一种基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于传感技术领域，涉及一种应用于人工智能皮肤的全柔性触压觉传感器。
【背景技术】
[0002]人类皮肤是一个精巧又复杂的感知系统，在其中包含着多种生物传感器。这些传感器能够感知多种外界刺激，例如热量的变化、触摸、挤压、形变、化学腐蚀等等，人类皮肤不仅能够感知这些外界刺激，而且具有很高的灵敏性和分辨能力。人类皮肤对于机械刺激的感知，主要分为触觉感知和压觉感知，皮肤中的触觉小体可以感知触觉刺激，环层小体可以感知压觉刺激。触觉是由非常轻微且不足以引起皮肤形变的刺激产生，压觉是由能够引起皮肤形变的力产生。随着电子皮肤的发展，电子皮肤已经能够检测出多种外界刺激，并且被应用于机器人、触觉检测、温度监控、健康医疗等领域。常见的触觉传感器和压力传感器种类繁多，按其检测机理的不同主要分为:压阻式、压电式、电容式等几种。在电子皮肤的各种应用中，触觉和压觉占有极其重要的地位。
[0003]目前国内外研制出的触觉传感器只能检测一个较小的压力，压力传感器有一个较大的量程，但其分辨力相对于其小量程段来说是不足的。美国斯坦福大学的鲍哲南等人对两电极间的柔性填充物进行了微结构改造，采用空心球微结构，能非常灵敏地检测外界压力，但只能检测O?1kPa小量程段的应力。浙江大学的梅德庆等人，提出了一种用平顶金字塔微结构作为介电层的电容式触觉传感器，该传感器在触觉力检测上，具有很高的灵敏度，然而最大只能检测4N的应力jangyong Wang等人介绍了一种弹性基体内嵌的可拉伸织物传感器，可以实现2MPa应力检测，但小量程段应力检测灵敏度和精度不足。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述现有触觉传感器和压觉传感器所存在的不足之处，提出一种基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，以解决现有传感器不能兼具检测触觉力和压觉力功能的问题。
[0005]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:
[0006]本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，其特点在于:
[0007]本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，其结构在于:是在一柔性基底上呈上下结构设置有电容层和电阻层，所述电容层用于感知触觉信息，所述电阻层用于感知压觉信息，所述电容层位于所述电阻层的上方。
[0008]所述电阻层以碳纳米管/炭黑填充硅橡胶为敏感材料；所述电容层以硅橡胶或PDMS为敏感材料(优选为硅橡胶)。
[0009]所述柔性基底以聚酰亚胺为材质。
[0010]所述电容层和所述电阻层皆采用上下电极结构;在柔性基底的上表面设置有下电极，在所述下电极的上方设置有电阻层，在所述电阻层的上方设置有公共电极，在所述公共电极的上方设置有电容层，在所述电容层的上方设置有上电极，在所述上电极的上方设置有柔性保护层;所述电阻层以所述公共电极作为上电极，以所述下电极作为下电极;所述电容层以所述上电极作为上电极，以所述公共电极作为下电极。
[0011]所述上电极和所述公共电极以有机硅导电银胶为材料，所述下电极以铜为材料。
[0012]所述柔性保护层为硅橡胶层，用于保护上电极和防滑。
[0013]在所述柔性基底的上表面设置有上电极焊盘和公共电极焊盘;所述上电极以漆包线作为上电极引出线引至上电极焊盘;所述公共电极以漆包线作为公共电极引出线引至公共电极焊盘;所述上电极焊盘通过过孔与位于柔性基底下表面的上电极信号线相连，所述公共电极焊盘通过过孔与位于柔性基底下表面的公共电极信号线相连;所述下电极与位于柔性基底上表面的下电极信号线相连。这种设置方式可以使布线更加灵活，更便于阵列化。
[0014]与已有技术相比，本发明的有益效果体现在:
[0015]1、本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，与普通触觉传感器和压力传感器相比，既能分辨较小的触觉力，同时又能实现对较大的压力的测量，提高了传感器小量程段的分辨力和灵敏度，保证了传感器不同量程段的分辨率和精度；
[0016]2、本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器，以聚酰亚胺为柔性基底，电容层、电阻层、电极均为柔性材料，与传统传感器相比，具有良好的柔性，可以实现传感器的弯曲变形，能够更好的贴合机器人皮肤表面，实现对触觉力和压觉力的检测，提高了传感器的适用性；
[0017]3、本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器通过改变电容层的材质、调节电容层与电阻层的高度、改变电阻层的碳纳米管/炭黑的质量分数与比例，可以改变该传感器的灵敏度与量程，进一步扩展了其应用范围；
