一种机器人用柔性接近觉和触觉双模传感器的制作方法

本实用新型涉及传感器技术领域，具体是一种机器人用柔性接近觉和触觉双模传感器。

背景技术：

接近感知，无需直接接触检测对象，就能将检测对象的移动信息和存在信息转化为电学响应。传统的接近传感器主要基于红外光、超声波、磁感应等原理，是非柔性的，通常体积较大，难以应用在对柔性可拉伸有高要求的可穿戴设备上。

触觉感知，当有检测对象直接接触时，可以将检测对象施加的力转换为电学响应。传统的触觉感知传感器主要是基于压阻，压电等原理，这些都是单模式的传感器，难以和接近传感与接近原理传感器相结合和，应用于可穿戴设备，智能机器人等。

当前在柔性电子领域，已经报道了多种高灵敏度的柔性压力传感器和柔性接近传感器，但对于柔性接近传感和柔性压力传感器相结合的方面的研究却相当少。接近和压力双模感知结合，接近感知作为压力感知的一种互补功能，可以扩展普通单功能触觉传感器的检测模式，实现对接近对象精确位置的识别与快速响应。而基于电容测量的接近和触摸双模感知传感器易于制作，并且可以在不受颜色和纹理影响的情况下检测接近的物体和感知触觉压力。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本实用新型提供一种机器人用柔性接近觉和触觉双模传感器。该传感器将柔性压力传感器和柔性接近传感器相结合，解决了单模传感器无法实现多种功能，而叠加多种单模传感器易造成精度下降的缺陷。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是：设计一种机器人用柔性接近觉和触觉双模传感器，其特征在于，该传感器包括第一层柔性薄膜、弹性电介质以及第二层柔性薄膜，所述第一层柔性薄膜上通过导电油墨印制有第一电极，第二层柔性薄膜上通过导电油墨印制有第二电极；所述第一层柔性薄膜和所述第二层柔性薄膜分别在弹性电介质的两侧，通胶水将三者粘合成一个整体；所述第一电极和第二电极为两个交叉互补排布的图案化电极。

第一层柔性薄膜上的第一电极和第二层柔性薄膜上的第二电极构成一个电容器，当外界物体逐步靠近传感器时，外界物体对所述电容器的边缘电场进行部分拦截，所述电容器的电场强度降低，电容值减小，此为传感器的接近觉响应模式；当外界物体直接对传感器施加压力时，弹性电介质产生弹性形变，第一电极与第二电极之间距离减小，所述电容器的电场强度增强，电容值上升，此为传感器的触觉响应模式。

与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：本实用新型将导致电容变化的两种因素相结合即可实现接近觉与触觉双模感知，这使得传感器不用增加其他原理感知模块即可实现双模感知，制作方法简单可靠。并且通过增加电介质克服了两种变化易于混淆的缺点，设计了特殊电极形状极大增加了灵敏度，使用了新的电极制作方式和电极材料将电极印刷在弹性电介质上。将外界物体接近影响边缘电场和极板之间间距影响电场这两种原理相结合，这两种变化的变化趋势不同，变化的数量级不同，便于区分接近觉和触觉。

附图说明

图1为本实用新型双模传感器一种实施例的结构示意图；

图2为本实用新型双模传感器的无物体靠近或施加压力的电场示意图；

图3为本实用新型双模传感器的有物体靠近并无施加压力的电场示意图；

图4为本实用新型双模传感器的第一层柔性薄膜有施加压力的形变示意图；

图5为本实用新型双模传感器的接近传感器接近原理的等效示意图；

图6(a)为本实用新型双模传感器的一种实施例的螺旋形电极排布示意图，

图6(b)为本实用新型双模传感器的一种实施例的叉指形电极排布示意图；

图中：1—第一层柔性薄膜；3—第二层柔性薄膜；2—弹性电介质；4—边缘电场线。

具体实施方式

下面给出本实用新型的具体实施例，并结合附图予以详细说明。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本申请权利要求的保护范围。

本实用新型提供一种机器人用柔性接近觉和触觉双模传感器(简称双模传感器)，其特征在于，该传感器包括第一层柔性薄膜、弹性电介质以及第二层柔性薄膜，所述第一层柔性薄膜上通过导电油墨印制有第一电极，第二层柔性薄膜上通过导电油墨印制有第二电极；所述第一层柔性薄膜和所述第二层柔性薄膜分别在弹性电介质的两侧，通过聚氨酯凝胶等能在空气中长期保持稳定结构的胶水将三者粘合成一个整体。所述第一电极和第二电极为两个交叉互补排布的图案化电极，第一电极和第二电极形状为螺旋形、叉指形等可以增大电容极板面积的形状，电极之间的交叉面积尽可能地大以提高极板的表面积，两个电极的交叉处为电极缝隙中间的位置以使得电场线均匀。

