CN108613758A - 一种基于零泊松比结构的电容式触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于零泊松比结构的电容式触觉传感器，包括上电极层、下电极层和位于两电极层之间的零泊松比结构介电层；所述零泊松比结构介电层由若干个元胞结构构成；所述元胞结构成阵列排列，顶层的元胞结构的上表面为一层平滑的柔性光敏树脂层，用于与上电极层连接；底层的元胞结构的下表面为一层平滑的柔性光敏树脂层，用于与下电极层连接；每个元胞结构的纵截面为凸字形结构，凸字形结构的下底面凹陷；元胞结构的外胞壁与竖直方向的夹角始终为α；传感器受到正压力的刺激时，由于α的值始终不变，使得垂直于载荷方向的横向应变始终为零，只产生载荷方向的应变，等效泊松比始终为零。

Description

一种基于零泊松比结构的电容式触觉传感器

技术领域

本发明涉及触觉传感器，具体是一种用于测量正压力的基于零泊松比结构的电容式触觉传感器。

背景技术

触觉传感器是机器人与外部环境直接作用的必需媒介。它可直接测量对象和环境的多种性质特征。随着人类生活的进步，机器人与人之间的合作越来越密切，对机器人的研究越来越深入，赋予其相应的视觉、触觉对实现机器人与人更好的协作有重要的意义。目前视觉相对来说发展已经成熟，但触觉的发展还在不断地研究发展中。触觉对实现机器人的智能化尤为重要，它会向机器人直接反映周边环境的各种信息。但是目前研究的触觉皮肤传感器，其主要功能是用来感受机械外力，并且缺乏柔性。

现有研究表明，在介电层中添加不同形式的微结构，在触觉刺激下的力学特性会提高触觉传感器的灵敏度。目前大多数采用的介电层材料都是聚二甲基硅氧烷(PDMS)，利用PDMS材料液态-固态转化特性，实现不同的结构制备。但PDMS材料作为电子皮肤介电层的生产原料，其柔软度不够。柔性光敏树脂打印出的介电层，柔软度更好。

申请号为201610644815.2的文献公开了一种三明治式柔性电容式压力传感器及其制备方法，该压力传感器加工制备方法复杂，同时采用多电极电容，会产生很高的信噪比，寄生电容的影响较大，并且采用绑定银浆的方法作为引线，加工工艺要求高，不易大规模加工。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于零泊松比结构的电容式触觉传感器。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于零泊松比结构的电容式触觉传感器，其特征在于该传感器包括上电极层、下电极层和位于两电极层之间的零泊松比结构介电层；所述零泊松比结构介电层由若干个元胞结构构成；所述元胞结构成阵列排列，顶层的元胞结构的上表面为一层平滑的柔性光敏树脂层，用于与上电极层连接；底层的元胞结构的下表面为一层平滑的柔性光敏树脂层，用于与下电极层连接；每个元胞结构的纵截面为凸字形结构，凸字形结构的下底面凹陷；元胞结构的外胞壁与竖直方向的夹角为定值；传感器受到正压力的刺激时，夹角的值始终不变。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、中间的介电层采用柔性光敏树脂，利用光固化技术打印而成，具有一定的柔软性，通过合理的结构设计，实现泊松比为零，在检测正压力时，减少了横向应变，避免横向应变对分析受力大小造成的误差，其力学特性会有效提高传感器的灵敏度，使压力最大限度的转换成电容，测量电容量更准确，提高了压力检测精度。

2、零泊松比结构的设计是由泊松比的定义ν＝-ει/ε来确定的，其中ν代表泊松比，定义为横向正应变ει与轴向正应变ε的绝对值比值。因此需要横向正应变为零，只有纵向应变，从而可以提高触觉传感器的检测精度与灵敏度。

