一种用于大变形和触觉压力测量的介电柔性传感器的制作方法

本发明属于柔性传感器及软体机器人技术领域，涉及一种用于大变形和触觉压力测量的介电柔性传感器。

背景技术：

柔性电子技术领域是目前研究发展的一个热门，它主要用于可穿戴技术和消费类电子技术领域，比如可弯曲屏幕、柔性电子触觉屏幕、人体训练及康复姿态测量用途、虚拟现实(VR)的感知触觉系统。其中柔性传感技术用来感知外界拉力压力，实现柔性测量。这种测量不同于传统的测量结构，它们一般都使用金属材料作为感知元件，产生的应变较小，很难与人友好的交互，比如与人接触使用时容易造成不适。而柔性传感器的材料为硅橡胶材料，柔软轻便，它的弹性模量与人体皮肤的弹性模量在一个数量级上，能够很好的抵抗外界产生的压力，作为感知元件具有很大的优势。这种传感器的尺寸可以做的非常小，精度可以做的非常高，因此很适合消费类电子产品的一些需求。

软体机器人领域作为未来机器人发展的一个方向，它通过改变功能材料自其特性实现运动变形，比如气动、介电弹性体驱动器、离子型驱动器等，这些功能材料产生无限连续自由度变形，用传统的测量方法很难测量这些微力和大变形，而介电弹性体传感器却可以很好地测量微力和大位移变形，为软体机器人的发展提供了技术支持。

对于大型复杂结构件来说，各个部件的在工作时的形变对其本身的工作精度影响十分明显，但是很多情况下这些形变的大小难以用激光测量仪等设备测得。这种传感器可以很好地解决这一问题，而且本身弹性模量相较于结构件可以完全忽略不计，因此能够用在辅助结构特殊位置的形变测量上。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于大变形和触觉压力测量的介电柔性传感器，可以用于复杂结构的形变测量，对于难以放置传统传感器的结构，可使用这种柔性传感器进行复杂结构位移的测量。本发明可以测量各种形状的结构发生的形变。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于大变形和触觉压力测量的介电柔性传感器，包括电介质层，以及分别贴于电介质层上表面和下面表的电极层；电极层的端部连接引线，引线采用真穿孔方式将正负电极两端用金属细针穿透。

其进一步的改进在于：

所述电介质层的厚度为50um～500um，采用弹性模量在0.1MPa～2Mpa的硅橡胶制成。

所述电极层的厚度为5um～100um，采用经过研磨过的碳粉电极或者碳粉与硅橡胶混合制成的柔性电极。

一种用于大变形和触觉压力测量的介电柔性传感器，包括叉指电极，叉指电极的每一组正极叉指和负极叉指之间均设置有电介质层；叉指电极上连接引线，引线采用穿孔方式将正负电极用金属细针穿透。

其进一步的改进在于：

所述电介质层的厚度为50um～500um，采用弹性模量在0.1MPa～2Mpa的硅橡胶制成。

所述叉指电极的每根叉指的厚度为5um～100um，采用经过研磨过的碳粉电极或者碳粉与硅橡胶混合制成的柔性电极。

一种用于大变形和触觉压力测量的介电柔性传感器，包括至少一层电介质层，以及依次阵列交叉布置于电介质层表面的若干正电极条和负电极条；正电极条和负电极条的端部连接引线，引线采用真穿孔方式将正负电极两端用金属细针穿透。

其进一步的改进在于：

所述电介质层的厚度为50um～500um，采用弹性模量在0.1MPa～2Mpa的硅橡胶制成。

所述正电极条和负电极条的厚度均为5um～100um，采用经过研磨过的碳粉电极或者碳粉与硅橡胶混合制成的柔性电极。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明单层结构包括中间层绝缘的硅橡胶材料作为电介质层，以及上下两层导电的碳粉电极材料作为电极层，构成一个电容回路，在拉伸或者压缩后，电介质的厚度变小，根据电容公式C＝ε₀εS/d，整个传感器的电容变大，因此可以根据电容的变化量求出位移的变化量，再根据材料的应力应变曲线，求出相应的拉伸力或者压力。单层结构制成长条状可以用来测量拉力或者拉伸位移。

压力传感器若做成单层，其产生的电容变化量较小，因此一般将其做成多层并联结构，用微小的力就可产生较大的电容变化，提升力电容的灵敏度；

本发明也可以用来测量分布式压力，将上下两层电极依次阵列交叉布置，形成阵列式压力传感器，这种结构节省了空间，可以将传感器的尺寸做的很小，传感器的分布密度做的更高，可做成单层或者多层结构，需要较高的制造工艺，当传感器表面感知到压力后，接触处的电容增大，在电压不变的情况下，电荷量增加，因此可通过测量流经上下两层电极的电荷量确定压力的位置和大小，这种柔性可弯曲变形的传感器结构在测量空间压力分布和人体可穿戴设备方面具有很好的应用前景。

进一步的，本发明的形状和大小可根据需要设计成不同的结构，单层拉伸传感器的长宽比不同适用于不同的测量场合；多层堆叠的传感器的层数可按需要设计，电极的形状可以设计成方形、圆形以及其他形状；阵列式传感器也可以设计成多层，提高电容的灵敏度。

进一步的，本发明的电极引线方式采用针穿孔方式，将传感器的正负电极两端用金属细针穿透，这样就将柔性电极与金属电极连接，减少接触的不稳定性与接触电阻。

进一步的，本发明电极采用碳粉，碳粉对电极的导电性具有重要影响，电极的导电性越高，电容充放电的速度越快；电极材料能与电介质材料牢固的粘在一起，在拉伸时电极不会产生破裂。

