基于電容與壓敏橡膠組合的三維力觸覺傳感單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電容與壓敏橡膠組合的三維力觸覺傳感單元。依次由表面PDMS凸起、第三塊PI電極襯底、PDMS支撐層、電容極板層、第二塊PI電極襯底和第一塊PI電極襯底層疊而成；PDMS支撐層框架內(nèi)的四個(gè)角分別裝有由正方形浮動(dòng)電極和正方形壓敏橡膠構(gòu)成的組件，組件中的正方形浮動(dòng)電極下表面與正方形壓敏橡膠上表面貼合，正方形浮動(dòng)電極上表面與第三PI電極襯底下表面貼合，正方形壓敏橡膠與電容極板層的距離為PDMS支撐層厚度的二分之一。利用電容式觸覺傳感的高靈敏度以及壓阻式觸覺傳感的大量程結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)微小觸碰力和較大接觸力的檢測(cè)。它可在高靈敏度和大量程測(cè)量的機(jī)器人手、人工假肢、手術(shù)機(jī)械手等領(lǐng)域中應(yīng)用。
【專利說明】基于電容與壓敏橡膠組合的三維力觸覺傳感單元

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及觸覺傳感單元，尤其是涉及一種基于電容與壓敏橡膠組合的三維力觸覺傳感單元。
技術(shù)背景
[0002]智能假肢與智能機(jī)器人在過去的十年間經(jīng)歷了很大的發(fā)展，對(duì)人工觸覺感知提出了強(qiáng)烈的需求。通過在這些智能設(shè)備的表面集成人工觸覺感知系統(tǒng)，能大大提高其與環(huán)境交互的能力，提供目標(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。目前實(shí)現(xiàn)人工觸覺感知的方法主要是通過將壓力敏感構(gòu)件集成在柔性的材料中，實(shí)現(xiàn)觸覺感知單元的陣列化。利用柔性材料的可彎曲與可延展的特性，使觸覺傳感陣列可以安裝在假肢手和智能機(jī)器人的非規(guī)則曲面上。目前觸覺傳感單元的實(shí)現(xiàn)原理主要包括:壓阻式、壓電式、電容式，以及基于以上幾種方法的變種。壓阻式是利用壓力敏感材料在受到外部壓力時(shí)其電阻會(huì)產(chǎn)生變化的特點(diǎn)而用于人工觸覺感知當(dāng)中。常見的用于觸覺感知的壓敏材料有應(yīng)變片和導(dǎo)電聚合物。其中導(dǎo)電聚合物受益于其柔性高、可延展性強(qiáng)、制造簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，被越來越多的人所使用。近期已經(jīng)出現(xiàn)了可治愈式的導(dǎo)電聚合物，更是極大地推動(dòng)了人工觸覺感知的發(fā)展。對(duì)于壓電式的觸覺傳感單元，相比于其他兩種方法其最突出的特點(diǎn)是它的動(dòng)態(tài)性能很好，因此常用于瞬態(tài)力的測(cè)量。電容式觸覺傳感單元，其優(yōu)點(diǎn)是能做到很高的靈敏度，而且對(duì)溫度的依賴不強(qiáng)。
[0003]對(duì)于觸覺傳感單元來說，靈敏度和測(cè)量范圍是兩個(gè)很重要的性能指標(biāo)。但是靈敏度和測(cè)量范圍是一對(duì)矛盾，兩者是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。