一种压容和压阻耦合的接近感知与接触力传感器的制作方法

本发明属于触觉安全技术领域，特别是涉及一种压容和压阻耦合的接近感知与接触力传感器。

背景技术：

随着机器人技术的不断发展与应用，对外部物体、环境变化的准确、快速、可预见性感知开始成为学者研究的重点，于是学界提出了智能机器人的概念，而触觉传感器在智能机器人上的应用成为机器人感知外界环境变化的最主要手段。

目前的触觉传感器根据测量原理可分为压电式、压阻式、电容式、压磁式等。压电式传感器的原理是压电效应，当材料沿一定方向受到外力作用而变形时，其内部会产生极化现象，在两个相对表面上出现正负相反的电荷，当外力去掉后又恢复到不带电状态，压电式传感器的优点在于频率响应高、灵敏度高、动态范围大，但是空间分辨率低、测量电路复杂、稳定性差；压阻式传感器的原理是压阻效应，当半导体材料受到应力作用时，应力引起能带的变化，能谷的能量移动，电阻率发生变化，其优点在于频率响应高、空间分辨率高、噪音干扰小，但是可重复性差、功率消耗大、测量范围小；电容式传感器以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成电容量变化的转换装置，主要改变电极的相对面积、电介质常数等，优点在于灵敏度高、空间分辨率高、动态测量范围大，但是存在寄生电容且对噪声敏感；压磁式传感器的原理是压磁效应，铁磁材料在受到外力作用时，其内部产生应力，引起铁磁材料磁导率的变化，通过放大电路可以转化为作用力的大小，其优点是灵敏度高、占用的体积较小，但是结构设计复杂、分辨率低。

机器人在使用和运输过程中，不可避免的会与其他物体发生碰撞，尤其在高速运动过程中会造成机器人机壳甚至内部结构出现破坏，从而大幅减小了使用寿命且维护成本大幅增加，无法满足用户对于机器人智能化的需求。综合上述对各类触觉传感器的介绍与分析，我们发现单一测量原理的传感器在在测量范围、稳定性、灵敏度、分辨率等方面存在缺陷，不能实现大范围里的覆盖、响应速度难以突破毫秒量级、碰撞前的接触感知功能缺失，限制了触觉传感器的进一步发展。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种压容和压阻耦合的接近感知与接触力传感器。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种压容和压阻耦合的接近感知与接触力传感器，它包括柔性衬底、共面电极、压阻弹性体和表面凸起，所述柔性衬底位于底部，所述共面电极设置在柔性衬底上，所述压阻弹性体为空腔结构，所述压阻弹性体设置在柔性衬底和共面电极的上方，所述压阻弹性体与柔性衬底合围区域形成空气穴，所述表面凸起设置在压阻弹性体的上表面，所述压阻弹性体采用低维导电填料和高分子聚合物复合共混材料制成，所述低维导电填料为石墨烯、碳纳米管、炭黑、银纳米线、铟镓合金或硫族元素单质薄膜，所述高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。

更进一步的，所述柔性衬底和表面凸起的材质均为聚二甲基硅氧烷。

更进一步的，所述共面电极的材质为还原的氧化石墨烯、单壁碳纳米管聚合物或金属电极材料。

更进一步的，所述共面电极采用喷涂、3d打印或电镀的方式制备在柔性衬底上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了单一检测原理的触觉传感器难以实现大范围力变化的测量、响应速度难以突破毫秒量级、物体与传感器碰撞前的接触感知功能缺失的问题。

现有的触觉传感器都只基于一种测试原理，不能同时满足灵敏度、稳定性等主要参数指标。本发明对压容效应和压阻效应进行耦合，实现了灵敏度、稳定性等的同时满足。基于压容效应和压阻效应，为机器人防碰撞安全及大范围力检测提供了一种快速、高效、稳定、微型化的多级力敏感结构传感器，采用的压容和压阻耦合力检测方法，前者可在外力较小的范围内工作，后者将在大外力作用下发挥效能。目前的触觉传感器的力测试范围较小，只能通过较大压力作用时的电阻变化准确输出压力数值，而作用力较小时会由于外界环境影响产生较大误差。本发明通过空气穴的体积变化导致的共面电极间电介质的介电常数变化，对微小作用力进行识别和检测，从而显著扩大了传感器的测试范围。本发明从机器人安全的角度出发，增加了接触感知功能。在物体接近传感器的过程中，电极间电场的分布发生改变，导致相对介电系数的改变，物体越接近相对介电系数的改变越明显，进而实现物体的接触感知功能。