【附图说明】

图1为大变形拉伸传感器拉伸前后示意图；

图2为柔性压力传感器受到压力后的变形示意图；其中(a)为截面图，(b)为立体图；

图3为分布式压力触觉传感器受到压力后的电荷流动示意图。

其中：1-电介质层；2-电极层；3-叉指电极；4-正电极条；5-负电极条。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明可以做成单层结构，其结构包括电介质层1，以及分别贴于电介质层上表面和下面表的电极层2；电极层2的端部连接引线，引线采用真穿孔方式将正负电极两端用金属细针穿透。

如图2所示，本发明能够利用叉指电极制作成精度更高的多层结构，其结构包括叉指电极3，叉指电极3的每一组正极叉指和负极叉指之间均设置有电介质层1；叉指电极3上连接引线，引线采用真穿孔方式将正负电极用金属细针穿透。

如图3所示，本发明还能够做成正负电极交叉设置的结构，并且可以设置为单层结构也可以设置为多层结构，具体包括至少一层电介质层1，以及依次阵列交叉布置于电介质层1表面的若干正电极条4和负电极条5；正电极条4和负电极条5的端部连接引线，引线采用真穿孔方式将正负电极两端用金属细针穿透。

本发明电介质层1厚度可以改变，一般为50um～500um左右，厚度越薄电容的灵敏度越高，电介质材料一般为硅橡胶弹性体材料，材料具有超弹性不具有粘弹性，材料的弹性模量大概在0.1MPa～2MPa，抗剪性能好。柔性电极厚度较薄，一般5um～100um左右，厚度越薄电容的灵敏度越高；电极材料一般采用经过研磨过的碳粉电极或者碳粉与硅橡胶混合形成的电极，碳粉对电极的导电性具有重要影响，电极的导电性越高，电容充放电的速度越快；电极材料能与电介质材料牢固的粘在一起，在拉伸时电极不会产生破裂。

本发明设计了三类柔性传感器的结构形式：柔性大变形拉伸传感器、柔性压力传感器、分布式压力触觉传感器。

柔性大变形拉伸传感器除了可以测量大变形位移，还可以将测量的位移量转化为弯曲量用来测量角度的变化，比如将柔性传感器贴于肘关节处，肘关节弯曲时皮肤会发生伸长，引起传感器电容的变化，因此可将测得的位移量转化为肘关节弯曲的角度，用来测量姿态变形，可用于动作训练或者康复效果评价。柔性大变形拉伸传感器在测量伸长变形时对伸长变形的要求不是严格的，并非只能测量直线变形，带有微量扭曲或者弯曲的变形也可以测量，对测量的适应性很广；大变形传感器在测量时分为两种方式，一种与被测物体贴在一起，这种测量一般假设传感器的宽度不变，只发生厚度变形；另一种只在两端与被测物体粘在一体，中间不相连，这种方式在测量时宽度和厚度都会发生变形，在使用前需要进行标定。

柔性压力传感器可用于微小的压力测量，它是由单层柔性传感器结构叠加而成，正负柔性电极隔层相连，形成一个并联的电容回路，层数越多柔性传感器的灵敏度越高，可测量的微力分辨力越高。柔性压力传感器的电极根据制造工艺的不同可做成其他形状，比如圆形适用于旋涂制造，方形及其他形状适用于喷涂制造。柔性传感器的电介质介电常数对于电容的灵敏度具有重要影响，可通过在硅橡胶材料中掺杂少量的导电离子或其他的颗粒物提高介电常数，从而提高传感器的灵敏度。

分布式压力触觉传感器的条状电极宽度可以改变，整个传感器可以设计成多层提高灵敏度，分布式压力触觉传感器的测量方法不同于上述其他两种传感器，它在保持电压不变的情况下，测量每个通道电极处电荷量的变化来定位压力发生的位置，根据电荷量的变化幅度求出施加压力的大小。柔性电极与金属电极的连接可通过针串孔方式，这样可减小制造工艺的复杂度，同时减少接触电阻、保持固定连接。

本发明的制备过程：

首先制造出柔性传感器：在制造时可通过流平仪首先均匀的铺一层电介质，待电介质材料将要固话未完全固化时，即还存在粘性时，在电介质的表面铺一薄层电极，使电介质与电极能牢固的粘在一起，电极的形状取决于所选的掩膜，适当留出柔性电极的接头以利于电极引线。依照上述方法重复制作电介质和电极，以用来制造不同种类的传感器。

上下两层是由可产生大变形且可导电的柔性电极敷成的薄膜层，中间是由可产生大变形且不导电的介电材料敷成的薄膜层。整体结构呈现电容特性，在拉伸时，由于中间层的长度伸长、厚度缩小(体积不变)，导致电容变大，因此可通过测量电容来测量拉伸量。

电容变化量与应变之间存在近似线性关系，通过测量到的电容值就可以计算伸长量，由伸长量可计算出材料的应变，对于超弹性材料来说，由于应变与应力间存在确定关系，由应变可确定出应力，进而得出单方向的拉伸力，因此该传感器也可看作是一个单轴拉力传感器。同理，如果对传感器施加压力，传感器的厚度发生变化，电容也会发生变化。

将制造好的柔性传感器进行标定，确定变化量与被测量的变化关系，比如位移与电容的关系、力与电容的关系。位移和力加载方式可以通过伺服电机或者砝码，对传感器进行拉伸，测量器电容变化，然后完成应变与电容的变化关系图。

将传感器与被测物体连接进行测量，一般是将传感器直接贴在待测零件或者结构的表面，通过电路与计算机相连，可实时动态测量大位移或微小力。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。