一種全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于人工智能皮膚的電容-電阻雙模式柔性接近覺傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]接近覺傳感器在機(jī)器人中具有很重要的應(yīng)用價(jià)值，機(jī)器人依靠接近覺傳感器可以精確的感知外部信息，實(shí)現(xiàn)與外界環(huán)境的良好互動。測量距離在零點(diǎn)幾個(gè)毫米到幾十毫米范圍之內(nèi)的為接近覺傳感器，它們的作用介于觸覺和視覺之間，而且很多情況下都能很好地補(bǔ)充觸覺和視覺的不足。接近覺傳感器在智能機(jī)器人中發(fā)揮著重要作用，如實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別、定位、跟蹤及運(yùn)動中的避障等等。機(jī)器人通過接近覺傳感器可以感知與對象物體之間的接近程度，從而可以完成無破壞接近、避免碰撞以及實(shí)現(xiàn)軟抓取的一系列動作，它相比較視覺系統(tǒng)以及觸覺系統(tǒng)來說更為簡單，應(yīng)用也比較廣泛。
[0003]目前，接近感知可以通過多種不同類型的接近傳感器實(shí)現(xiàn)。Chang等設(shè)計(jì)了一種具有三層夾心結(jié)構(gòu)的石英晶體振蕩式接近傳感器，它的接近感知效果優(yōu)于電容式接近傳感器。Bartsch等研宄并開發(fā)了一種適用于惡劣環(huán)境下作業(yè)的低功耗渦流式接近覺傳感器。Fericean等針對工業(yè)中微波式接近覺傳感器的應(yīng)用進(jìn)行了研宄，改進(jìn)了其硬件電路。Um D等設(shè)計(jì)了為了實(shí)現(xiàn)對于物體的三維立體形狀的感知，通過優(yōu)化紅外式接近覺傳感器陣列的交叉式排布，該種新型陣列排布的方式可以用于智能機(jī)器人。Goeger等利用電容式感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)的新型結(jié)構(gòu)雙模式電容式接近覺傳感器，可用于機(jī)器人機(jī)械手判別接近信息，它不僅利用電容原理測量接近信息，而且還可以測量觸覺信息。潘偉等利用了紅外反射光強(qiáng)原理研制了一種采用紅外對管作為接近覺探頭的抗干擾接近傳感器實(shí)現(xiàn)接近感知。Heng-TzeCheng等人研制出了一種準(zhǔn)確率可以達(dá)到98%的新式基于紅外式接近覺傳感器的非接觸式手勢識別系統(tǒng)，其主要方法是通過利用新型的信號提取，再通過二叉決策樹進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控、識別和分類對象的三維手勢。上述接近覺傳感器的研宄并非面向機(jī)器人皮膚應(yīng)用，對于機(jī)器人皮膚所要求的柔性、規(guī)模集成性、模塊化、安全性和魯棒性等都不能很好滿足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有接近覺傳感器所存在的不足之處，提供一種全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器，旨在提供一種用于智能機(jī)器人人工敏感皮膚的全柔性、靈敏度高、性能穩(wěn)定、制備工藝簡單、易于陣列化的電容-電阻雙模式接近覺傳感器。
[0005]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器，其特點(diǎn)在于:所述全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器是在一柔性基底上間隔設(shè)置有電容式接近覺傳感器和電阻式接近覺傳感器，以所述電容式接近覺傳感器和電阻式接近覺傳感器分段協(xié)同感知物體接近信息;
[0007]所述電容式接近覺傳感器是在柔性基底的上表面設(shè)置有柔性導(dǎo)電雙電極，在所述柔性基底的下表面、位于所述柔性導(dǎo)電雙電極的正下方設(shè)置有用于作為屏蔽層的柔性導(dǎo)電電極層；
[0008]所述電阻式接近覺傳感器是在柔性基底的上表面、間隔所述柔性導(dǎo)電雙電極設(shè)置有柔性導(dǎo)電叉指電極，在所述柔性導(dǎo)電叉指電極上表面覆蓋有溫度敏感薄膜；
[0009]在所述柔性導(dǎo)電雙電極的外圍環(huán)設(shè)有環(huán)形屏蔽電極，所述柔性環(huán)形導(dǎo)電電極用于屏蔽所述柔性導(dǎo)電叉指電極對所述柔性導(dǎo)電雙電極的影響。
[0010]本發(fā)明全柔性電容-電阻式接近覺覺傳感器，其特點(diǎn)也在于:所述溫度敏感薄膜以石墨烯納米片為材質(zhì)。所述柔性基底以聚酰亞胺為材質(zhì)。
[0011]本發(fā)明全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器的引線設(shè)計(jì)在同一聚酰亞胺柔性基底，可靈活進(jìn)行電極布線，便于陣列化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0012]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
[0013]1、本發(fā)明全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器同時(shí)利用電容與電阻雙模式分段協(xié)同檢測接近信息，提高了傳感器的精確度；與其它接近覺傳感器相比，本發(fā)明的全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器利用電容、電阻在檢測物體接近上各自存在的優(yōu)缺點(diǎn)，協(xié)同檢測接近覺信息，不僅擴(kuò)大接近覺量程，還提高了所在量程范圍內(nèi)的精確度。
