專利名稱：基于壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種仿生柔性觸覺傳感陣列，尤其是涉及一種基于壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列。
背景技術(shù)：
皮膚是人體最大的器官，面積約為I. 2^2 m2，約占體重的16%，由皮下組織、真皮和表皮構(gòu)成。皮下組織位于真皮下方，與肌膜等組織相連，由大量的脂肪細(xì)胞和粗大結(jié)締組織纖維束組成；真皮位于表皮層下方，由膠原纖維、彈力纖維、網(wǎng)狀纖維和基質(zhì)、細(xì)胞等組成； 表皮位于皮膚的外面，為角化的復(fù)層扁平上皮，絕大部分是角質(zhì)形成細(xì)胞?？梢钥闯?，皮膚是一個由多層組織結(jié)構(gòu)、多組成成分構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，其生物力學(xué)性能主要是由真皮中膠原纖維和彈性纖維的組織結(jié)構(gòu)以及水分和蛋白質(zhì)的含量等決定。人體皮膚中具有四種機(jī)械刺激感知器，分別為梅克爾觸盤(Merkel Disk)、梅氏小體(Meissner’ s Corpusde)、拉菲尼小體(Ruff ini Ending)、環(huán)層小體(Pacinian Corpusde)ο這四種機(jī)械刺激感知細(xì)胞對不同種類的力敏感，梅克爾觸盤和梅氏小體位于真皮層淺層，分別對靜態(tài)力與瞬變力敏感；拉菲尼小體位于真皮層中較深的地方，只對平行于皮膚的切向力敏感；環(huán)層小體位于真皮層的深層，對瞬變力與振動非常敏感，其對瞬變力與振動敏感的程度高于梅氏小體。并且這四種機(jī)械刺激感知細(xì)胞的分布密度并不一樣，它們的分布密度關(guān)系由大到小分別為梅氏小體、梅克爾觸盤、拉菲尼小體、環(huán)層小體。生機(jī)電一體化的人工假肢能使截肢患者實(shí)現(xiàn)日常生活的自理，為了使人工假肢具有與外界很好的交互能力，必須實(shí)現(xiàn)感知功能的重塑。感知功能包括觸覺、溫度感知、痛覺等等。其中觸覺是人體與外界環(huán)境接觸時的重要感覺，是多種感覺的綜合，包括輕觸覺、壓覺、振動覺等豐富的感知信息。如能把觸覺信息進(jìn)行準(zhǔn)確的還原，讓人工假肢具有“感覺”， 這將是人體運(yùn)動功能重建的一大進(jìn)步。此外，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，觸覺感知是實(shí)現(xiàn)其智能化的基礎(chǔ)。機(jī)器人的觸覺感知是通過觸覺敏感構(gòu)件來識別目標(biāo)物體或?qū)ο蟮亩喾N物理信息，如接觸力的大小、柔軟性、 硬度、彈性、粗糙度、材質(zhì)等。近年來，“機(jī)器人柔性觸覺敏感皮膚”已成為智能機(jī)器人觸覺傳感技術(shù)領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，具有感知
功能的機(jī)器人柔性觸覺敏感皮膚可以增強(qiáng)其在各種環(huán)境下完成精細(xì)、復(fù)雜作業(yè)的能力，提高機(jī)器人系統(tǒng)的作業(yè)水平和智能化水平，對高級服務(wù)機(jī)器人、空間機(jī)器人以及危險(xiǎn)環(huán)境下的精密操作微驅(qū)動機(jī)器人等都將產(chǎn)生重要的影響。在生物醫(yī)療中，外科手術(shù)機(jī)器人已能完成人體心臟和腦部等重要器官的外科手術(shù)。但外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)除了具有顯微放大與視覺監(jiān)控外，對多維接觸力信息的檢測與感知的需求也日益增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列，具有靜態(tài)性與動態(tài)性俱佳的特點(diǎn)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
