CN106706176A - 具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器。由从上至下依次的指纹状表面微凸起、上层电容电极基底、上层电容电极、二维正弦微凸起介电层、下层电容电极和下层电容电极基底层叠而成，指纹状表面微凸起用于接收外部力刺激，上、下层电容电极基底作为结构支撑，上、下层电容电极上的电极极片串联方向呈正交布置，并与二维正弦微凸起介电层三者共同构成传感器的电容主体，在指纹状表面微凸起上表面受到外部力刺激后，通过电容主体感测电容变化并转换获得受力的大小、方向。本发明解决了传感器对于多维力的高灵敏度实时检测问题，可在对灵敏度要求高的人工假肢、手术机械手等领域应用。
Description
技术领域
本发明涉及柔性触觉传感器，尤其是涉及了一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器。
技术背景
为了使机器人的工作和行为能力尽可能接近人类，能够和人类协同工作，除了需要更精确的运动和操作控制，还需要一套与人类接近的识别感知***。通常，机器人的控制主要是通过机械部件的空间位置信息或者加之以一定的图像识别信息的不断反馈来完成的。而触觉传感器的出现使其在原有的基础上增加了机械部件与外界环境的接触信息，使得机械部件与控制程序之间的相互反馈更加完善。同时，触觉传感器也在人类和机器人之间搭起了新的人机接口。可见触觉传感器的研究不可或缺。智能假肢是触觉传感器应用的一大领域。传统的假肢对于触觉感知能力的缺失，使其康复效果和残疾修复能力大打折扣。因此触觉传感器对于假肢的触觉感知***建立具有重大的意义。触觉传感器的引入，可使人工假肢成为患者身体的一部分，在假肢与患者、假肢与环境之间搭建有效的信息交互的渠道，为患者建立触觉感知能力，实现人工假肢的仿生化、智能化。同时，触觉传感器可为手术机械手提供高灵敏度的触觉感知，在微创手术中能够发挥巨大的作用。
目前，触觉传感器可以根据其传感机制分为以下几种：电阻式、电容式、压电式、光学式及其他形式的传感器，其中电容式触觉传感器因其良好的灵敏度与空间分辨率、受温度影响小的特点得到了广泛的关注。
现有触觉传感器虽种类繁多，但在灵敏度上还未达到微小力精密检测的要求，因此，设计一种具有高灵敏度的传感器十分重要。
发明内容
为了弥补现有技术中的缺失，本发明的目的在于提供一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器，具有高灵敏度特点。
本发明采用的技术方案是：
本发明的电容式触觉传感器主要是由从上至下依次的指纹状表面微凸起、上层电容电极基底、上层电容电极、二维正弦微凸起介电层、下层电容电极和下层电容电极基底紧密层叠而成，具备多维力测量能力。其中，指纹状表面微凸起用于接收外部力刺激，上层电容电极基底、下层电容电极基底作为结构支撑，上层电容电极与下层电容电极上的电极极片串联方向呈正交布置，并与二维正弦微凸起介电层三者共同构成传感器的电容主体，在指纹状表面微凸起上表面受到外部力刺激后，通过电容主体感测为电容变化，并进而通过电容变化转换获得所受力的大小、方向。
所述上层指纹状表面微凸起、电容电极基底、二维正弦微凸起介电层、下层电容电极基底均采用具备良好柔性的材料，具体可采用有机聚合物制造。
所述微凸起介电层为具有二维正交正弦波形貌上表面的柔性薄膜，单个凸起高度6～10μm，宽度65～75μm，介电层的平均厚度55～60μm，使得能增强传感器对于多维力检测的灵敏度。二维正交正弦波形貌上表面是指上表面沿相正交的两个方向的截面均为正弦波形状。
所述的指纹状表面微凸起上表面具有与人手指尖皮肤相近的纹理形貌，单个凸起高度3～5μm，宽度65～75μm，微凸起层的平均厚度45～50μm，使得能接收外部力刺激并改善受力情况。
所述上层电容电极与下层电容电极均由多片电极极片间隔阵列排布而成，上层电容电极电极极片的阵列排布方式和下层电容电极电极极片的阵列排布方式相同，使得上层电容电极每一片电极极片与其正下方的下层电容电极一片电极极片相对应形成一平板电容；所有电极极片以相同列方向相串联的方式或者相同行方向相串联的方式相连接而分为多条电极极板，上层电容电极的电极极片串联方向与下层电容电极的电极极片串联方向相正交(相垂直)。
具体实施中，每条电极极板的端部均连接到外部的信号采集器件中，在上层电容电极与下层电容电极的每条电极极板的中间作断开处理，使得原先每条电极极板分为两条电极极板，由四角的四个区域将上层电容电极与下层电容电极的所有电极极板均分为四个部分，从而即将上层电容电极与下层电容电极之间形成的所有平板电容分为四个部分，每个部分均连接到一个外部信号采集器件来遍历采集电容值，以此提高采集的效率。
所述上层电容电极与下层电容电极在行方向和列方向上的平板电容的数量均相同，均包含N行×N列个平板电容，并以每2行×2列个平板电容形成一个多维力检测单元，多维力检测单元受到外部力刺激后，其中的四个平板电容的电容值发生变化，根据电容值的变化转换为所受力的大小和方向，从而将外部力刺激引发的电容变化转换为受力信息，实现触觉传感检测。
