專利名稱：多功能柔性觸覺傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說是一種應(yīng)用于機(jī)器人的多功能柔性觸覺傳感器。
背景技術(shù)：
觸覺是生物體與外界物體直接接觸時的重要感覺，通過觸覺可獲知目標(biāo)物體的多種物理信息，如接觸力的大小、柔軟性、硬度、彈性、粗糙度、溫度和濕度等多種感覺信息。觸覺傳感器是智能機(jī)器人感知外部各種信息的重要手段。多功能觸覺傳感器擁有多種傳感器和多信息處理技術(shù)，以便獲得比單一傳感器更多的觸覺信息。隨著機(jī)器人開始進(jìn)入人類的日常生活，會要求其具有與人類一樣的多種感知能力，研究安全自然的機(jī)器人多功能觸覺傳感器就顯得尤為重要。特別是對有迫切需求的仿生和服務(wù)機(jī)器人來說，要求機(jī)器人配備足夠柔軟的高精度、高分辨率、且能任意分布的多功能觸覺傳感器陣列，使機(jī)器人能夠準(zhǔn)確地感知壓力、溫度等觸覺信息，實(shí)現(xiàn)安全和靈巧的人類與機(jī)器人的互動。具有柔性化和多觸覺信息檢測的傳感器在許多接觸測量場合，如人體健康、體育訓(xùn)練、康復(fù)醫(yī)療、生物力學(xué)、娛樂和安全等諸多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用前景。實(shí)現(xiàn)多種檢測功能的柔性觸覺傳感器是目前國際上研究的熱點(diǎn)。其實(shí)現(xiàn)的途徑大多是利用各種剛性的觸覺敏感元件，依賴柔性的組織結(jié)構(gòu)組合而成，或利用柔性材料作為傳遞觸覺信息的媒介。臺灣大學(xué)的Y. "J. Yang等給出了一種32X32溫度/觸覺傳感器陣列的制作方法及應(yīng)用，溫度傳感單元采用微電子技術(shù)制作的，不同類型傳感單元布置在電路基板的正反面，傳感器觸覺單元可以實(shí)現(xiàn)單維力的測量。美國伊利諾斯州大學(xué)Jonathan Engel等人利用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMQ制作工藝，將識別材質(zhì)、溫度、力和硬度等材料特性的獨(dú)立傳感器件分布在聚合物內(nèi)部，制備可識別物體性能的柔性多功能觸覺敏感系統(tǒng)。分析國內(nèi)外研究狀況可知，目前的研究在多功能觸覺傳感器的柔軟性和多信息檢測的兼容性及檢測信息的穩(wěn)定性方面尚存在一定的問題。利用微電子技術(shù)制作的硅壓阻、 硅溫度等敏感單元含有極易破碎的硅膜片，即使植入到聚合物的保護(hù)層內(nèi)，也不能保證在機(jī)器人和操作物體之間的可靠性，表面適應(yīng)性較差，使得觸覺傳感器在柔性化和連續(xù)、大面積的測量壓力和溫度信息上受到一定的限制。從國內(nèi)外研究狀況可知，目前尚無檢測溫度和三維力的柔性多功能觸覺傳感器的相關(guān)報(bào)道。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種表面適應(yīng)性好、 三維力測量可靠性高、力學(xué)和溫度信息交叉干擾小的全柔性多功能柔性觸覺傳感器。本實(shí)用新型為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本實(shí)用新型多功能柔性觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是以柔性聚酰亞胺電路板為基底， 在所述基底上分別設(shè)置三維力傳感單元陣列和溫度傳感單元陣列，所述三維力傳感單元陣列中各三維力傳感單元和溫度傳感單元陣列中各溫度傳感單元相互間隔排布；并且所述各溫度傳感單元的表面高度低于各三維力傳感單元的表面高度，形成整體呈凹凸面的分布形式。本實(shí)用新型多功能柔性觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于所述三維力傳感單元是以炭黑填充硅橡膠作為壓力敏感材料，所述溫度傳感單元是以碳纖維填充硅橡膠作為溫度敏感材料。所述溫度傳感單元采用叉指電極，所述三維力傳感單元設(shè)置為四扇面電極，所述四扇面電極是以公共電極為中心，四個大小和形狀均相同的扇面電極在公共電極的外圍互成90°，并與公共電極同心，四個扇面電極各自獨(dú)立設(shè)置信號引出線。與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型有益效果體現(xiàn)在1、本實(shí)用新型在同一片基底上共同設(shè)置三維力傳感單元陣列和溫度傳感單元陣列，使得傳感器能同時實(shí)現(xiàn)三維力的傳感和溫度傳感，實(shí)現(xiàn)觸覺傳感器多種功能；2、本實(shí)用新型中傳感器陣列不同功能單元的高度不同，可以大幅度減小溫度和三維力信息的交叉干擾，提高溫度測量的準(zhǔn)確性；3、本實(shí)用新型中的基底、壓力敏感材料和溫度敏感材料均為彈性材料，允許傳感器陣列實(shí)現(xiàn)彎曲變形，使整個觸覺傳感器能夠很好地應(yīng)用在各種曲面中；4、本實(shí)用新型中三維力傳感單元設(shè)置為四扇面電極，其相對于三扇面電極具有更好的平面對稱性和更多的取樣電阻分量，可以有效提高三維力信息的測量精度及穩(wěn)定性。