本發(fā)明的仿生柔性觸覺傳感陣列從下至上依次由柔性基底層、電容層、壓阻層和表面封裝層，四層結(jié)構(gòu)層疊在一起構(gòu)成；其每層的結(jié)構(gòu)如下
(a)柔性基底層從下至上依次由硅片、PDMS(聚二甲基硅氧烷)柔性基底和PDMS導(dǎo)電橡膠屏蔽層疊在一起構(gòu)成；
(b)電容層從下至上依次由其上表面附有Ti/Au電容下電極的第一PI電極襯底、其上表面經(jīng)圖案化為四棱錐小區(qū)域的四棱錐介電層和其上表面附有Ti/Au電容上層電極板的第二 PI電極襯底疊在一起構(gòu)成，Ti/Au電容上層電極板電極與Ti/Au電容下電極板電極成正交方向排列，每對相對的Ti/Au電容上、下極板間形成一個電容，每個電容之間均有作為電容介電層的四棱錐小區(qū)域，每個電容為一個傳感單元，所有電容傳感單元形成電容陣列；
(c)壓阻層從下至上依次由PDMS導(dǎo)電橡膠屏蔽層、其上表面附有呈條形分布Ti/Au 壓阻層下層電極的第三PI電極襯底、半球形導(dǎo)電橡膠層、其上表面附有相間組成的半月形電極陣列和條形電極陣列的帶通孔第四PI電極襯底和PDMS保護(hù)層疊在一起構(gòu)成；半月形電極通過第四PI電極襯底上的PI通孔跟Ti/Au壓阻層下層電極電氣連通；半球形導(dǎo)電橡膠層上的半球形導(dǎo)電橡膠分別覆蓋在各自的半月形電極及條形電極上，使每列條形電極均與各自的半月形電極電氣連通；半球形導(dǎo)電橡膠層中的每個導(dǎo)電橡膠為一個傳感單元，所有的半球形導(dǎo)電橡膠形成壓阻式導(dǎo)電橡膠陣列；
(d)表面封裝層是上表面為PDMS微型凸臺并用PDMS制作成的一層圖案化薄膜。所述的電容層與壓阻層空間分辨率之比為2:1，即在相同面積下電容層的傳感單元數(shù)量與壓阻層傳感單元數(shù)量之比為1:4。所述壓阻層中的第四PI電極襯底上附著了半月形電極與條形電極的組合。本發(fā)明具有的有益效果是
(I)基于簡約化設(shè)計(jì)的理念，本發(fā)明選擇了感知細(xì)胞環(huán)層小體以及梅克爾觸盤作為仿生對象。電容層主要模仿的是人體皮膚中的環(huán)層小體，這種感知細(xì)胞是人體皮膚中對瞬變力及振動最敏感的細(xì)胞；而導(dǎo)電橡膠壓阻層主要模仿的是梅克爾觸盤，其特征是對靜態(tài)力敏感而對瞬變力不敏感。本觸覺傳感陣列把適合于測量靜態(tài)力的壓阻式導(dǎo)電橡膠，與適合于測量瞬變力及微小振動的電容集成在一個觸覺傳感陣列中，能滿足靜態(tài)力與瞬變力的測量要求，具有良好的綜合性能。(2)本仿生觸覺傳感陣列的制造過程中使用了微接觸印刷技術(shù)，微接觸印刷技術(shù)在印刷微小金屬電路以及制造微納三維結(jié)構(gòu)上有其獨(dú)特的優(yōu)勢，能實(shí)現(xiàn)大面積高效率的生產(chǎn)，且能用于印刷曲面上的電路。(3)模仿感知細(xì)胞環(huán)層小體以及梅克爾觸盤的分布密度和分布深度，把電容層置于壓阻層的下面，且電容層的空間分辨率與壓阻層的空間分辨率之比為1:2，這樣的設(shè)計(jì)更能發(fā)揮仿生學(xué)的優(yōu)勢，為觸覺傳感陣列的優(yōu)化提供指導(dǎo)。(4)使用了微接觸印刷的方法在電容層的PDMS介電層表面制造了表面圖案，使電容的形變能力大大增強(qiáng)，增強(qiáng)其敏感程度。(5)該柔性觸覺傳感陣列的壓阻層與電容層采用分離電路控制，能減小干擾，并且電容層被PDMS導(dǎo)電橡膠屏蔽層包圍，能最大限度地減小壓阻層以及外界對其的干擾。