第一层柔性薄膜上的第一电极和第二层柔性薄膜上的第二电极构成一个电容器，当外界物体逐步靠近传感器时，外界物体对所述电容器的边缘电场线进行部分拦截，所述电容器的电场强度降低，电容值减小，此为传感器的接近觉响应模式；当外界物体直接对传感器施加压力时，弹性电介质产生弹性形变，第一电极与第二电极之间距离减小，所述电容器的电场强度增强，电容值上升，此为传感器的触觉响应模式。

在弹性电介质的除了粘合有第一层柔性薄膜、第二层柔性薄膜之外的四个面采用封口机进行密封封装，使弹性电介质内部为稳定的空间。

第一电极和第二电极构成电容器两个电极并形成边缘电场，当外界物体靠近所述电容器，所述电容器的边缘电场受到影响，强度降低，电容值减小，由此对外界物体的接近产生电学响应。

当外界物体触碰柔性薄膜表面并施加压力，随着第一电极和第二电极之间距离的减小，所述电容器的电场强度升高，电容值增大，由此对外界物体的触摸压力产生电学响应。

第一电极和第二电极一般是螺旋形、叉指形等可以增大电容极板面积和使电场线发散以提高接触距离的形状。图案化区域能够增强电容器的边缘电场，提高所述柔性电容型接近传感器的灵敏度，还可以提高上下电极之间的面积，提高触摸压力的灵敏度。

所述第一层柔性薄膜和第二层柔性薄膜为pi膜、pet膜等柔性好、绝缘性好且易于和相应的导电油墨黏附的膜材。

所述弹性电介质为海绵、凝胶等，具有柔性和有弹性的介质，这样的话可以弯折的，并且在触觉传感的时候电极之间的距离会变化从而使得电容变化。除此之外，最好选用介电常数大于3.6的，有利于分辨压力传感和接近传感模式。

所述导电油墨选择导电性好并有一定的韧性的，例如ag-石墨烯油墨等，这样可以在弹性电介质被弯折的时候电极不会被损坏。并且在空气中导电油墨还要可以长期保持稳定性质的，这样可以保证电极的质量。

第一层柔性薄膜1上的第一电极的边缘电场线4，手指与第一电极产生电容耦合，降低了第一电极与第二电极之间的电场强度，储存在第一电极与第二电极构成的电容中的电场强度减少，导致接近传感器电容cm减小；同时分流部分的耦合电容cs与接近传感器电容cm串联，总电容值减小；当手指距离第一电极越近时，分流情况越显著，接近传感器电容cm值变化越大。当手指施加压力到第一层柔性薄膜1或第二层柔性薄膜3使弹性电介质2压缩变形，使得第一电极与第二电极之间电容变大，以此达到压力感知的目的；手指施加压力产生的电容变化比接近电容量变化更大，施加压力越大变形越大电容变化量越大。

实施例

在pi膜上用ag-石墨烯复合油墨印刷3×3cm²的方形螺旋互补电极，弹性电介质2为高介电常数海绵。测量初始电容值为15pf，当有物体靠近时，电容下降随着物体距离地靠近而减小。感知范围在大约0-8cm的范围内，电容减小为几皮法左右。

当按压传感器时，第一层柔性薄膜和第二层柔性薄膜之间的距离d减小，电容值增大，可感知力的大小范围为1kpa-100kpa，电容值随着力的大小而变化，力越大电容值越大，呈线性关系(和弹性电介质有关)，电容值变化为为几百皮法左右。而对于普通的平行极板电容，由于电场线集中在两极板之间，所以接近物体对电容的影响不足0.2pf，极难测量。而对于普通电介质来说触觉压力导致的电容变化为十几皮法，接近觉变化的几皮法对该变化来说影响较大，容易混淆接近物远离和压力增大两种情况。由此可见本实用新型在实现接近觉和触觉双模情况下灵敏度好可靠性高。

图3采用平面薄膜构建传感器的接近觉响应模式原理示意图，外界物体(例如：手指)靠近会拦截部分较近一侧的电极上方的边缘电场线，外界物体与该电极产生电容耦合，降低了由两个电极构成的电容器的电场强度，电容减小。图4采用平面薄膜构建传感器的触觉响应模式原理示意图，外界物体施压传感器会使得弹性电介质压缩变形，减小了两电极之间的距离，增强了两电极之间的电场强度，电容器的电容增大。

此处描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，但不用于限定本实用新型的保护范围。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。