一种柔性矢量触滑觉复合传感器的制作方法

本发明涉及一种触滑觉复合传感器，尤其是涉及机器人柔性触觉传感器领域和智能手术器械领域的一种柔性矢量触滑觉复合传感器。

背景技术：

柔性触滑觉复合传感器是机器手或微创手术器械获取夹持状态信息不可或缺的手段。根据传感器反馈的信号，可计算出夹持装置与被夹持物之间正压力、摩擦力、相对运动状态等物理量，以实现对被夹持物稳定地夹取。目前大多数触觉传感器只能检测正向接触力，不具有滑觉感知功能。

因此，研究出高灵敏度和大量程的柔性矢量触滑觉复合传感器，使其能便捷、紧密黏贴在机器手表面或微创手术夹钳表面上，同时可检测出接触压力、摩擦力、滑移状态等力学信息，可提升器械智能化，提高微创手术的安全性与实用性。

中国国家发明专利(申请号201410451649.5)公开了一种基于压敏导电橡胶的柔性触滑觉复合传感阵列，该传感器利用导电橡胶单元和测试电极机构形成四个互相垂直的电阻，通过测试四个压敏电阻阻值变化推导三维力。但该结构的柔性传感阵列电极结构复杂，而且利用单层电极结构灵敏度低，在区分滑动摩擦和变化的静摩擦方面也具有结构的局限性。此外，利用INABA公司生产的Inastomer导电橡胶作为压敏材料，最高适用温度为50度，不适用于高温环境，无法满足手术夹钳需高温消毒的实际要求。

技术实现要素：

针对多数MEMS触觉传感器只能检测正压力而无法检测滑移，传感器表面无防滑功能的缺陷，本发明提出一种柔性矢量触滑觉复合传感器，可测量出接触表面力(包括正压力和静摩擦力)的大小及方向，判断接触时是否发生滑移，实现稳定的滑觉信号输出，计算滑移速度。能够便携安装在机器手或智能手术器械表面，实时获取夹持时力学信息，实现稳定、安全夹持。

本发明提供的柔性矢量触滑觉复合传感器，包括从上至下紧密贴合的上层柔性基底、力敏结构层和下层柔性衬底。力敏结构层从上至下包括上部电极层、柔性压阻材料层和底部电极层。

所述的上层柔性基底由柔性复合材料经过浇筑、纳米压印工艺等工艺制备在所述的力敏结构层，作为力敏结构层的力传递层。上表面有等间距微结构阵列，且微结构横截面为矩形或梯形。

所述的力敏结构层与下层柔性衬底上表面紧密贴合。所述下层柔性衬底由柔性复合材料制成，沿传感器厚度方向具有周期性的对称凸起结构，因此所述的力敏结构层包括周期性排列的多对对称的力敏单元。所述的对称的力敏单元分别位于所述的对称凸起结构的两侧。

所述的力敏结构层包括柔性压阻材料层、上部电极层和底部电极层，所述的上部电极层分段不连续，每一段成对对称分布在柔性压阻材料层上表面，由微纳加工工艺图案化。

所述底部电极层为一整体连续的电极薄膜，溅射或蒸镀在柔性压阻材料层下表面，每一段上部电极层与对应的底部电极层形成一个力敏单元，对称分布在对称凸起结构的两侧。

所述柔性压阻材料层为长方形复合导电压阻材料，与上部电极层和底部电极层共同构成力敏结构层。力敏结构层整体贴合粘接在下层柔性衬底上，成对对称排列在下层柔性衬底上表面的对称凸起结构两侧的力敏结构层形成左、右两个力敏单元。当柔性矢量触滑觉复合传感器受恒定的静摩擦力作用时，成对两力敏单元的差分输出为恒定值；当柔性矢量触滑觉复合传感器受交变的静摩擦力作用时，成对两力敏单元的差分输出为交变信号；当柔性矢量触滑觉复合传感器与被接触物体发生相对滑动时，成对两力敏单元电压输出的频率与滑动速度成正比，且可通过多个力敏单元的输出信号综合判定滑动的速度和滑动摩擦力的大小。故本发明利用多个力敏单元的输出信号及其变化判断滑动是否产生、滑动速度、正压力和摩擦力的大小与方向。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的柔性矢量触滑觉复合传感器可以通过内部简单的对称凸起结构，判断出滑移情况，测量出正压力、摩擦力和滑移速度；传感器上表面有微结构阵列，提高夹持稳定性和安全性。

(2)本发明中采用柔性复合材料作为上层柔性基底和下层柔性衬底材料，可靠耐用，可以满足高温消毒的使用条件。

(3)本发明中电极层结构简单，只需应用一个对称结构处左、右两个力敏单元的输出，即三个电极，即可得到所需物理量。

附图说明

图1是本发明的触滑觉复合传感器截面图。

图2是本发明的触滑觉复合传感器结构示意图。

图3是本发明的上层柔性衬底斜视图。

图4是本发明的力敏结构层的斜视图。

图5是本发明的一个三角形凸起结构处的力敏单元受力变形示意图。

图中：

1.上层柔性基底；2.力敏结构层；3.下层柔性衬底；

201.上部电极层；202.底部电极层；203.柔性压阻材料层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种柔性矢量触滑觉复合传感器，所述的传感器整体为长方体结构，表面具有等间距微结构阵列，用于接触和传导表面正压力或摩擦力；中间层具有多组成对的力敏单元，提供差分输出信号；底面与机器手或器械表面粘结。所述的成对的力敏单元分别位于对称凸起结构两侧。具体的，如图1和图2所示，所述的传感器包括：上层柔性基底1、力敏结构层2和下层柔性衬底3，所述的力敏结构层2包括从上到下的上部电极层201、底部电极层202和柔性压阻材料层203。所述的力敏结构层2固定在上层柔性基底1和下层柔性衬底3之间，下层柔性衬底3的下表面粘接在机器手或器械表面进行固定，上层柔性基底1的上表面具有微结构，用于直接承载和传递作用力。

