一种全柔性电容式触觉传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种全柔性电容式触觉传感器，其特征在于：设置一柔性基底，在其下表面设置有屏蔽层，在其上表面设置有柔性导电下极板和间隔环绕在柔性导电下极板外围的柔性导电上极板电极；在柔性导电下极板和柔性导电上极板电极之间罩设有倒凹形弹性电介质层，在弹性电介质层外围罩设有倒凹形柔性导电上极板，在柔性导电上极板的外围罩设有倒凹形柔性保护层。本发明全柔性电容式触觉传感器所有结构均具有柔性，且将上下极板引线引至同一柔性基底，解决了阵列结构设计时出现引线繁琐、不美观、不易维护等难题。
【专利说明】一种全柔性电容式触觉传感器
【技术领域】
[0001]本发明属于传感【技术领域】，涉及一种用于人工智能皮肤的全柔性电容式触觉传感器。
【背景技术】
[0002]触觉是智能机器人感知外界信息的一种有效途径，触觉信息感知是机器人传感【技术领域】中一个必不可少的环节。一个完整的触觉信息是力、软硬度、温湿度及滑移等信息量的有机融合。作为一种仿生皮肤的触觉传感器被广泛应用于智能机器人触觉感知系统中，为智能机器人在复杂多元环境下完成预定功能提供了可靠保障。常用的机器人触觉传感器种类繁多，按敏感机理不同主要分为电阻式、电容式、光电式、压电式和电感式等。
[0003]Shouher Shirafuji等人介绍了 一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)的柔性压电薄膜人工皮肤，安装于机械手内表面，经可靠抓取目标物实验，验证其具备触觉检测功能。然而PVDF只能检测动态力，缺乏对静态力的感知功能。意大利的A.Cirillo等人介绍了一种基于光电技术的人工皮肤，可以实现法向力与切向力的检测。上海交通大学微纳科学技术研究院微米/纳米加工技术重点实验室的何明轩等人介绍了一种基于MEMS工艺的电容式微触觉探头，可实现精密测量。慕尼黑工业大学的Philipp Mittendorfer在印刷电路板上设计了一种正六边形的触觉传感单元，可拼接成不同大小的“人工皮肤”，实现大面积触觉感知。通常这类触觉传感器用仿生皮肤时多采用刚性基体，缺乏应有的柔性，不适合在机器人弯曲表面广泛使用。
[0004]Takashi Sagisaka等人提出了一种基于聚酰亚胺柔性基体的高密度触觉传感手套，用以检测外力分布、粗略估计力的方向及判别物体形状等。可灵活地穿戴于机器人手上实现触觉感知。然而,如果该高密度柔性触觉手套中某一部分发生破损则需要整体更换,势必加大使用成本，且可移植性与可维护性较差。
[0005]Kuniharu Takei等人于美国科学院院报提出了一种基于碳纳米管和银纳米粒子复合膜的高灵敏度电子胡须，并在半球形基体安装7个电子胡须用以实现触觉感知。可是，在大量触觉单元排列成阵列结构时存在引线繁琐，不易大规模集成等问题。三星综合技术研究院的Chwee-Lin Choong等人介绍了一种高灵敏度、高可拉伸度的压阻式传感器，由于其压阻电极共用一柔性极板，限制了其阵列化结构设计。
[0006]电容式传感器因具有体积小、灵敏度高、低噪声、低温漂及低功耗等显著优点而得到广泛应用。对于用作人工智能皮肤的触觉传感器不仅具有低成本、结构简单、稳定性高、抗干扰性强等特点外，还具备全柔性、可穿戴性、可扩展性、易维护性等特点。尤其是在服务和医疗机器人领域，这类智能机器人与人们生活密切相关，需要穿戴一些仿生皮肤确保安全人机交互。为此一种具有全柔性、可穿戴性强、可移植性好、易于维护、可拼接式的人工智能皮肤无疑是机器人传感【技术领域】的热点。
【发明内容】
[0007]本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种全柔性电容式触觉传感器，旨在解决现有全柔性电容式触觉传感器量程与灵敏度不可调、抗干扰性差、不易阵列化等问题。