附图说明

图1为本发明所述的一种压容和压阻耦合的接近感知与接触力传感器主视结构示意图；

图2为本发明所述的一种压容和压阻耦合的接近感知与接触力传感器立体结构示意图；

图3为本发明所述的一种压容和压阻耦合的接近感知与接触力传感器测试过程各阶段示意图；

图4为本发明所述的一种压容和压阻耦合的接近感知与接触力传感器测试过程示意图。

1-柔性衬底，2-共面电极，3-空气穴，4-压阻弹性体，5-表面凸起。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。

参见图1-4说明本实施方式，一种压容和压阻耦合的接近感知与接触力传感器，它包括柔性衬底1、共面电极2、压阻弹性体4和表面凸起5，所述柔性衬底1位于底部，所述共面电极2设置在柔性衬底1上，所述压阻弹性体4为空腔结构，所述压阻弹性体4设置在柔性衬底1和共面电极2的上方，所述压阻弹性体4与柔性衬底1合围区域形成空气穴3，所述表面凸起5设置在压阻弹性体4的上表面，所述压阻弹性体4采用低维导电填料和高分子聚合物复合共混材料制成，所述低维导电填料为石墨烯、碳纳米管、炭黑、银纳米线、铟镓合金或硫族元素单质薄膜，所述高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺。

本实施例为了使柔性衬底1和表面凸起5具有良好的化学稳定性、优异的可弯折与可拉伸性、较好的皮肤贴合性以及较低的杨氏模量，因此柔性衬底1和表面凸起5的材质均为聚二甲基硅氧烷。压阻弹性体4所用材料的力学敏感性直接决定了传感器的检测范围、响应速度、检测极限等主要参数，因此压阻弹性体4采用低维导电填料和高分子聚合物复合共混材料制成。所述共面电极2采用喷涂、3d打印或电镀的方式制备在柔性衬底1上，质为还原的氧化石墨烯、单壁碳纳米管聚合物或金属电极材料，喷涂和3d打印技术几乎可以创建任何几何图形并可以做到厚度的严格控制。

实施例中传感器的测试过程包括以下几个阶段，如图3-4所示：

阶段i：共面电极2电容具有空间非均匀电场分布，当无侵入物或侵入物较远时，其对空间电场的分布影响可忽略，即相对介电系数不变，此时电容值基本保持不变；

阶段ii：当有侵入物接近时，会影响电场空间分布，从而改变电容的相对介电系数，且越接近，对相对介电系数改变越大，由此实现对侵入物的接近感知；

阶段iii和iv：当外力作用于电子皮肤且外力较小时，两共面的共面电极2上空的绝缘空间介电系数的改变，从而改变电容量的大小，工作在压容模式，具体的，空气穴3上方的压阻弹性体4为柔性复合压阻材料，其导电特性可通过调控导电填料的比例和施加的外力大小进行调控。当外力较小时，压阻弹性体4发生向下弯曲，电极上部空间介电系数发生变化，从而使得电容发生改变。介电系数改变源于两个方面：一是空气部分体积减小及复合压阻材料部分体积增大；二是复合压阻薄膜受力后电导率增加；

阶段v：当外力较大时，压阻弹性体4与底部共面电极2接触，形成导电回路，工作在压阻模式，具体的，共面电极2上方的压阻弹性体4发生较大变形并与下部共面电极2接触，此时压容的检测模式将转变为压阻模式，并且复合压阻薄膜随着压力的增大而改变输出电流大小。

以上对本发明所提供的一种压容和压阻耦合的接近感知与接触力传感器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。