目前大多數(shù)的觸覺傳感單元都是基于前述的其中一種原理，這樣的觸覺傳感單元難以兼顧高靈敏度和大量程，限制了人工觸覺感知在實(shí)際中的應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)一種包含多種觸覺感知原理的觸覺傳感單元，實(shí)現(xiàn)靈敏度和大量程的兼顧，變得很有必要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于電容與壓敏橡膠組合的三維力觸覺傳感單元，具有高靈敏度和大量程范圍的特點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明的三維力觸覺傳感單元從上至下依次由表面PDMS凸起、第三塊PI電極襯底、PDMS支撐層、電容極板層、第二塊PI電極襯底和第一塊PI電極襯底層疊而成；PDMS支撐層框架內(nèi)的四個(gè)角分別裝有由正方形浮動(dòng)電極和正方形壓敏橡膠構(gòu)成的組件，所述每個(gè)組件中的正方形浮動(dòng)電極下表面與正方形壓敏橡膠上表面貼合，正方形浮動(dòng)電極上表面與第三PI電極襯底下表面貼合，正方形壓敏橡膠與電容極板層的距離為PDMS支撐層厚度的二分之一 O
[0006]所述電容極板層包括八塊三角形電容極板和兩條上層條狀電極；兩條上層條狀電極相互絕緣且平行布置，第一、第二塊三角形電容極板的一直角邊分別與第一條上層條狀電極電氣連通，第三、第四塊三角形電容極板的斜邊分別與第一、第二塊三角形電容極板的斜邊相向布置且之間存在間隙；第五、第六塊三角形電容極板的一直角邊分別與第二條上層條狀電極電氣連通，第七、第八塊三角形電容極板的斜邊分別與第五、第六塊三角形電容極板的斜邊相向布置且之間存在間隙；電容極板層貼合在第二塊PI電極襯底上；每對(duì)斜邊相向布置的兩個(gè)三角形電容極板與各自的一個(gè)正方形浮動(dòng)極板分別組成一個(gè)電容，共有四個(gè)電容。
[0007]所述第一塊PI電極襯底上表面分別設(shè)有兩條平行布置且相互絕緣的下層條狀電極；兩條下層條狀電極與電容極板層上的兩條上層條狀電極正交布置；第三、第七塊三角形電容極板分別通過位于第二塊PI電極襯底上的兩個(gè)PI通孔與第一塊PI電極襯底上的一條下層條狀電極電氣連通；第四、第八塊三角形電容極板分別通過位于第二塊PI電極襯底上的另外兩個(gè)PI通孔與第一塊PI電極襯底上的另一條下層條狀電極電氣連通。
[0008]本發(fā)明具有的有益效果是:
I)利用電容式觸覺傳感的高靈敏度以及壓阻式觸覺傳感的大量程的特點(diǎn)，本發(fā)明把這兩種原理結(jié)合在一起，同時(shí)實(shí)現(xiàn)微小觸碰力和較大接觸力的檢測(cè)。
[0009]2)本觸覺傳感單元把內(nèi)置電容的正負(fù)兩個(gè)極板設(shè)計(jì)在同一個(gè)平面上，能大大地減小電容極板在受力過程中所受的應(yīng)力，避免觸覺傳感單元在受到較大的接觸力時(shí)造成電容極板斷裂。
[0010]3)通過設(shè)計(jì)一個(gè)表面PDMS凸起對(duì)應(yīng)四個(gè)電容的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了三維力的檢測(cè)。
[0011]4)整個(gè)觸覺傳感單元的制造過程簡(jiǎn)單，且其對(duì)稱結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)多個(gè)觸覺傳感單元組合的陣列化。
[0012]本發(fā)明可在需要高靈敏度和大量程測(cè)量的機(jī)器人手、人工假肢、手術(shù)機(jī)械手等領(lǐng)域中推廣應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明分層結(jié)構(gòu)拆分立體圖。
[0014]圖2是本發(fā)明第二 PI電極襯底平面圖。
[0015]圖3是本發(fā)明電容極板層平面圖。
[0016]圖4是本發(fā)明三維力觸覺傳感單元剖面圖。
[0017]圖5是本發(fā)明三維力觸覺傳感單元立體圖。
[0018]圖中:1、表面PDMS凸起，2、第三塊PI電極襯底，3、正方形浮動(dòng)電極，4、正方形壓敏橡膠，5、PDMS支撐層，6、電容極板層，7、第二塊PI電極襯底，8、下層條狀電極，9、第一塊PI電極襯底，10、PI通孔，11、第一條上層條狀電極，12、八塊三角形電容極板，13、第二條上層條狀電極。