[0008]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0009]本发明全柔性电容式触觉传感器，其特点在于:设置一柔性基底，在其下表面设置有屏蔽层，在其上表面设置有柔性导电下极板和间隔环绕在所述柔性导电下极板外围的柔性导电上极板电极；
[0010]在所述柔性导电下极板和所述柔性导电上极板电极之间罩设有倒凹形弹性电介质层，所述弹性电介质层的凹槽底面贴合在所述柔性导电下极板的上表面，所述弹性电介质层的凸台嵌入在所述柔性导电下极板和所述柔性导电上极板电极之间，且凸台顶面贴合柔性基底；
[0011]在所述弹性电介质层外围罩设有倒凹形柔性导电上极板，所述柔性导电上极板的凸台顶面与所述柔性导电上极板电极贴合，所述柔性导电上极板的凹槽底面贴合在所述弹性电介质层的上表面；
[0012]在所述柔性导电上极板的外围罩设有倒凹形柔性保护层。
[0013]本发明全柔性电容式触觉传感器，其特征在于:所述弹性电介质层是以填充有炭黑的硅橡胶为材质，所述炭黑的质量百分比为5%?12%。
[0014]所述柔性导电上极板以有机硅导电银胶为材质。
[0015]所述柔性基底以聚酰亚胺为材质；所述柔性保护层以PDMS为材质。
[0016]本发明全柔性电容式触觉传感器的结构模型可等效为平行板电容，弹性电介质层被柔性导电上极板和柔性保护层逐层包裹，凹槽底面与柔性导电下极板贴合。全柔性电容式触觉传感器的柔性导电上极板电极与柔性导电下极板的引线设计在同一聚酰亚胺柔性基底，可灵活进行电极布线，便于阵列化结构设计。
[0017]呈倒凹形的柔性导电上极板的底面与柔性导电下极板平行，且通过以其凸台与接地的柔性导电上极板电极接触的形式实现接地的效果，作为触觉传感器的接地上极板，同时又起到屏蔽的作用，简化了电容式触觉传感器抗屏蔽措施。
[0018]与已有技术相比，本发明有益效果体现在:
[0019]1、本发明全柔性电容式触觉传感器所有结构均具有柔性，与传统电容式触觉传感器相比，本发明的全柔性电容式触觉传感器结构将平行板电容上下极板引线设计在同一柔性基底，解决了阵列结构设计时出现引线繁琐、不美观、不易维护等难题；同时，在聚酰亚胺柔性基底上将本发明全柔性电容式触觉传感器排列成阵列结构，并在阵列周围预留可拼接式阵列扩展接口，可通过FPC软排线较灵活地拼接成不同大小与形状的敏感“皮肤”，具备可穿戴性、可扩展性、可移植性及易维护等特点。
[0020]2、本发明全柔性电容式触觉传感器呈倒凹形的柔性导电上极板的底面与柔性导电下极板平行部分作为平行板电容上极板，其余部分作为柔性导电上极板引线并与接地的柔性导电上极板电极接触，其中，整个柔性导电上极板又承担屏蔽保护作用；传统电容式传感器抗屏蔽措施多是在传感器封装时在外围增设一金属壳作为接地屏蔽体，在一定程度上影响了整个传感器的全柔性；本发明全柔性电容式触觉传感器结构中柔性导电上极板本身具有屏蔽功能，简化了工艺流程，提高了传感器的抗干扰性能。[0021]3、本发明全柔性电容式触觉传感器通过调节弹性电介质中炭黑的含量来调控其介电常数，实现了电容式触觉传感器的量程与灵敏度、响应时间等性能的控制，具有较广的应用领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明全柔性电容式触觉传感器的垂直剖面结构图；
[0023]图2是本发明圆形结构的全柔性电容式触觉传感器的拆分立体图；
[0024]图3是本发明圆形结构不含保护层和屏蔽层的全柔性电容式触觉传感器的立体图；
[0025]图4是本发明方形结构的全柔性电容式触觉传感器的拆分立体图；
[0026]图5是本发明方形结构不含保护层与屏蔽层的全柔性电容式触觉传感器的立体图；
[0027]图6是本发明全柔性电容式触觉传感器的受力分析示意图；
[0028]图7是本发明全柔性电容式触觉传感器的附尺寸参数的实例图；
[0029]图8是本发明不同炭黑含量填充硅橡胶时全柔性电容式触觉传感器的灵敏度曲线关系；