[0014]2、本發(fā)明全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器以聚酰亞胺為基底，其所有結(jié)構(gòu)均具有很好的柔性，傳感器可實(shí)現(xiàn)彎曲變形，能可靠地貼合在機(jī)器人皮膚上，實(shí)現(xiàn)對接近信息的檢測，提高了其表面適應(yīng)性。
[0015]3、本發(fā)明全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器制備工藝簡單，易于陣列化；與其它接近覺傳感器相比，本發(fā)明的全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器所有引線都設(shè)計(jì)在同一柔性基底，解決了陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)引線繁瑣、不美觀、不易維護(hù)等難題；同時(shí)，在聚酰亞胺柔性基底上將本發(fā)明全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器陣列排成結(jié)構(gòu)，并在陣列周圍預(yù)留可拼接式陣列擴(kuò)展接口，可通過FPC軟排線較靈活地拼接成不同大小與形狀的敏感“皮膚”，具備可穿戴行、可拓展性、可移植性及易維護(hù)等特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器的垂直剖面結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖2是本發(fā)明全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器的拆分立體圖；
[0018]圖3是60°C的塑料塊接近本發(fā)明全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器時(shí)，其電容、電阻值與接近距離關(guān)系；
[0019]圖4是30°C的鋁塊接近本發(fā)明全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器時(shí)，其電容、電阻值與接近距離關(guān)系；
[0020]圖5是本發(fā)明全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖6是本發(fā)明全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器的陣列引線示意圖；
[0022]圖中標(biāo)號:1溫度敏感薄膜；2柔性導(dǎo)電叉指電極；3柔性環(huán)形導(dǎo)電電極；4柔性導(dǎo)電雙電極；5柔性基底；6柔性導(dǎo)電電極層；7硅橡膠；8導(dǎo)電銀膠；9電容-電阻雙模式接近覺傳感器單元；10可拼接式陣列擴(kuò)展插座；11電容信號第一行掃描線；12電容信號第一列掃描線；13電阻信號第一行掃描線；14電阻信號第一列掃描線；15通孔。
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1所示，本實(shí)施例全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器的結(jié)構(gòu)為:在一柔性基底5上間隔設(shè)置有電容式接近覺傳感器和電阻式接近覺傳感器，以電容式接近覺傳感器和電阻式接近覺傳感器分段協(xié)同感知物體接近信息；
[0024]電容式接近覺傳感器是在柔性基底5的上表面設(shè)置有柔性導(dǎo)電雙電極4，在柔性基底5的下表面、位于柔性導(dǎo)電雙電極4的正下方設(shè)置有用于作為屏蔽層的柔性導(dǎo)電電極層6 ；
[0025]電阻式接近覺傳感器是在柔性基底5的上表面、與柔性導(dǎo)電雙電極4間隔設(shè)置有柔性導(dǎo)電叉指電極2，在柔性導(dǎo)電叉指電極2上表面覆蓋有溫度敏感薄膜I ;
[0026]在柔性導(dǎo)電雙電極4的外圍環(huán)設(shè)有柔性環(huán)形導(dǎo)電電極3，柔性環(huán)形導(dǎo)電電極3用于屏蔽柔性導(dǎo)電叉指電極2對柔性導(dǎo)電雙電極4的影響。柔性導(dǎo)電電極層6將柔性導(dǎo)電雙電極4非接近的一側(cè)屏蔽，消除該側(cè)對電容檢測的影響，提高接近檢測的精確度。
[0027]基于柔性印刷電路板(FPCB)技術(shù)，柔性基底5選用聚酰亞胺，柔性導(dǎo)電雙電極4、柔性環(huán)形導(dǎo)電電極3與柔性導(dǎo)電叉指電極2均在柔性基底5的頂層并開窗處理，柔性導(dǎo)電電極層即屏蔽層6在柔性基底5的底層并開窗處理，分別如圖2中柔性導(dǎo)電雙電極4、柔性環(huán)形導(dǎo)電電極3和柔性導(dǎo)電叉指電極2、柔性導(dǎo)電電極層6所示。
[0028]溫度敏感薄膜I選用成都有機(jī)化學(xué)有限公司的石墨烯納米片，作為全柔性電容-電阻雙模式接近覺傳感器中電阻式接近敏感材料，其厚度在4-20nm，直徑為5_10 μ m，層數(shù)小于30層。
[0029]導(dǎo)電銀膠8選用南京喜力特膠粘劑有限公司的YC-02型有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠，YC-02型有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠甲、乙組分按質(zhì)量比10:1均勻混合后室溫下可自行固化，且固化后具有良好的導(dǎo)電性、可拉伸性及柔軟性等優(yōu)點(diǎn)。
[0030]電阻式接近覺傳感器制作過程如圖2所示:取一定量的石墨烯納米片粉末倒入適量石腦油，先通過機(jī)械攪拌30分鐘再用超聲處理2小時(shí)得到分散性良好的懸濁液。然后在柔性導(dǎo)電叉指電極表面涂上導(dǎo)電銀膠8、柔性導(dǎo)電叉指電極的指間部分(即絕緣部分)涂上硅橡膠7作為粘