圖1為本實(shí)用新型平面分布示意圖；圖2為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(a)為本實(shí)用新型三維力傳感單元電極結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(b)為本實(shí)用新型三維力傳感單元等效電阻示意圖；圖4(a)為本實(shí)用新型溫度傳感單元電極結(jié)構(gòu)示意圖；圖4(b)為本實(shí)用新型溫度傳感單元等效電阻示意圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1、圖2，本實(shí)施例是以柔性聚酰亞胺電路板為基底1，在基底1上分別設(shè)置三維力傳感單元陣列和溫度傳感單元陣列，三維力傳感單元陣列中各三維力傳感單元2和溫度傳感單元陣列中各溫度傳感單元3相互間隔排布；并且各溫度傳感單元3的表面高度低于各三維力傳感單元2的表面高度，形成整體呈凹凸面的分布形式。具體實(shí)施中，三維力傳感單元2是以炭黑填充硅橡膠作為壓力敏感材料，設(shè)置為圓片狀柔性壓敏導(dǎo)電橡膠；溫度傳感單元3是以碳纖維填充硅橡膠作為溫度敏感材料，設(shè)置為長方形溫敏導(dǎo)電橡膠。這兩種材料在《功能材料》2010年第二期，趙興、黃英等人所發(fā)表的“用于復(fù)合式柔性觸覺傳感器的導(dǎo)電復(fù)合材料研究”一文中已有公開報(bào)導(dǎo)。圖2所示，在結(jié)構(gòu)上，作為基底1的柔性聚酰亞胺電路板、作為敏感材料的各單元導(dǎo)電橡膠以及位于基底和導(dǎo)電橡膠之間的各單元電極組成結(jié)構(gòu)緊密的整體。三維力傳感單元的表面高度為1. 7mm，溫度傳感單元的表面高度為0. 6mm。圖4(a)和圖4(b)所示，溫度傳感單元采用叉指電極4，溫度的變化會帶來敏感單元電阻R5、R6、R7和R8的變化，通過對電阻的變化進(jìn)行檢測和補(bǔ)償，可以得到所需的溫度信息。圖3 (a)和圖3(b)所示，三維力傳感單元2設(shè)置為四扇面電極5，四扇面電極是以公共電極51為中心，四個大小和形狀均相同的扇面電極52在公共電極51的外圍互成 90°，并與公共電極51同心，四個扇面電極52各自獨(dú)立設(shè)置信號引出線a、b、c和d，具體制作是在柔性聚酰亞胺印刷電路板上制作四個扇形的導(dǎo)電區(qū)域和一個位于中心的圓形導(dǎo)電區(qū)域，將柔性壓敏導(dǎo)電橡膠粘附于電路板上，四個扇形導(dǎo)電區(qū)域與中間的圓形導(dǎo)電區(qū)域之間的電阻分別為Rl、R2、R3和R4。當(dāng)三維力作用在柔性壓敏導(dǎo)電橡膠表面，由于壓敏導(dǎo)電橡膠的壓阻效應(yīng)以及壓敏導(dǎo)電橡膠和柔性電路板電極之間的表面電阻效應(yīng)，四個等效電阻R1、R2、R3和R4的阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化，通過電路對電阻的變化進(jìn)行檢測，再經(jīng)過矩陣運(yùn)算處理，得到其包含的三維力Fx、Fy和Fz的信息。本實(shí)用新型多功能柔性觸覺傳感器的制作工藝為首先采用標(biāo)準(zhǔn)柔性電路板制作技術(shù)制作柔性聚酰亞胺電路板；再采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在柔性聚酰亞胺電路板上制作三維力敏感單元電極以及溫度敏感單元電極；最后在室溫下采用溶液共混工藝分別制作柔性壓敏導(dǎo)電橡膠的混合溶液和溫度敏感導(dǎo)電橡膠的混合溶液；將混合溶液倒入模具，室溫下固化成型即成。
權(quán)利要求1.一種多功能柔性觸覺傳感器，其特征是以柔性聚酰亞胺電路板(1)為基底，在所述基底上分別設(shè)置三維力傳感單元陣列和溫度傳感單元陣列，所述三維力傳感單元陣列中各三維力傳感單元( 和溫度傳感單元陣列中各溫度傳感單元( 相互間隔排布；并且所述各溫度傳感單元(3)的表面高度低于各三維力傳感單元O)的表面高度，形成整體呈凹凸面的分布形式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能柔性觸覺傳感器，其特征是所述三維力傳感單元(2) 是以炭黑填充硅橡膠作為壓力敏感材料，所述溫度傳感單元C3)是以碳纖維填充硅橡膠作為溫度敏感材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多功能柔性觸覺傳感器，其特征是所述溫度傳感單元采用叉指電極，所述三維力傳感單元( 設(shè)置為四扇面電極，所述四扇面電極是以公共電極 (51)為中心，四個大小和形狀均相同的扇面電極(52)在公共電極(51)的外圍互成90°， 并與公共電極(51)同心，四個扇面電極(52)各自獨(dú)立設(shè)置信號引出線。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種多功能柔性觸覺傳感器，其特征是以柔性聚酰亞胺電路板為基底，在所述基底上分別設(shè)置三維力傳感單元陣列和溫度傳感單元陣列，三維力傳感單元陣列中各三維力傳感單元和溫度傳感單元陣列中各溫度傳感單元相互間隔排布；并且各溫度傳感單元的表面高度低于各三維力傳感單元的表面高度，形成整體呈凹凸面的分布形式。本實(shí)用新型是一種表面適應(yīng)性好、三維力測量可靠性高、力學(xué)和溫度信息交叉干擾小的全柔性多功能觸覺傳感器。
文檔編號G01L1/18GK201993187SQ20112005708
公開日2011年9月28日 申請日期2011年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月7日
發(fā)明者仇懷利, 劉平, 張玉剛, 趙興, 陸偉, 黃英 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)