【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0020]如圖1、圖4、圖5所示，本發(fā)明三維力觸覺傳感單元從上至下依次由表面PDMS凸起1、第三塊PI電極襯底2、PDMS支撐層5、電容極板層6、第二塊PI電極襯底7和第一塊PI電極襯底9層疊而成；PDMS支撐層5框架內(nèi)的四個(gè)角分別裝有由正方形浮動(dòng)電極3和正方形壓敏橡膠4構(gòu)成的組件，四個(gè)組件尺寸相同，且不與PDMS支撐層5框架相接觸，所述每個(gè)組件中的正方形浮動(dòng)電極3下表面與正方形壓敏橡膠4上表面貼合，正方形浮動(dòng)電極3上表面與第三PI電極襯底2下表面貼合，正方形壓敏橡膠4與電容極板層6的距離為PDMS支撐層5厚度的二分之一。
[0021]如圖1、圖3所示，所述電容極板層6包括八塊三角形電容極板12和兩條上層條狀電極11、13 ;兩條上層條狀電極11、13相互絕緣且平行布置，第一、第二塊三角形電容極板的一直角邊分別與第一條上層條狀電極11電氣連通，第三、第四塊三角形電容極板的斜邊與第一、第二塊三角形電容極板的斜邊相向布置且之間存在間隙；第五、第六塊三角形電容極板的一直角邊分別與第二條上層條狀電極13電氣連通，第七、第八塊三角形電容極板的斜邊與第五、第六塊三角形電容極板的斜邊相向布置且之間存在間隙；電容極板層6貼合在第二塊PI電極襯底7上；每對(duì)斜邊相向布置的兩個(gè)三角形電容極板與各自的一個(gè)正方形浮動(dòng)極板3分別組成一個(gè)電容，共有四個(gè)電容。
[0022]如圖1、圖3所示，所述第一塊PI電極襯底9上表面分別設(shè)有兩條平行布置且相互絕緣的下層條狀電極；兩條下層條狀電極與電容極板層6上的兩條上層條狀電極正交布置；第三、第七塊三角形電容極板分別通過位于第二塊PI電極襯底7上的兩個(gè)PI通孔與第一塊PI電極襯底9上的一條下層條狀電極電氣連通；第四、第八塊三角形電容極板分別通過位于第二塊PI電極襯底7上的另外兩個(gè)PI通孔與第一塊PI電極襯底9上的另一條下層條狀電極電氣連通。
[0023]本發(fā)明的實(shí)施例中的觸覺傳感單元的總厚度約為1_、邊長(zhǎng)為4_的正方形，用本發(fā)明的觸覺傳感單元組成的觸覺傳感陣列的空間分辨率為4mm。
[0024]本發(fā)明的工作原理描述如下:
通過選通相應(yīng)的上層條狀電極11和下層條狀電極8，觸覺傳感單元中的電容被選通并連接到處理電路中。如圖4所示，當(dāng)觸覺傳感單元受到輕微外力作用時(shí)，正方形壓敏橡膠4與電容極板層6之間的間隙很容易被壓縮，造成正方形浮動(dòng)極板3和電容極板層6的距離變小，從而使電容值發(fā)生變化。通過測(cè)量四個(gè)電容的變化值，能計(jì)算得到所施加的輕微觸碰力的大小以及方向；若施加的外力變大，正方形壓敏橡膠4會(huì)碰到每對(duì)斜邊相向布置的兩個(gè)三角形電容極板，此時(shí)這兩個(gè)電容極板被正方形壓敏橡膠4電氣連接，檢測(cè)電路切換到電阻檢測(cè)模式，用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)極板之間電阻的變化。施加的外力越大，正方形壓敏橡膠4與兩個(gè)極板之間的接觸面積越大，電阻會(huì)越小。并且由于壓力的作用，正方形壓敏橡膠4本身的阻值也會(huì)變小。通過檢測(cè)電阻的變化，能獲得外力的大小和方向。當(dāng)外力的增大使得正方形壓敏橡膠4與電容極板層6之間的間隙已經(jīng)完全被壓縮，正方形壓敏橡膠4與電容極板層6的接觸面積已經(jīng)達(dá)到最大值，此時(shí)若外力繼續(xù)增大，正方形壓敏橡膠4在壓力的作用下其阻值繼續(xù)變小，使得測(cè)量大接觸力成為可能。
[0025]完成該基于電容與壓敏橡膠組合的三維力觸覺傳感單元的制作步驟如下:
(I)準(zhǔn)備3英寸的單拋硅片作為基底，在硅片上旋涂15 μ m厚的第一 PI電極襯底9，保溫固化。
[0026](2)在第一 PI電極襯底9上光刻條狀圖案，磁控濺射銅電極，形成下層條狀電極8。