[0030]图9是本发明不同炭黑含量填充硅橡胶时全柔性电容式触觉传感器的量程曲线关系;
[0031]图10是本发明不同炭黑含量填充硅橡胶时全柔性电容式触觉传感器响应时间；
[0032]图11是本发明炭黑质量分数为8%含量填充硅橡胶时全柔性电容式触觉传感器响应时间整体图；
[0033]图12是本发明全柔性电容式触觉传感器阵列结构示意图；
[0034]图13是本发明全柔性电容式触觉传感器的阵列引线示意图；
[0035]图中标号:1柔性保护层；2柔性导电上极板；3弹性电介质层；4柔性导电下极板；5柔性导电上极板电极；6柔性基底；7屏蔽层；8全柔性电容式触觉传感器；9可拼接式阵列扩展插座；10第一行扫描线；11第一列扫描线。
【具体实施方式】
[0036]如图1所示，本实施例全柔性电容式触觉传感器的结构为:设置一柔性基底6，在其下表面设置有屏蔽层7，在其上表面设置有柔性导电下极板4和间隔环绕在柔性导电下极板4外围的柔性导电上极板电极5 ；
[0037]在柔性导电下极板4和柔性导电上极板电极5之间罩设有倒凹形弹性电介质层3，弹性电介质层3的凹槽底面贴合在柔性导电下极板4的上表面，弹性电介质层3的凸台嵌入在柔性导电下极板4和柔性导电上极板电极5之间；
[0038]在弹性电介质层3外围罩设有倒凹形柔性导电上极板2，柔性导电上极板2的凸台顶面与柔性导电上极板电极5贴合，柔性导电上极板2的凹槽底面贴合在所述弹性电介质层3的上表面；在柔性导电上极板2的外围罩设有倒凹形柔性保护层I。
[0039]弹性电介质层3依次被柔性导电上极板2和柔性保护层I逐层包裹，底部与柔性导电下极板4接触，构成一个模型可等效为平行板电容的压力敏感单元。本实施例的柔性导电上极板2与柔性导电下极板4的引线引至同一柔性基底6，易于阵列化结构设计。
[0040]柔性导电上极板2与柔性导电下极板4平行的部分充当平行板电容上极板，其余部分充当导线将柔性导电上极板2与柔性导电上极板电极5连接，柔性导电上极板电极5接地，使得柔性导电上极板2整体起到屏蔽作用。在柔性基底6底层设有屏蔽层7，作为电容式传感器的屏蔽层。
[0041]基于柔性印刷电路板(FPCB)技术，柔性基底6选用聚酰亚胺，柔性导电下电极板4与柔性导电上极板电极5均在柔性基底6的顶层并开窗处理，其形状可以是圆形、方形等，分别如图2中柔性导电下电极板4、柔性导电上极板电极5和图4中柔性导电下电极板4、柔性导电上极板电极5所示。
[0042]弹性电介质层3选用瑞士 SPC公司的CB3100型炭黑填充中昊晨光化工研究院有限公司的GD401型硅橡胶作为全柔性电容式触觉传感器的电介质材料，其中，为保证传感器的灵敏度，炭黑的质量分数在5%?12%，保证在“渗流区”附近，以便受力时利用介电性能随导电粒子含量的变化产生的“渗流效应”，改变复合材料的导电性并提高介电常数。制备时主要采用3D打印技术。首先，打印出高度适中的模具，将炭黑均匀填充硅橡胶后注入模具成型，待材料固化后取出即可。
[0043]柔性导电上极板2基材需要具备良好的导电性与柔软性，在一定程度上具备可延展性。本发明选用南京喜力特胶粘剂有限公司的YC-02型有机硅导电银胶作为柔性导电上极板2的材料，YC-02型有机硅导电银胶甲、乙组分按质量比10:1均匀混合后室温下可自行固化，且固化后具有良好的导电性、可拉伸性及柔软性等优点。
[0044]柔性导电上极板2制备方法为:首先，按照制备弹性电介质层3模具方法，打印出一内径与柔性导电上极板电极5外径相同的模具，其高度略高出弹性电介质层3，以便在后续步骤注入有机硅导电银胶时能可靠覆盖弹性电介质层3。将模具罩在柔性导电上极板电极5电极外,将弹性电介质层3的凹槽底面贴合在柔性导电下极板4表面，并置于模具中心。然后，将配比好的有机硅导电银胶注入模具内，并覆盖弹性电介质层3。在此过程中保证柔性导电上极板2的凹槽底面与弹性电介质层3良好接触，柔性导电上极板2的凸台顶面与柔性导电上极板电极5良好接触。否则在柔性导电上极板2和柔性导电下极板4之间的电介质就非仅含炭黑填充硅橡胶制备的弹性电介质，可能会掺入空气介质等。待有机硅导电银胶固化后去除模具可获得一平行板结构模型的电容式压力敏感单元。并且，柔性导电上极板2和柔性导电下极板4电极引线分布在同一柔性基底6。
