形、截顶锥形、圆台形或半球形。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述锥形/所述截顶锥形的锥度为30°～90°。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述压阻敏感层和所述凸起微结构一体成型。

作为本实用新型技术方案的进一步改进，所述应力收集凸起的截面呈梯形。

双模传感器，基于上述的双模传感单元，包括多个所述双模传感单元，各所述双模传感单元呈矩阵排布，各双模传感单元的第一柔性基底、第二柔性基底分别对应连接；各所述双模传感单元的发射电极沿第一方向相互连接成串，各所述双模传感单元的接收电极沿第二方向相互连接成串，所述第一方向和第二方向相垂直。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1.本实用新型的双模传感单元中，电容感应层的发射电极和接收电极组成了共面电容，能够实现接近觉功能；压敏导电层具有压阻敏感层，其由压敏电阻材料制成，具备触觉传感的功能，且压阻敏感层设置了凸起微结构，能够收集接触应力，增强了其触觉压力的灵敏度和测量范围；通过上述电容感应层和压阻敏感层，同时具备了接近觉和触觉传感功能；此外电容感应层和压阻敏感层共用传导电极，简化了电路的复杂度；屏蔽层、压敏导电层和电容感应层垂直的排布方式可以增加空间分辨率。

2.本实用新型的双模传感器中，采用了矩阵分布的多个双模传感单元，各双模传感单元的发射电极沿第一方向相互连接成串，各所述双模传感单元的接收电极沿第二方向相互连接成串，通过FPCB柔性印刷技术可以很方便的实现阵列化。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术作进一步地详细说明：

图1是压阻敏感层的截面图；

图2是压阻敏感层的俯视图；

图3是双模传感单元的第一电极主体为圆形或正方形时的截面图；

图4是第一电极主体为正方形时的俯视图；

图5是第一电极主体为圆形时的俯视图；

图6是双模传感单元的第二电极主体为圆环或正方框时的截面图；

图7是第二电极主体为圆环时的俯视图；

图8是第二电极主体为正方形时的俯视图；

图9是第三电极主体为圆形、第四电极主体为圆环时的俯视图；

图10是第三电极主体为正方形形、第四电极主体为正方框时的俯视图；

图11是双模传感器中发射电极和接收电极呈矩阵排列的示意图；

图12是双模传感器中发射电极和接收电极呈矩阵排列时另一示意图；

图13是电容感应层对于同物体随接近距离的电容变化的折线图；

图14是具有凸起微结构和无该凸起微结构随压力的相对电阻变化的折线图。

附图标记：

1-压阻敏感层；11-凸起微结构；

2-屏蔽层；

3-压敏导电层；31-传导电极；311-第一电极主体；312-第一连接脚；313-第二电极主体；314-第二连接脚；32-第二柔性基底；33-绝缘硅胶；

4-电容感应层；41-第一柔性基底；42-发射电极；421

-第三电极主体；422-第三连接脚；43-接收电极；431-第四电极主体；432-第四连接脚；

5-柔性凸起层；51-应力收集凸起。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本实用新型的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。附图中各处使用的相同的附图标记指示相同或相似的部分。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本实用新型中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本实用新型各组成部分的相互位置关系来说的。

参照图1至图14，本实用新型提供了双模传感单元和双模传感器。

其中，双模传感单元包括由下往上依次叠层设置的屏蔽层2、压敏导电层3、电容感应层 4和柔性凸起层5。

如图4和7所示，所述屏蔽层2的上表面与导电压敏导电层3固定连接，屏蔽层2接地设置。其中，屏蔽层2采用方形的铜箔，厚度在50-100μm，主要是减少寄生电容的形成。

所述压敏导电层3包括传导电极31和所述压阻敏感层1，如图1至图8所示。

压阻敏感层1，如图1和图2，其由压敏导电材料一体成型制备，压阻敏感层的上表面设有若干呈矩阵分布的凸起微结构11，所述凸起微结构11在所述压阻敏感层1上呈矩阵分布，优选为3*3的矩阵分布，即凸起微结构11设有9个，并排布为矩形，矩形的每一边设有3个凸起微结构11。当接触压力发生变化，则电阻发生变化，能够用于制作触觉传感器。并且凸起微结构11的设置，提高了其对于压力变化的灵敏性。