3、该传感器的上下电极层与介电层为整体结构，减少了三层结构间密封接合不严所造成的测量误差。

附图说明

图1是本发明基于零泊松比结构的电容式触觉传感器一种实施例的整体结构示意图；

图2是本发明基于零泊松比结构的电容式触觉传感器一种实施例的介电层结构示意图；

图3是本发明基于零泊松比结构的电容式触觉传感器一种实施例的介电层的元胞结构轴测示意图；

图4是本发明基于零泊松比结构的电容式触觉传感器一种实施例的介电层的元胞结构主视示意图；

图5是本发明基于零泊松比结构的电容式触觉传感器一种实施例的介电层的元胞主视结构参数原理图；(图中：1、上电极层；2、零泊松比结构介电层；3、下电极层)；

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种基于零泊松比结构的电容式触觉传感器(参见图1-5，简称传感器)，用于测量正压力的大小，其特征在于该传感器包括上电极层1、下电极层3和位于两电极层之间的零泊松比结构介电层2；所述零泊松比结构介电层2由若干个元胞结构21构成；所述元胞结构21成阵列排列，顶层的元胞结构21的上表面为一层平滑的柔性光敏树脂层，用于与上电极层1通过丝网印刷技术连接；底层的元胞结构21的下表面为一层平滑的柔性光敏树脂层，用于与下电极层3通过丝网印刷技术连接；每个元胞结构21的纵截面为类似凸字形结构，凸字形结构的下底面凹陷；凸字形结构的上部与竖直方向的夹角始终为α，即元胞结构21的外胞壁与竖直方向的夹角始终为α，胞壁比例系数为K＝M/L(其中M表示内胞壁长度，L表示外胞壁长度，K为定值)；传感器受到正压力的刺激时，由于α的值始终不变，使得垂直于载荷方向的应变始终为零，即横向应变为零，使得传感器受到的载荷只产生载荷方向的应变，即压力可以完全转化为电容量的变化，满足等效泊松比始终为零。

将泊松比公式ν＝-ει/ε转换为只含有α和K的等效泊松比公式为：其中cosα>1/2K；当K≤0.5时，0<α<arcsinK；当K>0.5时，arccos(1/2k)<α<arcsinK；在此前提条件下，令K＝0.5、μ＝0带入等效泊松比公式，得到α＝27°(α取0-30°)；所以在此条件下，当α＝27°时，元胞结构的等效泊松比为0；

所述上电极层1和下电极层3均以柔性树脂为基底，在柔性基底上涂覆一层石墨烯导电膜，形成导电石墨烯电极；

所述零泊松比结构介电层2以柔性光敏树脂为原料，利用光固化技术3D打印得到等效泊松比为零的微结构。

所述传感器的厚度为5mm±1mm。

本发明基于零泊松比结构的电容式触觉传感器的工作原理和工作流程是：

当传感器受到正压力的刺激时，使得压缩产生的应变不断增大，上电极层1产生形变，零泊松比结构介电层2会发生形变，但是元胞结构21的结构特殊性使得既不会发生横向膨胀，也不会横向收缩，只会产生纵向的压缩，零泊松比结构介电层2的等效泊松比为零，并且上电极层1与下电极层3之间的距离发生改变，由于零泊松比结构介电层2的材料采用柔性树脂，其弹性模量是恒定的，所以产生的形变与压力成正比。由电容式触觉传感器的原理可知，平行极板之间的距离会影响电容的改变，从而可以将压力变化转换为电容的变化，通过测量电容变化来确定压力的大小。在外部检测电路采集电容信号时，由于上电极层1与下电极层3之间的距离发生改变，电容量就会随之改变，从而检测到压力的变化。

实验时，将20g的砝码放置在传感器上，通过导线引出电极，连接在NI公司的工控机的数据采集卡的接线端子上，在Labview环境中进行程序控制，通过数据采集卡来实现对电容信号的采集。利用数显拉压力试验机对传感器施加正压力，并且将采集到的电容量与压力进行标定，从而实现对压力的检测。所述传感器的大小为100*100*5mm，数据采集卡的型号为NI PXI-6251，工控机的型号为NI PXIe-1065，数显拉压力试验机的型号为ZQ-21B-1。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种基于零泊松比结构的电容式触觉传感器，其特征在于该传感器包括上电极层、下电极层和位于两电极层之间的零泊松比结构介电层；所述零泊松比结构介电层由若干个元胞结构构成；所述元胞结构成阵列排列，顶层的元胞结构的上表面为一层平滑的柔性光敏树脂层，用于与上电极层连接；底层的元胞结构的下表面为一层平滑的柔性光敏树脂层，用于与下电极层连接；每个元胞结构的纵截面为凸字形结构，凸字形结构的下底面凹陷；元胞结构的外胞壁与竖直方向的夹角为定值；传感器受到正压力的刺激时，夹角的值始终不变。

2.根据权利要求1所述的基于零泊松比结构的电容式触觉传感器，其特征在于将泊松比公式ν＝-ει/ε转换为只含有α和K的等效泊松比公式为：其中胞壁比例系数K＝M/L，M表示内胞壁长度，L表示外胞壁长度，K为定值；cosα>1/2K；当K≤0.5时，0<α<arcsinK；当K>0.5时，arccos(1/2k)<α<arcsinK；在此前提条件下，令K＝0.5、μ＝0带入等效泊松比公式，得到α＝27°；所以在此条件下，当α＝27°时，等效泊松比为0。

3.根据权利要求1所述的基于零泊松比结构的电容式触觉传感器，其特征在于所述上电极层和下电极层均以柔性树脂为基底，在柔性基底上涂覆一层石墨烯导电膜，形成导电石墨烯电极。

4.根据权利要求1所述的基于零泊松比结构的电容式触觉传感器，其特征在于所述零泊松比结构介电层以柔性光敏树脂为原料，利用光固化技术3D打印得到等效泊松比为零的微结构。

5.根据权利要求1所述的基于零泊松比结构的电容式触觉传感器，其特征在于所述传感器的厚度为5mm±1mm。