[0045]为了延长该全柔性电容式触觉传感器的使用寿命，仿照上述柔性导电上极板2制作工艺流程在柔性导电上极板层外围包裹一层PDMS保护层。
[0046]如图2和图4所示，全柔性电容式触觉传感器的柔性保护层1、柔性导电上极板2、弹性电介质层3、柔性导电下极板4、柔性导电上极板电极5、柔性基底6及屏蔽层7，其形状可以是圆形、方形、椭圆形或其他多边形，视应用场合而定。
[0047]不含保护层和屏蔽层的圆形和方形的全柔性电容式触觉传感器的立体图分别如图3和图5所示，倒凹形弹性电介质层3的凹槽底面与柔性导电下极板4接触，在柔性导电下极板4和柔性导电上极板电极5之间有一定绝缘间距，防止柔性导电下极板4和柔性导电上极板电极5短接。弹性电介质层3的凸台嵌入在柔性导电下极板4和柔性导电上极板电极5之间。倒凹形柔性导电上极板2包裹弹性电介质层3，其凸台与柔性导电上极板电极5接触。
[0048]如图6所示(图6中虚轮廓线表示电容式触觉传感器未受压力时形状，实轮廓线表示受力后的形状)，本实施例全柔性电容式触觉传感器检测触觉力的机理如下:全柔性电容式触觉传感器受法向力F作用时，弹性电介质层3被压缩其厚度改变，柔性导电上极板2和柔性导电下极板4之间距离减小，相当于平行板电容极板间距减小。同时，单位体积弹性电介质3中炭黑含量增加，导电炭黑粒子间相互接触机率逐渐上升，开始形成导电通路，促使弹性电介质层3的介电常数增加，最终表现为电容式触觉传感器的输出电容变大。
[0049]起始阶段，施加法向力F较小，大部分炭黑粒子间彼此孤立，主要靠隧道效应和场致发射效应改变导电性能，弹性电介质层3的介电常数变化不明显，柔性导电上极板2和柔性导电下极板4之间间距的变化对电容式触觉传感器的输出起主导作用。随着法向力F的增加，由于弹性电介质层3本身厚度较薄且压缩量有限，此时柔性导电上极板2和柔性导电下极板4之间间距变化较小，而炭黑含量处于“渗流区”内，其介电常数的变化对传感器的输出起主导作用。
[0050]在传感器尺寸参数不变时，可以通过调节炭黑在硅橡胶中的填充量控制该全柔性电容式触觉传感器的弹性电介质层3的介电系数，从而制备出不同量程与灵敏度的触觉传感器。
[0051]由于柔性导电上极板层接地，具有很好的屏蔽作用，该单电极结构的全柔性电容式触觉传感器输出可以采用AD公司的AD7747或AD7147电容数字处理芯片。
[0052]本发明全柔性电容式触觉传感器在信号提取时选用具备I2C兼容型串行接口与片内环境自校准功能的AD7147-1，高达16位⑶C精度，13路容性输入的AD7147-1配合四通道单刀双掷开关ADG734可较方便地构成电容阵列传感器信号采集系统。同时，芯片采用有源交流屏蔽技术，将此屏蔽信号输出端与电容式触觉传感器的屏蔽层7相连，可有效地降低传感器使用过程中存在的噪声干扰。
[0053]在传感器的量程范围内，使用精密拉压力计对所述结构的电容式触觉传感器重复进行加载实验，可以得到输入(法向力)与电容传感器输出电容之间的曲线关系。通过对输入(法向力)与输出电容之间的曲线关系进行拟合，得到输入(法向力)与电容式触觉传感器输出电容的定量函数关系，依据该函数关系及当前电容式触觉传感器的输出电容可反演出法向力F的大小,从而实现触觉力检测的目的。
[0054]本发明全柔性电容式触觉传感器中，通过调控弹性电介质层中炭黑的含量可以实现传感器灵敏度、量程和响应时间的调控，为测试其具体影响，做实例如下:
[0055]如图7所示，在实例中，柔性印刷电路板采用沉金工艺，外表敷黄油处理。柔性基底层6是厚度为0.15mm的聚酰亚胺，柔性导电下极板4和柔性导电上极板电极5均是厚度为0.15_的铜箔，一般在理论公式计算或仿真时该厚度是可忽略的。圆饼状柔性导电下极板4直径为3mm，柔性导电上极板电极5圆环环径为0.5mm，柔性导电下极板4和柔性导电上极板电极5间隔宽度为1mm。弹性电介质层3的凹槽槽深0.15mm(即柔性基底层6顶层铜箔厚度)，凹槽底部厚度为1.5mm,总厚度为1.65mm、外径为5mm ;柔性导电上极板2总厚度为2.0mm、凹槽槽深为1.5mm,外径为6mm ;柔性保护层I半径为3.2mm、厚度为0.2mm。
[0056]在保持电容式触觉传感器尺寸不变情况下，控制炭黑填充硅橡胶的质量分数，探求不同炭黑含量下与电容式触觉传感器的灵敏度、量程和响应时间的关系。本实例中选择炭黑质量分数分别为5%、8%、10%、12%，使用AIKOH M0DEL-762型压力计对电容式压力敏感单元进行重复加卸载实验，选用AD7147-lQ)C(Capacitance-to-Digital Converter)作为电容信号采集的主芯片，STM32F103VET6高性能微处理器作为电容信号采集与处理的主控芯片，建立电容信号采集与处理系统。
[0057]针对不同炭黑含量对电容式触觉传感器灵敏度的调控，具体实施如下:在O~600KPa范围内，用AIKOH M0DEL-762型压力计以0.2N为步进对电容式触觉传感器进行加压(本实例中已将压力F换算成压强值P，P = F/S，其中，S = Jir2为电容式触觉传感器柔性导电下极板4的面积，r为柔性导电下极板4的半径)，同时，电容信号采集与处理系统测量对应施加压力下传感器的输出电容值。得到不同质量分数的炭黑填充硅橡胶时全柔性电容式触觉传感器归一化后的输入(压强)一输出(电容)之间的曲线关系如图8所示，图8中纵坐标C表不当前电容式触觉传感器的输出，Ctl为该触感器未受力时的初始输出电容值。可以明显看出，不同质量分数的炭黑填充硅橡胶时其灵敏度不同。在O~600KPa范围内对炭黑质量分数分别为的四个未归一化的曲线关系进行二次多项式拟合，若分别用 ^5wt % Λ Υδψ? % Λ YlOwt %、Yl2wt% Λ 表示炭黑质量分数为5%、8%、10%、12%时的传感器输出值(单位:pF)，x表示对输入(压强值，单位:KPa)，其二次多项式拟合后的函数关系如下:
【权利要求】
1.一种全柔性电容式触觉传感器，其特征在于:设置一柔性基底(6)，在其下表面设置有屏蔽层(7)，在其上表面设置有柔性导电下极板(4)和间隔环绕在所述柔性导电下极板(4)外围的柔性导电上极板电极(5)； 在所述柔性导电下极板(4)和所述柔性导电上极板电极(5)之间罩设有倒凹形弹性电介质层(3)，所述弹性电介质层(3)的凹槽底面贴合在所述柔性导电下极板(4)的上表面，所述弹性电介质层(3)的凸台嵌入在所述柔性导电下极板(4)和所述柔性导电上极板电极(5)之间； 在所述弹性电介质层(3)外围罩设有倒凹形柔性导电上极板(2)，所述柔性导电上极板⑵的凸台顶面与所述柔性导电上极板电极(5)贴合，所述柔性导电上极板(2)的凹槽底面贴合在所述弹性电介质层(3)的上表面； 在所述柔性导电上极板(2)的外围罩设有倒凹形柔性保护层(I)。
2.根据权利要求1所述的全柔性电容式触觉传感器，其特征在于:所述弹性电介质层(3)是以填充有炭黑的 硅橡胶为材质，所述炭黑的质量百分比为5%~12%。
3.根据权利要求1所述的全柔性电容式触觉传感器,其特征在于:所述柔性导电上极板(2)以有机娃导电银胶为材质。
4.根据权利要求1所述的全柔性电容式触觉传感器，其特征在于:所述柔性基底(6)以聚酰亚胺为材质；所述柔性保护层(I)以PDMS为材质。
【文档编号】G01L1/14GK103983382SQ201410245030
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2014年6月4日
【发明者】黄英, 郭小辉, 刘家俊, 刘彩霞, 袁海涛, 马阳洋, 刘平, 张玉刚 申请人:合肥工业大学