其中，所述凸起微结构11的形状为锥形、截顶锥形、圆台形或半球形，作为优选，选择为锥形，其对于接触压力的变化更加敏感。其中，所述锥形/所述截顶锥形的锥度为30°～90°，可以选择为45°、60°或75°。具有该凸起微结构(微结构)和无该凸起微结构(无微结构)随压力的相对电阻变化如图14所示，可以看到具有该凸起微结构时其电阻对于压力十分敏感。压阻敏感层1和所述传导电极31相导通，所述传导电极31与所述屏蔽层2之间设有第二柔性基底32。传导电极31用于传输压阻敏感层1对于接触压力的电阻变化的信号。

其中，传导电极31有两种设置方式，两种方式都能够实现传导电极31对压阻敏感层1 的压阻电信号的传输。

其中一种设置方式如图3至图5所示，传导电极31包括呈圆形/正方形的第一电极主体 311和从所述第一电极主体311延伸出的第一连接脚312；所述传导电极31固定在所述压阻敏感层1的底部，所述传导电极31嵌入所述第二柔性基底32中。这种方式中，传导电极31 设在压阻敏感层1的下方与压阻敏感层1相导通。

传导电极31的另一种设置方式如图6至图8所示，所述传导电极31包括为圆环/正方框的第二电极主体313和与所述第二电极主体313连接的第二连接脚314；所述传导电极31环设在所述压阻敏感层1的外周并与所述压阻敏感层1相连接。这种方式中，传导电极31设置在压阻敏感层1的外围与与压阻敏感层1相导通。

为了进一步增强传导电极31与压阻敏感层1的传导连接，传导电极31与压阻敏感层1 之间通过SPI 05001-AB导电银胶进行粘接固定，以将压阻电信号最大限度传输。

其中，如图3、图6、图9和图10，所述电容感应层4包括第一柔性基底41、发射电极42和接收电极43；所述发射电极42、接收电极43固定在所述第一柔性基底41的底面，且发射电极42和接收电极43上下分层设置，即两者不在同一个水平面上，上下交错开，但由于两者的厚度都非常的薄，因此两者近乎在同一平面上，形成了一组共面电容。所述发射电极42与所述凸起微结构11的上端面导通连接。

电容感应层4的发射电极42和接收电极43组成了共面电容，能够实现接近觉功能。发射电极42固定连接凸起微结构11的上端面，发射电极42通过压阻敏感层1与底部的传导电极31形成连通，即电容感应层4和压阻敏感层1共用传导电极31，简化了电路的复杂度。

其中，所述发射电极42包括呈圆形/正方形的第三电极主体421和与所述第三电极主体 421连接的第三连接脚422，所述第三电极主体421的位置与所述第一电极主体311的位置相对应。

所述接收电极43包括为圆环/正方框的第四电极主体431和与所述第四电极主体431连接的第四连接脚432。

所述第四电极主体431环设在所述第三电极主体421的上方，所述第三连接脚422和第四连接脚432相互垂直；所述第四电极主体431与所述压阻敏感层3之间采用绝缘硅胶33封装，所述绝缘硅胶33的厚度与所述凸起微结构11的高度相等，绝缘硅胶33的宽度与第四电极主体431的圆环/正方框的宽度相等。

在实际是方案选择中，发射电极42和接收电极43的形状选择为相适配的，即当第三电极主体421为圆形时，第四电极主体431选择为圆环；当第三电极主体421为正方形时，第四电极主体431选择为正方框。

电容感应层对于同物体随接近距离的电容变化如图13所示。

其中，柔性凸起层5，如图3和图6所示，所述柔性凸起层5的上端面对应所述压阻敏感层1的位置设有应力收集凸起51，所述应力收集凸起51的截面呈梯形。柔性凸起层5的应力收集凸起51，能将其接触到的压力进行集中并经电容感应层4传递至压阻敏感层1，配合压阻敏感层1的凸起部，大大提高了了双模传感单元对于压力的灵敏度和测量范围。柔性凸起层5为PDMS材料、Ecoflex材料、SEBS材料或TPU材料中的一种，优选为PDMS。柔性凸起层5不仅可以起到传导集中压力的作用，同时也对电容感应层4到绝缘隔绝和保护作用。