圖I是本發(fā)明分層結(jié)構(gòu)拆分立體圖2是本發(fā)明帶硅基底的柔性基底層剖面圖3是本發(fā)明電容層分層結(jié)構(gòu)拆分立體圖4是本發(fā)明壓阻層分層結(jié)構(gòu)拆分立體圖5是本發(fā)明壓阻層上層電極PI襯底平面圖6是本發(fā)明壓阻層上層電極層平面圖7是本發(fā)明PDMS半球狀導(dǎo)電橡膠安裝結(jié)構(gòu)示意圖8是本發(fā)明表面封裝平面圖9是本發(fā)明的柔性觸覺傳感陣列立體圖。圖中1、柔性基底層，2、電容層，3、壓阻層，4、表面封裝層，5、硅片，6、PDMS柔性基底，7、PDMS導(dǎo)電橡膠屏蔽層，8、第一 PI電極襯底，9、Ti/Au電容下極板，10、四棱錐介電層， 11、第二 PI電極襯底，12、Ti/Au電容上極板，13、PDMS導(dǎo)電橡膠屏蔽層，14、第三PI電極襯底，15、Ti/Au壓阻層下層電極,16、第四PI電極襯底，17、條形電極,18、半月形電極,19、半球形導(dǎo)電橡膠層，20、PDMS保護(hù)層，21、PI通孔，22、四棱錐小區(qū)域，23、表層PDMS微凸臺。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖I所示，是本發(fā)明的分層結(jié)構(gòu)拆分立體圖，仿生柔性觸覺傳感陣列從下至上依次由柔性基底層I、電容層2、壓阻層3和表面封裝層4，四層結(jié)構(gòu)層疊在一起構(gòu)成；其每層的結(jié)構(gòu)如下
(a)如圖2所示柔性基底層I :從下至上依次由硅片5、PDMS柔性基底6和PDMS導(dǎo)電橡膠屏蔽層7疊在一起構(gòu)成。(b)如圖3所示電容層2 :從下至上依次由其上表面附有Ti/Au電容下電極9的第一 PI電極襯底8、其上表面經(jīng)圖案化為四棱錐小區(qū)域22的四棱錐介電層10和其上表面附有Ti/Au電容上層電極板12的第二 PI電極襯底12疊在一起構(gòu)成；Ti/Au電容上層電極板12電極與Ti/Au電容下電極板9電極成正交方向排列，每對相對的Ti/Au電容上、下極板間形成一個電容，每個電容之間均有作為電容介電層的四棱錐小區(qū)域22，每個電容為一個傳感單元，所有電容傳感單元形成電容陣列。(c)如圖4所示壓阻層3 :從下至上依次由PDMS導(dǎo)電橡膠屏蔽層13、其上表面附有呈條形分布Ti/Au壓阻層下層電極15的第三PI電極襯底14、半球形導(dǎo)電橡膠層19、其上表面附有相間組成的半月形電極18陣列和條形電極17陣列(如圖6所示)的帶通孔第四PI電極襯底16 (如圖5所示)和PDMS保護(hù)層20疊在一起構(gòu)成；半月形電極18通過第四PI電極襯底16上的PI通孔21跟Ti/Au壓阻層下層電極15電氣連通；如圖7所示，半球形導(dǎo)電橡膠層19上的半球形導(dǎo)電橡膠分別覆蓋在各自的半月形電極18及條形電極17 上，使每列條形電極17均與各自的半月形電極18電氣連通；半球形導(dǎo)電橡膠層19中的每個導(dǎo)電橡膠為一個傳感單元，所有的半球形導(dǎo)電橡膠形成壓阻式導(dǎo)電橡膠陣列。
(d)如圖8所示表面封裝層4:是上表面為PDMS微型凸臺23并用PDMS制作成
的一層圖案化薄膜。所述的電容層2與壓阻層3空間分辨率之比為2:1，即在相同面積下，電容層的傳感單元數(shù)量與壓阻層傳感單元數(shù)量之比為1:4。所述壓阻層3中的第四PI電極襯底16上附著了半月形電極18與條形電極17的組合。本發(fā)明的傳感陣列為總厚度約為O. 5mm、邊長為IOmm的矩形，其中電容層包含敏感單元5 X 5個，壓阻層包含敏感單元10 X 10個，即電容層空間分辨率為2mm，壓阻層空間分辨率為1_，此分辨率已完全能滿足人工假肢的仿生皮膚要求。完成該壓阻式和電容式組合仿生柔性觸覺傳感陣列的制作步驟如下
(I)準(zhǔn)備普通單拋硅片5作為柔性器件的剛性載體；將Sylgard 184 PDMS預(yù)聚物與固化劑以10:1 (質(zhì)量比)混合、攪勻、抽真空去除氣泡，用旋涂的方法在剛性硅片5上涂覆 50 μ m的PDMS柔性基底6，用熱板或加熱爐保溫固化。(2)將Sylgard 184 PDMS預(yù)聚物與固化劑按一定比例混合,添加納米導(dǎo)電顆粒,混合、攪勻、抽真空去除氣泡，用旋涂的方法在PDMS柔性基底6上涂覆10 μ m的上述的帶導(dǎo)電顆粒的PDMS，用熱板或加熱爐保溫固化形成導(dǎo)電橡膠屏蔽層7。(3)在導(dǎo)電橡膠屏蔽層7上旋涂一層厚10 μ m的第一 PI電極襯底8，用熱板或加熱爐保溫固化；在第一 PI電極襯底8上沉積IOnm的Ti和200nm的Au，運(yùn)用基于PDMS軟印章的微接觸印刷方法制造Ti/Au電容下極板9 ;然后在電極上旋涂一層厚度為4μπι的PI 作為保護(hù)層，用熱板或加熱爐保溫固化。(4)在與四棱錐介電層10互補(bǔ)的硅模具上澆上PDMS溶液，把硅片5連帶整個傳感陣列反過來倒扣在硅模具上，施加一定的壓力并用加熱爐保溫固化，然后剝離，形成四棱錐介電層10的結(jié)構(gòu)。(5)先在另一塊新的硅片上旋涂一層厚度為10 μ m的第二 PI電極襯底11，用熱板或加熱爐保溫固化后剝離硅片，對第二 PI電極襯底11表面進(jìn)行氧等離子活化處理，然后覆蓋在四棱錐介電層10上，作為Ti/Au電容上極板12的支撐。(6)在第二 PI電極襯底11上沉積IOnm的Ti和200nm的Au，運(yùn)用基于PDMS軟印章的微接觸印刷方法制造Ti/Au電容上極板12 ;然后在電極上旋涂一層厚度為4 μ m的PI 作為保護(hù)層。(7)將Sylgard 184 PDMS預(yù)聚物與固化劑按一定比例混合,添加納米導(dǎo)電顆粒,混合、攪勻、抽真空去除氣泡，用旋涂的方法在第6步的PI保護(hù)層上涂覆10 μ m的上述的帶導(dǎo)電顆粒的PDMS，用熱板或加熱爐保溫固化形成導(dǎo)電橡膠屏蔽層13。(8)在導(dǎo)電橡膠屏蔽層13上旋涂一層厚10 μ m的第三PI電極襯底14，用熱板或加熱爐保溫固化；在第三PI電極襯底14上沉積IOnm的Ti和200nm的Au，運(yùn)用基于PDMS 軟印章的微接觸印刷方法制造Ti/Au壓阻層下層電極15。(9)在Ti/Au壓阻層下層電極15上旋涂一層4μπι的第四PI電極襯底16，用熱板或加熱爐保溫固化后用二氧化碳激光儀在第四PI電極襯底16上打PI通孔21，使得Ti/Au 壓阻層下層電極15的一部分(通孔部分)暴露出來。(10)在第四PI電極襯底16上沉積IOnm的Ti和200nm的Au，運(yùn)用基于PDMS軟印章的微接觸印刷方法制造條形電極17和半月形電極18,其中半半月形電極18與Ti/Au 壓阻層下層電極15電氣連通。(11)將Sylgard 184 PDMS預(yù)聚物與固化劑按一定比例混合,添加納米導(dǎo)電顆粒, 配制成壓力敏感的PDMS導(dǎo)電橡膠溶液；使用點(diǎn)膠機(jī)在條形電極17、半月形電極18上制造半球形的PDMS導(dǎo)電橡膠層19 ;進(jìn)行用熱板或加熱爐保溫固化。(12)在半球形導(dǎo)電橡膠層19上澆鑄PDMS溶液，把導(dǎo)電橡膠覆蓋起來，厚度不能高過導(dǎo)電橡膠頂端4 μ m。為了達(dá)到這個4 μ m的目標(biāo)，可以在澆鑄PDMS溶液的時候不完全覆蓋導(dǎo)電橡膠，等澆鑄部分用熱板或加熱爐保溫固化之后再用旋涂的方法繼續(xù)往上覆蓋PDMS， 通過控制勻膠機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度精確控制PDMS的高度，最終形成PDMS保護(hù)層20。(13)在硅模具上做出帶有凹洞的結(jié)構(gòu)，在上面澆鑄PDMS溶液，用熱板或加熱爐保溫固化后剝離，制成帶有表層PDMS微凸臺23的PDMS表面封裝4，對PDMS表面封裝4下表面進(jìn)行氧等離子活化后粘在PDMS保護(hù)層20上。只要把傳感陣列從硅板5上剝離，整個傳感陣列就制造完成了，如圖9所示。這樣，制造出來的傳感陣列具有良好的靜動態(tài)性能，無論是對于瞬間的觸碰還是持續(xù)受力的擠壓，傳感陣列均能良好地獲取觸覺信息。