[0027](3)在下層條狀電極8上旋涂10 μ m厚的第二 PI電極襯底，保溫固化，用二氧化碳激光儀在第二 PI電極襯底上打PI通孔10，使得下層條狀電極8通過PI通孔10將部分電極暴露在空氣中。
[0028](4)利用掩膜板磁控濺射電容極板層6，使得第三、第四、第七、第八三角形電容極板分別與各自的下層條狀電極8電氣連接。
[0029](5)使用模具預(yù)先制造好高度為100 μ m的PDMS支撐層5，對(duì)其表面進(jìn)行氧等離子活化后貼合在在電容極板層6和第二 PI電極襯底7上。
[0030](6)準(zhǔn)備3英寸的石英玻璃片作為基底，在其上旋涂15 μ m厚的第三PI電極襯底
2,保溫固化。
[0031](7)利用掩膜板在第三PI電極襯底2上濺射正方形浮動(dòng)電極3，在正方形浮動(dòng)電極3上粘貼厚度為50 μ m的正方形壓敏橡膠4。
[0032](8)正方形壓敏橡膠朝下，將第三PI電極襯底2與PDMS支撐層進(jìn)行粘貼。
[0033](9)如圖5所示，將用模具制造好的表面PDMS凸起粘貼在第三PI電極襯底2的上表面。
[0034]按照以上步驟，制造出來的傳感單元具有高靈敏度和大量程的特點(diǎn)，能應(yīng)用在智能假肢和智能機(jī)器人領(lǐng)域。
【權(quán)利要求】
1.基于電容與壓敏橡膠組合的三維力觸覺傳感單元，其特征在于:三維力觸覺傳感單元從上至下依次由表面PDMS凸起⑴、第三塊PI電極襯底⑵、PDMS支撐層(5)、電容極板層(6)、第二塊PI電極襯底(7)和第一塊PI電極襯底(9)層疊而成；PDMS支撐層(5)框架內(nèi)的四個(gè)角分別裝有由正方形浮動(dòng)電極(3)和正方形壓敏橡膠(4)構(gòu)成的組件，所述每個(gè)組件中的正方形浮動(dòng)電極(3)下表面與正方形壓敏橡膠(4)上表面貼合，正方形浮動(dòng)電極(3)上表面與第三PI電極襯底(2)下表面貼合，正方形壓敏橡膠(4)與電容極板層(6)的距離為PDMS支撐層(5)厚度的二分之一。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容與壓敏橡膠組合的三維力觸覺傳感單元，其特征在于:所述電容極板層(6)包括八塊三角形電容極板(12)和兩條上層條狀電極(11、13)；兩條上層條狀電極(11、13)相互絕緣且平行布置，第一、第二塊三角形電容極板的一直角邊分別與第一條上層條狀電極(11)電氣連通，第三、第四塊三角形電容極板的斜邊分別與第一、第二塊三角形電容極板的斜邊相向布置且之間存在間隙；第五、第六塊三角形電容極板的一直角邊分別與第二條上層條狀電極(13)電氣連通，第七、第八塊三角形電容極板的斜邊分別與第五、第六塊三角形電容極板的斜邊相向布置且之間存在間隙；電容極板層(6)貼合在第二塊PI電極襯底(7)上；每對(duì)斜邊相向布置的兩個(gè)三角形電容極板與各自的一個(gè)正方形浮動(dòng)極板(3)分別組成一個(gè)電容，共有四個(gè)電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電容與壓敏橡膠組合的三維力觸覺傳感單元，其特征在于:所述第一塊PI電極襯底(9)上表面分別設(shè)有兩條平行布置且相互絕緣的下層條狀電極；兩條下層條狀電極與電容極板層(6)上的兩條上層條狀電極正交布置；第三、第七塊三角形電容極板分別通過位于第二塊PI電極襯底(7)上的兩個(gè)PI通孔與第一塊PI電極襯底(9)上的一條下層條狀電極電氣連通；第四、第八塊三角形電容極板分別通過位于第二塊PI電極襯底(7)上的另外兩個(gè)PI通孔與第一塊PI電極襯底(9)上的另一條下層條狀電極電氣連通。
【文檔編號(hào)】G01L1/00GK104316224SQ201410610855
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月4日
【發(fā)明者】汪延成, 梁觀浩, 梅德慶, 席凱倫, 陳子辰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)