专利名称：用于智能机器人人工敏感皮肤的柔性复合式阵列传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于传感技术领域，更具体地说是一种应用于智能机器人的敏感皮肤柔性复合式阵列传感器。
背景技术：
国际机器人界都在加大科研的研究力度，对于智能机器人来说既要求传感器能够精确地感知环境，又要求足够的柔软，使机器人有人一样的感知能力和灵活程度。智能机器人的人工敏感皮肤是模块化、带有数据解析能力的阵列传感器，覆盖在智能机器人表面，依赖于人工智能皮肤上的复合式阵列传感器来感知外部环境信息。随着智能机器人工作复杂性的增加，单一的触觉传感器已经不能完全的满足实际工作的需求，现在具有同时检测多
重信息的柔性复合式传感器已经成为国际研究智能机器人皮肤等领域的热点问题，现阶段实现的途径大部分是依赖柔性组织结构或者是柔性的高分子材料作为传递信息的媒介利用各种敏感材料制备而成的。2005年日本的东京大学Someya等人研制出具备压力和温度检测功能的晶体管阵列式电子皮肤。美国伊利诺斯州大学Engel等人利用MEMS制作工艺，将识别材质、温度、压力和硬度等材料特性的独立传感器件分布在聚合物内部，制备出可识别物体性能的柔性多功能触觉敏感系统。台湾大学Yang等人利用MEMS工艺，在柔性衬底聚酰亚胺-铜薄膜上设计并制作了 8X8阵列结构的集成式触觉敏感阵列，应用于智能机器人的敏感皮肤。日本丰桥技术科学大学Takao等人利用硅IC的柔性变形技术设计了一种具有检测接触力、硬度、温度分布的集成式多功能触觉传感器阵列图像系统。美国的北卡罗来纳州立大学Daniel等人在柔性聚酰亚胺薄层上制作了金属薄膜式温度和应变传感器阵列。2010年Yoon等人将热电堆嵌入高聚物薄膜中制成柔性热电触觉传感器，实现了接触压力和温度的同时检测。分析国内外研究状况可知，目前智能机器人人工敏感皮肤的研究只局限于或压力或温度或压力温度复合式，并且压力温度复合式的温度传感单元是非柔性的传感器。没有同时检测压力、温度和湿度三种信号的柔性传感器阵列的相关报导。
发明内容
本发明是为了实现智能机器人人工敏感皮肤能够感知外界环境信息，提供一种柔性好、精度高、性能稳定的用于智能机器人人工敏感皮肤的柔性复合式阵列传感器，以期同时测量压力、温度和湿度。本发明为解决技术问题采用如下技术方案本发明用于智能机器人人工敏感皮肤柔性复合式阵列传感器的结构特点是构成阵列的传感单元是以柔性聚酰亚胺电路板为基底，在所述基底的同一面上分别设置压力传感器、温度传感器和湿度传感器；所述压力传感器的表面高度高于温度传感器和湿度传感器，形成整体呈凹凸面的分布形式。本发明用于智能机器人人工敏感皮肤柔性复合式阵列传感器的特点也在于所述压力传感器是以炭黑填充硅橡胶作为压力敏感材料；所述温度传感器是以碳纤维填充硅橡胶作为温度敏感材料；所述湿度传感是以碳纳米管填充硅橡胶作为湿度敏感材料。与已有技术相比，本发明有益效果体现在I、本发明利用三种传感器组成一个复合式传感器单元，在基底上共同设置复合式传感器阵列，使得传感器能同时检测压力、温度和湿度信息；2、本发明中传感器阵列中不同功能单元的高度不同，整体呈凹凸面的分布形式，消除被压力对温度和湿度传感器的干扰；温度传感器与压力传感器在同一个单元，可利用同一单元的温度传感器补偿压力传感器，消除温度对压力传感器的干扰，可以大幅度减小压力和温度之间的交叉干扰，提高传感器测量的准确性；3、本发明中的基底、压力敏感材料、温度敏感材料和湿度敏感材料均为弹性材料，允许传感器阵列实现弯曲变形，可以布在任意机器人的表面；
4、本发明中由于叉指电极结构稳定，三种传感器电极都采用叉指电极结构，组成如图I所示的复合式传感器单元，实现压力、温度和湿度的同时检测。
图I为本发明柔性复合式传感器单元电极示意图；图2为本发明复合式传感器侧面结构示意图；图3为本发明柔性复合式阵列传感器。
具体实施例方式参见图I、图2，本实施例中用于智能机器人人工敏感皮肤柔性复合式阵列传感器的结构形式是构成阵列的传感单元是以柔性聚酰亚胺电路板为基底，在基底的同一面上分别设置压力传感器I、温度传感器2和湿度传感器3 ;压力传感器的表面高度高于温度传感器和湿度传感器，形成整体呈凹凸面的分布形式(如图2所示)。具体实施是，在常温常压下，将压力敏感材料制备成厚度约为2mm的小块，温度敏感材料与湿度敏感材料利用旋涂法制备成薄膜。通过控制台式匀胶机的转速以及旋涂时间来控制温度敏感材料与湿度敏感材料薄膜的厚度，使温度和湿度传感器敏感材料的薄膜低于压力传感器敏感材料的厚度。压力传感器用炭黑填充硅橡胶作为压力敏感材料；温度传感器用碳纤维填充硅橡胶作为温度敏感材料；其中的压力敏感材料和温度敏感材料在《功能材料》2010年第二期，赵兴、黄英等人所发表的“用于复合式柔性触觉传感器的导电复合材料研究”中已有公开报导；湿度传感用碳纳米管填充硅橡胶作为湿度敏感材料，这一材料在《功能材料》2012年第06期中廉超、黄英等人发表的“多壁碳纳米管/硅橡胶复合材料的湿度敏感特性”中已有公开报道)图2所示，在基底4表面，复合式传感器单元的压力敏感材料，温度敏感材料，湿度敏感材料以及位于基底和压力敏感材料,温度敏感材料,湿度敏感材料之间的电极组成结构紧密的整体，其中压力传感器I的表面高度为2mm，温度传感器2和湿度传感器3的表面高度为0. 5mm。图I所示为复合式传感器单元的电极结构。其中复合式传感器单元中的压力传感器，温度传感器，湿度传感器的电极均采用叉指电极结构。复合式传感器单元内消除压力，温度，湿度相互干扰的方法如下由于湿度对压力和温度敏感材料的影响不大，即湿度变化对压力和温度传感器的影响可以忽略。所以只考虑温度与压力传感器间的干扰，当压力温度变化时，压力传感器的输出电阻Rf=Rq(l+kiF+a: A T)，式中&为压力传感器受到压力F (0〈F ( Fn)时压力传感器的阻值；RQ为压力传感器不受力时的阻值；FN为压力传感器可测的最大压力，由实验测得丸为压力传感器的压力-电阻系数，通过实验标定测得；&1为压力传感器的温度-电阻系数，由实验标定测得。由于传感器设计成凹凸状，压力传感器高于温度传感器和湿度传感器，复合式传感器单元所受的压力对单元内温度传感器和湿度传感器的影响可忽略。所以温度变化时，温度传感器输出电阻为Rt=Rci (l+a2 A T)，其中，Rt为温度传感器在温度TCTciCT ( T。)下的阻值Jtl为温度传感器所能测得最低温度可由实验测得；T。为温度传感器可测的最高温度可由实验测得；R。为温度传感器在Ttl温度下的阻值可由实验测得；a 2为温度传感器电阻温
度系数可由实验标定测得；A T = T-Ttlt5则由方程1^=1^(1+ AT)可测复合式传感器单元上的准确温度T以及AT。再以求得的A T带入Rp=Rci(Hkpa1AT)中即可得到复合式传感器单元上的所受的压力F。通过此计算方法可以求得每个复合式传感器单元内的温度与压力即可排除压力传感器的温度干扰。图3所示为由复合式传感器单元组合而成的复合式传感器阵列。各复合式传感器单元间距为3_。阵列的大小和形状可根据需要调整。复合式传感器阵列由于是多个复合式传感器组合而成所以可同时采集压力场，温度场以及湿度场信息。制作工艺I、采用标准柔性电路板制作技术制作柔性聚酰亚胺电路板；2、采用丝网印刷技术在柔性聚酰亚胺电路板上制作压力敏感单元电极，温度敏感单元电极，湿度敏感单元电极；3、在室温下采用溶液共混工艺分别制作柔性压敏导电橡胶的混合溶液、温度敏感导电橡胶的混合溶液和湿度敏感导电橡胶混合溶液；4、制作柔性压敏导电橡胶的混合溶液在室温常压下固化成尺寸为5mmX5mmX2mm小块状材料5、温度敏感材料的混合溶液和湿度敏感材料混合溶液利用旋涂制成0. 5mm厚的膜，室温常压下固化成型。以便与温度传感器形成有一定高度差的凹凸结构。
权利要求
1.用于智能机器人人工敏感皮肤柔性复合式阵列传感器，其特征是构成阵列的传感单元是以柔性聚酰亚胺电路板为基底，在所述基底的同一面上分别设置压力传感器、温度传感器和湿度传感器；所述压力传感器的表面高度高于温度传感器和湿度传感器，形成整体呈凹凸面的分布形式。
2.根据权利要求I所述用于智能机器人人工敏感皮肤柔性复合式阵列传感器，其特征是，所述压力传感器是以炭黑填充硅橡胶作为压力敏感材料；所述温度传感器是以碳纤维填充硅橡胶作为温度敏感材料；所述湿度传感是以碳纳米管填充硅橡胶作为湿度敏感材料。
全文摘要
本发明公开了一种用于智能机器人人工敏感皮肤柔性复合式阵列传感器，其特征是构成阵列的传感单元是以柔性聚酰亚胺电路板为基底，在基底的同一面上分别设置压力传感器、温度传感器和湿度传感器；压力传感器的表面高度高于温度传感器和湿度传感器，形成整体呈凹凸面的分布形式。本发明能同时测量压力、温度和湿度，且具有柔性好、精度高、性能稳定的优点。
文档编号B25J19/02GK102749092SQ20121024328
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者刘彩霞, 张玉刚, 杨庆华, 缪伟, 蔡文婷, 赵小文, 黄英 申请人:合肥工业大学