權(quán)利要求
1.一種基于壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列，其特征在于仿生柔性觸覺傳感陣列從下至上依次由柔性基底層(I)、電容層(2)、壓阻層(3)和表面封裝層(4)，四層結(jié)構(gòu)層疊在一起構(gòu)成；其每層的結(jié)構(gòu)如下(a)柔性基底層(I):從下至上依次由硅片(5)、PDMS柔性基底(6)和PDMS導(dǎo)電橡膠屏蔽層(7)疊在一起構(gòu)成；(b)電容層⑵從下至上依次由其上表面附有Ti/Au電容下電極(9)的第一PI電極襯底(8)、其上表面經(jīng)圖案化為四棱錐小區(qū)域(22)的四棱錐介電層(10)和其上表面附有 Ti/Au電容上層電極板(12)的第二 PI電極襯底(12)疊在一起構(gòu)成；Ti/Au電容上層電極板(12)電極與Ti/Au電容下電極板(9)電極成正交方向排列，每對相對的Ti/Au電容上、 下極板間形成一個電容，每個電容之間均有作為電容介電層的四棱錐小區(qū)域(22)，每個電容為一個傳感單元，所有電容傳感單元形成電容陣列；(c)壓阻層(3):從下至上依次由PDMS導(dǎo)電橡膠屏蔽層(13)、其上表面附有呈條形分布Ti/Au壓阻層下層電極(15)的第三PI電極襯底(14)、半球形導(dǎo)電橡膠層(19)、其上表面附有相間組成的半月形電極(18)陣列和條形電極(17)陣列的帶通孔第四PI電極襯底 (16)和PDMS保護(hù)層(20)疊在一起構(gòu)成；半月形電極(18)通過第四PI電極襯底(16)上的PI通孔(21)跟Ti/Au壓阻層下層電極(15)電氣連通；半球形導(dǎo)電橡膠層(19)上的半球形導(dǎo)電橡膠分別覆蓋在各自的半月形電極(18)及條形電極(17)上，使每列條形電極(17) 均與各自的半月形電極(18)電氣連通；半球形導(dǎo)電橡膠層(19)中的每個導(dǎo)電橡膠為一個傳感單元，所有的半球形導(dǎo)電橡膠形成壓阻式導(dǎo)電橡膠陣列；(d)表面封裝層(4):是上表面為PDMS微型凸臺(23)并用PDMS制作成的一層圖案化薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列,其特征在于所述的電容層(2)與壓阻層(3)空間分辨率之比為2:1，即在相同面積下，電容層的傳感單元數(shù)量與壓阻層傳感單元數(shù)量之比為1:4。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列,其特征在于所述壓阻層⑶中的第四PI電極襯底(16)上附著了半月形電極(18)與條形電極(17)的組合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列。仿生柔性觸覺傳感陣列從下至上依次由柔性基底層、電容層、壓阻層和表面封裝層構(gòu)成。在傳感陣列中同時集成了基于壓阻式和電容式兩種觸覺力敏感構(gòu)件，壓阻式力敏感層層疊在電容式力敏感層上，壓阻層空間分辨率為1mm，電容層空間分辨率為2mm。壓阻式力敏感層電路為矩陣電路，矩陣電路每個節(jié)點(diǎn)上為半月形電極與條形電極，兩個電極之間通過PDMS導(dǎo)電橡膠相連。電容式力敏感層電路為矩陣電路，矩陣電路的下層構(gòu)成電容下極板，上層構(gòu)成電容上極板，兩極板間為具有表面圖案的PDMS介電層。壓阻層與電容層分別承擔(dān)靜態(tài)力與瞬變力的測量，能提高仿生觸覺傳感陣列的綜合性能。
文檔編號G01L1/14GK102589759SQ20121003765
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月20日
發(fā)明者戴宇, 梁觀浩, 梅德慶, 汪延成, 陳子辰 申請人:浙江大學(xué)