[0018]4、本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器制备工艺简单，与一般多层上下结构力敏传感器相比，该传感器通过漆包线将电极均引致柔性基底的上表面，更易于阵列化，也了避免布线繁琐、不美观等问题。
【附图说明】
[0019]图1是本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的垂直剖面结构图；
[0020]图2是本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的拆分立体图；
[0021]图3是本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的电极引线示意图；
[0022]图4是本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的阵列结构示意图；
[0023]图5是本发明基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的阵列引线示意图；
[0024]图6是本发明实施例1基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的电容-应力曲线关系图；
[0025]图7是本发明实施例1基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的电阻-应力曲线关系图；
[0026]图8是本发明实施例1基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的动态响应曲线图；
[0027]图9是本发明实施例2基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的电容-应力曲线关系图；
[0028]图10是本发明实施例3基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器的电阻-应力曲线关系图；
[0029]图中标号:I柔性保护层;2上电极;3电容层;4公共电极;5电阻层;6柔性基底;7下电极;8公共电极引出线;9公共电极焊盘；10上电极引出线；11上电极焊盘；12传感单元；13上电极信号线；14公共电极信号线；15下电极信号线。
【具体实施方式】
[0030]实施例1
[0031]如图1、图2所示，本实施例基于电容电阻复合式的全柔性触压觉传感器有一个多层的上下结构，是在柔性基底6的上表面设置有下电极7，在下电极7的上方设置有电阻层5，在电阻层5的上方设置有公共电极4，在公共电极4的上方设置有电容层3，在电容层3的上方设置有上电极2，在上电极2的上方设置有柔性保护层I;
[0032]其中电容层3位于电阻层5的上方，电容层3厚度为1mm，电阻层5厚度为2_，整个传感器高度为3.5mm，直径为8_ ；
[0033]电阻层5以碳纳米管/炭黑填充硅橡胶为敏感材料，采用上下电极结构，以公共电极4为上电极，以下电极7为下电极，电阻层用于检测压觉信息；
[0034]电容层3以硅橡胶为敏感材料，采用上下电极结构，以上电极2为上电极，以公共电极4为下电极，电容层对压力具有很强的敏感性，能够检测到微小的压力信息，即能够检测触觉信息；
[0035]柔性保护层I是均匀涂抹在上电极2上的一薄层硅橡胶，用于保护上电极和防滑作用；
[0036]基于柔性印刷电路板(FPCB)技术，柔性基底6选用聚酰亚胺为材质，上电极7是通过镀在柔性基底上表面的一层铜；
[0037]如图3所示，上电极引出线10、公共电极引出线8均选用漆包线作为导线，上电极焊盘11、公共电极焊盘9与下电极7均在柔性基底6的上表面；
[0038]上电极2由上电极引出线10引至上电极焊盘11，公共电极4由公共电极引出线8引至公共电极焊盘9;
[0039]如图5所示，展示了本实施例全柔性触压觉传感器阵列的引线方式，上电极信号线13和公共电极信号线14位于柔性基底6的下表面，下电极信号线15位于柔性基底6的上表面；
[0040]上电极焊盘11通过过孔与上电极信号线13相连，公共电极焊盘9通过过孔与公共电极信号线14相连，下电极7与下电极信号线15相连。
[0041]本实施例全柔性触压觉传感器的柔性基底6以聚酰亚胺为材质，利用柔性印刷电路板(FPCB)技术，将下电极7、公共电极焊盘9、上电极焊盘11制作在柔性基底6上，使电极、焊盘能够任意弯曲变形，具有良好的柔性；
[0042]电阻层5以碳纳米管/炭黑填充硅橡胶为敏感材料，其中以TNM5型碳纳米管和CB3100型炭黑作为混合导电填料，分别由中国科学院成都有机化学有限公司和瑞士SPC公司生产，选用中昊晨光化工研究院有限公司的⑶401型硅橡胶作为柔性基体。为保证传感器的灵敏度和稳定性，碳纳米管/炭黑混合填料的质量分数为5%，保证在“渗流区”附近，以便受力时利用导电粒