一种基于电容与压敏橡胶组合的三维力触觉传感单元的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于电容与压敏橡胶组合的三维力触觉传感单元。依次由表面PDMS凸起、第三块PI电极衬底、PDMS支撑层、电容极板层、第二块PI电极衬底和第一块PI电极衬底层叠而成；PDMS支撑层框架内的四个角分别装有由正方形浮动电极和正方形压敏橡胶构成的组件，组件中的正方形浮动电极下表面与正方形压敏橡胶上表面贴合，正方形浮动电极上表面与第三PI电极衬底下表面贴合，正方形压敏橡胶与电容极板层的距离为PDMS支撑层厚度的二分之一。利用电容式触觉传感的高灵敏度以及压阻式触觉传感的大量程结合在一起，实现微小触碰力和较大接触力的检测。它可在高灵敏度和大量程测量的机器人手、人工假肢、手术机械手等领域中应用。
【专利说明】一种基于电容与压敏橡胶组合的三维力触觉传感单元
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及触觉传感单元，尤其是涉及一种基于电容与压敏橡胶组合的三维力触觉传感单元。
【背景技术】
[0002]智能假肢与智能机器人在过去的十年间经历了很大的发展，对人工触觉感知提出了强烈的需求。通过在这些智能设备的表面集成人工触觉感知系统，能大大提高其与环境交互的能力，提供目标物体或对象的多种物理信息，如接触力的大小、柔软性、硬度、弹性、粗糙度、材质等。目前实现人工触觉感知的方法主要是通过将压力敏感构件集成在柔性的材料中，实现触觉感知单元的阵列化。利用柔性材料的可弯曲与可延展的特性，使触觉传感阵列可以安装在假肢手和智能机器人的非规则曲面上。目前触觉传感单元的实现原理主要包括:压阻式、压电式、电容式，以及基于以上几种方法的变种。压阻式是利用压力敏感材料在受到外部压力时其电阻会产生变化的特点而用于人工触觉感知当中。常见的用于触觉感知的压敏材料有应变片和导电聚合物。其中导电聚合物受益于其柔性高、可延展性强、制造简单等特点，被越来越多的人所使用。近期已经出现了可治愈式的导电聚合物，更是极大地推动了人工触觉感知的发展。对于压电式的触觉传感单元，相比于其他两种方法其最突出的特点是它的动态性能很好，因此常用于瞬态力的测量。电容式触觉传感单元，其优点是能做到很高的灵敏度，而且对温度的依赖不强。
[0003]对于触觉传感单元来说，灵敏度和测量范围是两个很重要的性能指标。但是灵敏度和测量范围是一对矛盾，两者是此消彼长的关系。目前大多数的触觉传感单元都是基于前述的其中一种原理，这样的触觉传感单元难以兼顾高灵敏度和大量程，限制了人工触觉感知在实际中的应用。因此，设计一种包含多种触觉感知原理的触觉传感单元，实现灵敏度和大量程的兼顾，变得很有必要。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于提供一种基于电容与压敏橡胶组合的三维力触觉传感单元，具有高灵敏度和大量程范围的特点。
[0005]本实用新型采用的技术方案是:
[0006]本实用新型的三维力触觉传感单元从上至下依次由表面PDMS凸起、第三块PI电极衬底、PDMS支撑层、电容极板层、第二块PI电极衬底和第一块PI电极衬底层叠而成；PDMS支撑层框架内的四个角分别装有由正方形浮动电极和正方形压敏橡胶构成的组件，所述每个组件中的正方形浮动电极下表面与正方形压敏橡胶上表面贴合，正方形浮动电极上表面与第三PI电极衬底下表面贴合，正方形压敏橡胶与电容极板层的距离为PDMS支撑层厚度的二分之一。
[0007]所述电容极板层包括八块三角形电容极板和两条上层条状电极；两条上层条状电极相互绝缘且平行布置，第一、第二块三角形电容极板的一直角边分别与第一条上层条状电极电气连通，第三、第四块三角形电容极板的斜边分别与第一、第二块三角形电容极板的斜边相向布置且之间存在间隙；第五、第六块三角形电容极板的一直角边分别与第二条上层条状电极电气连通，第七、第八块三角形电容极板的斜边分别与第五、第六块三角形电容极板的斜边相向布置且之间存在间隙；电容极板层贴合在第二块PI电极衬底上；每对斜边相向布置的两个三角形电容极板与各自的一个正方形浮动极板分别组成一个电容，共有四个电容。
[0008]所述第一块PI电极衬底上表面分别设有两条平行布置且相互绝缘的下层条状电极；两条下层条状电极与电容极板层上的两条上层条状电极正交布置；第三、第七块三角形电容极板分别通过位于第二块PI电极衬底上的两个PI通孔与第一块PI电极衬底上的一条下层条状电极电气连通；第四、第八块三角形电容极板分别通过位于第二块PI电极衬底上的另外两个PI通孔与第一块PI电极衬底上的另一条下层条状电极电气连通。