基于上述的结构，本双模传感单元同时具备了接近觉和触觉传感功能，两者模式能够同时工作，灵敏度高，并且布线方式十分简洁。

本实用新型还提供了双模传感器，基于上述的双模传感单元，所述双模传感单元设有多个并呈矩阵排布，各双模传感单元的第一柔性基底41、第二柔性基底32分别对应连接，即相邻两个双模传感单元的第一柔性基底41相互连接；即相邻两个双模传感单元的第二柔性基底32相互连接。通过两层柔性基底，实现整个双模传感器的柔性。具体地第一柔性基底41、第二柔性基底32为FPCB，材质为透明聚酰亚胺(CPI)或聚对苯二甲酸二甲酯(PET)，厚度为50～100μm，优选为CPI，厚度50μm。

各所述双模传感单元的发射电极42沿第一方向相互连接成串，各所述双模传感单元的接收电极43沿第二方向相互连接成串，所述第一方向和第二方向相垂直，如图12和图13所示。在该双模传感器中，各双模传感单元呈矩阵分布，且各双模传感单元的发射电极42沿第一方向相互连接成串，各所述双模传感单元的接收电极43沿第二方向相互连接成串，通过FPCB 柔性印刷技术可以很方便的实现阵列化，制作工艺要求较低。

本实用新型所述的双模传感单元和双模传感器的其它内容参见现有技术，在此不再赘述。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，故凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.双模传感单元，其特征在于：包括由下往上依次叠层设置的屏蔽层、压敏导电层、电容感应层和柔性凸起层；

所述屏蔽层的上表面与所述压敏导电层固定连接，屏蔽层接地设置；

所述压敏导电层包括传导电极和与所述传导电极导通连接的压阻敏感层；所述压阻敏感层由压敏导电材料制成，压阻敏感层的上表面设有若干呈矩阵分布的凸起微结构；

所述电容感应层包括第一柔性基底、发射电极和接收电极；所述发射电极、接收电极固定在所述第一柔性基底的底面，且发射电极和接收电极上下分层设置，所述发射电极与所述凸起微结构的上端面导通连接；

所述柔性凸起层与所述第一柔性基底的上表面固定连接，所述柔性凸起层的上端面对应所述压阻敏感层的位置设有应力收集凸起。

2.根据权利要求1所述的双模传感单元，其特征在于：所述传导电极包括第一电极主体和从所述第一电极主体延伸出的第一连接脚；所述压敏导电层与所述屏蔽层之间还设有第二柔性基底；所述传导电极固定在所述压阻敏感层的底部，所述传导电极嵌入所述第二柔性基底。

3.根据权利要求1所述的双模传感单元，其特征在于：所述传导电极包括呈框形的第二电极主体和与所述第二电极主体连接的第二连接脚；所述传导电极环设在所述压阻敏感层的外周并与所述压阻敏感层相导通连接。

4.根据权利要求2所述的双模传感单元，其特征在于：所述发射电极包括第三电极主体和与所述第三电极主体连接的第三连接脚，所述第三电极主体的位置与所述第一电极主体的位置相对应；所述接收电极包括呈框形的第四电极主体和与所述第四电极主体连接的第四连接脚；所述第四电极主体环设在所述第三电极主体的上方，所述第三连接脚和第四连接脚相互垂直。

5.根据权利要求4所述的双模传感单元，其特征在于：所述第四电极主体与所述压阻敏感层之间采用绝缘硅胶封装，所述绝缘硅胶的厚度与所述凸起微结构的高度相等，绝缘硅胶的宽度与第四电极主体的框形的宽度相等。

6.根据权利要求1所述的双模传感单元，其特征在于：所述凸起微结构的形状为锥形、截顶锥形、圆台形或半球形。

7.根据权利要求6所述的双模传感单元，其特征在于：所述锥形/所述截顶锥形的锥度为30°～90°。

8.根据权利要求1所述的双模传感单元，其特征在于：所述压阻敏感层和所述凸起微结构一体成型。

9.根据权利要求1所述的双模传感单元，其特征在于：所述应力收集凸起的截面呈梯形。

10.双模传感器，基于如权利要求1至9中任一项所述的双模传感单元，其特征在于：包括多个所述双模传感单元，各所述双模传感单元呈矩阵排布，各双模传感单元的第一柔性基底、第二柔性基底分别对应连接；各所述双模传感单元的发射电极沿第一方向相互连接成串，各所述双模传感单元的接收电极沿第二方向相互连接成串，所述第一方向和第二方向相垂直。

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