所述上层柔性基底1的上表面存在等间距的微结构阵列，所述微结构之间的间距为10～500μm，微结构的截面为矩形或梯形，如图3所示。整个上层柔性基底1通过浇筑、纳米压印或光刻等工艺制备在所述的力敏结构层2上。上层柔性基底1的上表面微结构可增大摩擦，整体传递压力和摩擦力，计算滑移速度。所述的上层柔性基底1可由环氧树脂或PDMS材料制成，最大厚度为50～1000μm。

所述力敏结构层2，粘附在下层柔性衬底3的上表面，呈现与下层柔性衬底3的上表面相同的形状结构。作为传感器的感知元件感知外界作用力，由上部电极层201和底部电极层202分别附着在柔性压阻材料层203的上下表面构成，如图4所示。

所述上部电极层201和底部电极层202的材料均为导电金属。通过溅射或蒸镀分别制备在柔性压阻材料层203的上下表面形成上下电极。其中通过刻蚀、腐蚀等工艺使得上部电极层201的上电极分段不连续，只存在于对称凸起结构的左右两侧处，并呈对称分布，底部电极层202连续分布于柔性压阻材料层203的下表面，每个对称凸起结构两侧的两个上电极与相应位置的下电极形成两个对称的力敏单元。

所述柔性压阻材料层203，是基于石墨烯的复合压阻材料，具有优良的压阻特性、迟滞性能、柔性和可加工性，对轻微振动有良好的压敏效应，可检测出高频低振幅的力信号。在受到压应力时压阻材料中石墨烯片层间间距减小，隧道电流增强，电阻减小；反之，电阻增大。

所述下层柔性衬底3的上表面具有周期性的对称凸起结构，如等腰三角形、等腰梯形或抛物线形等对称形状。力敏结构层2的底部电极层202粘接在所述的下层柔性衬底3的上表面，使得力敏结构层2形成与所述的周期性对称凸起结构相同的形状，并且所述的上部电极层201的上电极位于所述的凸起结构的两侧，两侧的上电极与相应位置的下电极之间形成一组成对的力敏单元。下层柔性衬底3下表面与机器手或器械表面通过微连接工艺进行粘接。所述的下层柔性衬底3的最大厚度h为500～2000um，如图1所示。

本发明的工作原理：

该传感器是基于压阻效应制成的柔性矢量触滑觉复合传感器。如图1所示，上层柔性基底1将水平方向的摩擦力和竖直方向的压力传导给力敏结构层2。由于力敏结构层2的压阻效应和下层柔性衬底3的对称凸起结构，对称凸起结构两侧的上电极与下电极间分别存在两个等效电阻R₁和R₂。如图5所示，力的作用下使得R₁和R₂阻值改变。

法向压力传感原理：法向压力通过上层柔性基底1竖直向下传导给力敏结构层2，在正压力的作用下，对称凸起结构两侧被等量压缩，则等效电阻R₁和R₂同时减小，电压输出变大，且增大值相同，增大量与压力大小有关。求和输出后即可计算出正压力值。可通过多个力敏单元的输出信号综合判定正压力分布情况。

矢量静摩擦传感原理：水平方向的静摩擦力Fx通过带有微结构的上层柔性基底1将力传导给力敏结构层2，在水平力的作用下，不同部位柔性压阻材料层203的电阻值发生不同的变化，即可计算出静摩擦力大小和方向。现以一处三角形凸起结构力敏结构层2为例说明。当静摩擦力水平向右时，三角形凸起结构左侧力敏单元被压缩，右侧力敏单元被拉伸，左侧力敏单元的等效电阻R₁减小至R₁＇，右侧力敏单元的等效电阻R₂增大至R₂＇，如图5所示；当静摩擦力水平向左时，左侧力敏单元被拉伸，右侧力敏单元被压缩，左侧力敏单元的等效电阻R₁增大，右侧力敏单元的等效电阻R₂减小；每个力敏单元的等效电阻的阻值增减大小相同，其差分电压输出为一与摩擦力大小相关的恒定值。通过差分电压输出的大小和正负即可判断水平方向静摩擦力的大小与方向。

滑动速度检出方式：由于上层柔性基底1的上表面存在微结构，被夹持物与传感器表面发生滑移时实际上是接触-分离-接触的循环状态，接触时电压差分输出高电位，分离时电压差分输出低电位，此时差分输出是一个与微结构周期和相对滑移速度相关的交流信号。当微结构周期确定，则力敏单元电压输出的频率与滑动速度成正比，且可通过多个力敏单元的输出信号综合判定滑动的速度和滑动摩擦力的大小。

本发明提供的柔性矢量触滑觉复合传感器的制备方法为：先将上部电极层201和底部电极层202粘接在柔性压阻材料层203的上下两个表面；然后将底部电极层202粘接在下层柔性衬底3的上表面，使得力敏结构层1呈现与下层柔性衬底3的上表面相同的结构；最后将上层柔性基底1浇筑、纳米压印或光刻方式制备在力敏结构层2上。