[0009]本实用新型具有的有益效果是:
[0010]I)利用电容式触觉传感的高灵敏度以及压阻式触觉传感的大量程的特点，本实用新型把这两种原理结合在一起，同时实现微小触碰力和较大接触力的检测。
[0011]2)本触觉传感单元把内置电容的正负两个极板设计在同一个平面上，能大大地减小电容极板在受力过程中所受的应力，避免触觉传感单元在受到较大的接触力时造成电容极板断裂。
[0012]3)通过设计一个表面PDMS凸起对应四个电容的结构，实现了三维力的检测。
[0013]4)整个触觉传感单元的制造过程简单，且其对称结构能实现多个触觉传感单元组合的阵列化。
[0014]本实用新型可在需要高灵敏度和大量程测量的机器人手、人工假肢、手术机械手等领域中推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型分层结构拆分立体图。
[0016]图2是本实用新型第二 PI电极衬底平面图。
[0017]图3是本实用新型电容极板层平面图。
[0018]图4是本实用新型三维力触觉传感单元剖面图。
[0019]图5是本实用新型三维力触觉传感单元立体图。
[0020]图中:1、表面PDMS凸起，2、第三块PI电极衬底，3、正方形浮动电极，4、正方形压敏橡胶，5、PDMS支撑层，6、电容极板层，7、第二块PI电极衬底，8、下层条状电极，9、第一块PI电极衬底，10、PI通孔，11、第一条上层条状电极，12、八块三角形电容极板，13、第二条上层条状电极。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0022]如图1、图4、图5所示，本实用新型三维力触觉传感单元从上至下依次由表面PDMS凸起1、第三块PI电极衬底2、PDMS支撑层5、电容极板层6、第二块PI电极衬底7和第一块PI电极衬底9层叠而成；PDMS支撑层5框架内的四个角分别装有由正方形浮动电极3和正方形压敏橡胶4构成的组件，四个组件尺寸相同，且不与PDMS支撑层5框架相接触，所述每个组件中的正方形浮动电极3下表面与正方形压敏橡胶4上表面贴合，正方形浮动电极3上表面与第三PI电极衬底2下表面贴合，正方形压敏橡胶4与电容极板层6的距离为PDMS支撑层5厚度的二分之一。
[0023]如图1、图3所示，所述电容极板层6包括八块三角形电容极板12和两条上层条状电极11、13 ;两条上层条状电极11、13相互绝缘且平行布置，第一、第二块三角形电容极板的一直角边分别与第一条上层条状电极11电气连通，第三、第四块三角形电容极板的斜边与第一、第二块三角形电容极板的斜边相向布置且之间存在间隙；第五、第六块三角形电容极板的一直角边分别与第二条上层条状电极13电气连通，第七、第八块三角形电容极板的斜边与第五、第六块三角形电容极板的斜边相向布置且之间存在间隙；电容极板层6贴合在第二块PI电极衬底7上；每对斜边相向布置的两个三角形电容极板与各自的一个正方形浮动极板3分别组成一个电容，共有四个电容。
[0024]如图1、图3所示，所述第一块PI电极衬底9上表面分别设有两条平行布置且相互绝缘的下层条状电极；两条下层条状电极与电容极板层6上的两条上层条状电极正交布置；第三、第七块三角形电容极板分别通过位于第二块PI电极衬底7上的两个PI通孔与第一块PI电极衬底9上的一条下层条状电极电气连通；第四、第八块三角形电容极板分别通过位于第二块PI电极衬底7上的另外两个PI通孔与第一块PI电极衬底9上的另一条下层条状电极电气连通。
[0025]本实用新型的实施例中的触觉传感单元的总厚度约为1mm、边长为4mm的正方形，用本实用新型的触觉传感单元组成的触觉传感阵列的空间分辨率为4mm。
[0026]本实用新型的工作原理描述如下:
[0027]通过选通相应的上层条状电极11和下层条状电极8，触觉传感单元中的电容被选通并连接到处理电路中。如图4所示，当触觉传感单元受到轻微外力作用时，正方形压敏橡胶4与电容极板层6之间的间隙很容易被压缩，造成正方形浮动极板3和电容极板层6的距离变小，从而使电容值发生变化。通过测量四个电容的变化值，能计算得到所施加的轻微触碰力的大小以及方向；若施加的外力变大，正方形压敏橡胶4会碰到每对斜边相向布置的两个三角形电容极板，此时这两个电容极板被正方形压敏橡胶4电气连接，检测电路切换到电阻检测模式，用于测量两个极板之间电阻的变化。施加的外力越大，正方形压敏橡胶4与两个极板之间的接触面积越大，电阻会越小。并且由于压力的作用，正方形压敏橡胶4本身的阻值也会变小。通过检测电阻的变化，能获得外力的大小和方向。当外力的增大使得正方形压敏橡胶4与电容极板层6之间的间隙已经完全被压缩，正方形压敏橡胶4与电容极板层6的接触面积已经达到最大值，此时若外力继续增大，正方形压敏橡胶4在压力的作用下其阻值继续变小，使得测量大接触力成为可能。
[0028]完成该基于电容与压敏橡胶组合的三维力触觉传感单元的制作步骤如下:
[0029](I)准备3英寸的单抛硅片作为基底，在硅片上旋涂15μπι厚的第一 PI电极衬底9，保温固化。
[0030](2)在第一 PI电极衬底9上光刻条状图案，磁控溅射铜电极，形成下层条状电极8。
[0031](3)在下层条状电极8上旋涂10 μ m厚的第二 PI电极衬底，保温固化，用二氧化碳激光仪在第二 PI电极衬底上打PI通孔10，使得下层条状电极8通过PI通孔10将部分电极暴露在空气中。
[0032](4)利用掩膜板磁控溅射电容极板层6，使得第三、第四、第七、第八三角形电容极板分别与各自的下层条状电极8电气连接。
[0033](5)使用模具预先制造好高度为100 μ m的PDMS支撑层5，对其表面进行氧等离子活化后贴合在在电容极板层6和第二 PI电极衬底7上。
[0034](6)准备3英寸的石英玻璃片作为基底，在其上旋涂15 μ m厚的第三PI电极衬底2,保温固化。
[0035](7)利用掩膜板在第三PI电极衬底2上溅射正方形浮动电极3，在正方形浮动电极3上粘贴厚度为50 μ m的正方形压敏橡胶4。
[0036](8)正方形压敏橡胶朝下，将第三PI电极衬底2与PDMS支撑层进行粘贴。
[0037](9)如图5所示，将用模具制造好的表面PDMS凸起粘贴在第三PI电极衬底2的上表面。
[0038]按照以上步骤，制造出来的传感单元具有高灵敏度和大量程的特点，能应用在智能假肢和智能机器人领域。
【权利要求】
1.一种基于电容与压敏橡胶组合的三维力触觉传感单元，其特征在于:三维力触觉传感单元从上至下依次由表面？013凸起(1)、第三块？1电极衬底(2)、？013支撑层(5)、电容极板层(6)、第二块？I电极衬底(7)和第一块？I电极衬底(9)层叠而成支撑层(5)框架内的四个角分别装有由正方形浮动电极(3)和正方形压敏橡胶(4)构成的组件，所述每个组件中的正方形浮动电极(3)下表面与正方形压敏橡胶(4)上表面贴合，正方形浮动电极(3)上表面与第三？I电极衬底(2)下表面贴合，正方形压敏橡胶(4)与电容极板层(6)的距离为？013支撑层(5)厚度的二分之一。
2.根据权利要求1所述的一种基于电容与压敏橡胶组合的三维力触觉传感单元，其特征在于:所述电容极板层(6)包括八块三角形电容极板(12)和两条上层条状电极〈11、13)；两条上层条状电极(1113)相互绝缘且平行布置，第一、第二块三角形电容极板的一直角边分别与第一条上层条状电极(11)电气连通，第三、第四块三角形电容极板的斜边分别与第一、第二块三角形电容极板的斜边相向布置且之间存在间隙；第五、第六块三角形电容极板的一直角边分别与第二条上层条状电极(13)电气连通，第七、第八块三角形电容极板的斜边分别与第五、第六块三角形电容极板的斜边相向布置且之间存在间隙；电容极板层(6)贴合在第二块？I电极衬底⑵上；每对斜边相向布置的两个三角形电容极板与各自的一个正方形浮动极板(3)分别组成一个电容，共有四个电容。
3.根据权利要求1所述的一种基于电容与压敏橡胶组合的三维力触觉传感单元，其特征在于:所述第一块？I电极衬底(9)上表面分别设有两条平行布置且相互绝缘的下层条状电极；两条下层条状电极与电容极板层(6)上的两条上层条状电极正交布置；第三、第七块三角形电容极板分别通过位于第二块？I电极衬底(7)上的两个？I通孔与第一块？I电极衬底(9)上的一条下层条状电极电气连通；第四、第八块三角形电容极板分别通过位于第二块？I电极衬底(7)上的另外两个？I通孔与第一块？I电极衬底(9)上的另一条下层条状电极电气连通。
【文档编号】G01L1/00GK204154421SQ201420650930
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】梁观浩, 梅德庆, 汪延成, 席凯伦, 陈子辰 申请人:浙江大学