本发明具有的有益效果是：
(1)利用电容式触觉传感器本身良好的灵敏特性与高柔性二维正弦微凸起介电层相结合，使触觉传感器具有高灵敏度，解决了传感器对于多维力的高灵敏度实时检测问题，可在对灵敏度要求高的人工假肢、手术机械手等领域应用。
(2)采用具有与人手指尖皮肤相似纹理形貌的传感器表面微凸起，改善传感器受外部力刺激时的受力情况。
(3)以2行×2列个电容作为一个多维力检测单元，将4个电容的变化转换为所受外力的大小和方向。
(4)电容式触觉传感器采用高柔性有机聚合物制造，使传感器具备良好的柔性，对曲面装载具有良好的适应性。
附图说明
图1是本发明分层结构拆分立体图。
图2是本发明指纹状表面微凸起立体图。
图3是本发明二维正弦微凸起介电层立体图。
图4是本发明上电容电极平面图及多维力检测单元分区图。
图5是本发明下电容电极平面图及多维力检测单元分区图。
图6是本发明上、下层电容电极布置立体图。
图7是本发明单个多维力检测单元及检测原理立体图。
图8是本发明最终形成的电容式触觉传感器的剖面图。
图9是本发明最终形成的电容式触觉传感器的立体图。
图中：1、指纹状表面微凸起，2、上层电容电极基底，3、上层电容电极，4、二维正弦微凸起介电层，5、下层电容电极，6、下层电容电极基底，7、多维力检测单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图8、图9所示，本发明的电容式触觉传感器主要是由从上至下依次的指纹状表面微凸起1、上层电容电极基底2、上层电容电极3、二维正弦微凸起介电层4、下层电容电极5和下层电容电极基底6紧密层叠而成，具备多维力测量能力。
其中如图1所示，指纹状表面微凸起1用于接收外部力刺激，上层电容电极基底2、下层电容电极基底6作为结构支撑，上层电容电极3与下层电容电极5上的电极极片串联方向呈正交布置，并与二维正弦微凸起介电层4三者共同构成传感器的电容主体，在指纹状表面微凸起1上表面受到外部力刺激后，通过电容主体感测为电容变化，并进而通过电容变化转换获得所受力的大小、方向。
如图3所示，微凸起介电层4为具有二维正交正弦波形貌上表面的柔性薄膜。如图2所示，指纹状表面微凸起1上表面具有与人手指尖皮肤相近的纹理形貌。图2中的指纹状表面微凸起的上表面仅是示意，实际的指纹状表面微凸起1上表面应是不规则的形态。
如图4、图5所示，上层电容电极3与下层电容电极5均由多片电极极片间隔阵列排布而成，上层电容电极3电极极片的阵列排布方式和下层电容电极5电极极片的阵列排布方式相同，使得上层电容电极3每一片电极极片与其正下方的下层电容电极5一片电极极片相对应形成一平板电容；所有电极极片以相同列方向相串联的方式或者相同行方向相串联的方式相连接而分为多条电极极板，上层电容电极3的电极极片串联方向与下层电容电极5的电极极片串联方向相正交(相垂直)。例如上层电容电极3的电极极片以相同列相串联的方式布置连接，则下层电容电极5的电极极片以相同行相串联的方式布置连接。反之同理。
如图4-6所示，上层电容电极3与下层电容电极5在行方向和列方向上的平板电容的数量均相同，图中均包含以12行×12列为例，并以每2行×2列个平板电容形成一个多维力检测单元7，多维力检测单元7受到外部力刺激后，其中的四个平板电容的电容值发生变化，根据电容值的变化转换为所受力的大小和方向，从而将外部力刺激引发的电容变化转换为受力信息，实现触觉传感检测。
如图6所示，具体实施中，每条电极极板的端部均连接到外部的信号采集器件中，在上层电容电极3与下层电容电极5的每条电极极板的中间作断开处理，使得原先每条电极极板分为两条电极极板，由四角的四个区域将上层电容电极3与下层电容电极5的所有电极极板均分为四个部分，从而即将上层电容电极3与下层电容电极5之间形成的所有平板电容分为四个部分，每个部分均连接到一个外部信号采集器件来遍历采集电容值，以此提高采集的效率。
本发明的工作原理描述如下：
通过控制电路选通相应的上层电容电极3、下层电容电极5，触觉传感器中的一个电容被选通接入电容检测电路中，并屏蔽其余电容。如图8、图9所示，当触觉传感器受到外力作用时，传感器受压而使上层电容电极3、下层电容电极5的间距变小，电容值增大。如图7所示，通过测量一个多维力检测单元7中4个电容的变化，可以得到这个单元所受外力的大小和方向。多维力检测单元7受到外力F作用时，可将F分解为三个正交方向上的力：法向力Fz，切向力Fx，切向力Fy。法向力Fz使多维力检测单元7内的四个电容均受压，且电极间距减小量相同；切向力Fx使四个电容中，位于切向力方向上一侧的两个电容受压，且电极间距减小量相同，另外两个电容受拉，电极间距增加量相同；切向力Fy则同理。通过控制电路对传感器中的电容进行高速逐个扫描，随后经由检测电路测量每一个电容的值，即可将整个传感器中各个多维力检测单元7的受力情况检测出来。
本发明的实施例如下：
完成该具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器的制作步骤如下：
(1)采用MEMS微纳制造工艺制造上、下层电容电极与基底。其中，基底采用25μm厚的PET薄膜制造，上、下层电容极板以铜为材料通过磁控溅射工艺制造。
(2)采用PEGDA材料，利用3D打印技术制造二维正弦微凸起介电层与指纹状表面微凸起。
(3)如图9所示，将制造好的各层粘贴装配为触觉传感器。经检测，传感器灵敏度为0.03％/mN。
本发明的实施例中的触觉传感器各参数为：总厚度约为200μm、边长为10mm的正方形，单个电容为边长500μm的正方形，多维力检测单元空间分辨率为800μm。微凸起介电层4中，单个凸起高度为6～10μm，宽度为65～75μm，介电层的平均厚度为45～50μm。指纹状表面微凸起1中，单个凸起高度为3～5μm，宽度为65～75μm，微凸起层的平均厚度为55～60μm。
实施例按照以上步骤，制造出来的触觉传感器的灵敏度达到0.03％/mN，具有高灵敏度、高柔性的特点，对于人体智能假肢触觉感知建立具有重大的意义。
本发明的触觉传感器能用作机器人的“柔性触觉敏感皮肤”，增强其在各种环境下完成精细、复杂作业的能力，大大提高机器人的智能化程度。在生物医疗方面，触觉传感器可应用于高精度外科手术机器人和微创手术智能器械领域。
Claims (7)
1.一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器，其特征在于：所述电容式触觉传感器主要是由从上至下依次的指纹状表面微凸起(1)、上层电容电极基底(2)、上层电容电极(3)、二维正弦微凸起介电层(4)、下层电容电极(5)和下层电容电极基底(6)紧密层叠而成，指纹状表面微凸起(1)用于接收外部力刺激，上层电容电极基底(2)、下层电容电极基底(6)作为结构支撑，上层电容电极(3)与下层电容电极(5)上的电极极片串联方向呈正交布置，并与二维正弦微凸起介电层(4)三者共同构成传感器的电容主体，在指纹状表面微凸起(1)上表面受到外部力刺激后，通过电容主体感测为电容变化，进而转换获得所受力的大小、方向。
2.根据权利要求1所述的一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器，其特征在于：所述上层指纹状表面微凸起(1)、电容电极基底(2)、二维正弦微凸起介电层(4)、下层电容电极基底(6)均采用具备良好柔性的材料。
3.根据权利要求1所述的一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器，其特征在于：所述微凸起介电层(4)为具有二维正交正弦波形貌上表面的柔性薄膜，单个凸起高度6～10μm，宽度65～75μm，介电层的平均厚度55～60μm，使得能增强传感器对于多维力检测的灵敏度。
4.根据权利要求1所述的一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器，其特征在于：所述的指纹状表面微凸起(1)上表面具有与人手指尖皮肤相近的纹理形貌，单个凸起高度3～5μm，宽度65～75μm，微凸起层的平均厚度45～50μm，使得能接收外部力刺激并改善受力情况。
5.根据权利要求1所述的一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器，其特征在于：所述上层电容电极(3)与下层电容电极(5)均由多片电极极片间隔阵列排布而成，上层电容电极(3)电极极片的阵列排布方式和下层电容电极(5)电极极片的阵列排布方式相同，使得上层电容电极(3)每一片电极极片与其正下方的下层电容电极(5)一片电极极片相对应形成一平板电容；所有电极极片以相同列方向相串联的方式或者相同行方向相串联的方式分为多条电极极板，上层电容电极(3)的电极极片串联方向与下层电容电极(5)的电极极片串联方向相正交。
6.根据权利要求1所述的一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器，其特征在于：每条电极极板的端部均连接到外部的信号采集器件中，在上层电容电极(3)与下层电容电极(5)的每条电极极板的中间作断开处理，使得原先每条电极极板分为两条电极极板，由四角的四个区域将上层电容电极(3)与下层电容电极(5)的所有电极极板均分为四个部分，每个部分均连接到一个外部信号采集器件来遍历采集电容值。
7.根据权利要求1所述的一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器，其特征在于：所述上层电容电极(3)与下层电容电极(5)在行方向和列方向上的平板电容的数量均相同，并以每2行×2列个平板电容形成一个多维力检测单元(7)，多维力检测单元(7)受到外部力刺激后，其中的四个平板电容的电容值发生变化，根据电容值的变化转换为所受力的大小和方向，实现触觉传感检测。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |