CN112067176A - 一种压电式柔性三维力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种压电式柔性三维力传感器，包括传感器单元，传感器单元包括由下而上的基底层、下电极结构层、压电式力敏感层、上电极结构层、凸起结构层，通过力作用下压电式力敏感层产生的电荷引起电压或电流的变化实现力的测量；所述的传感器单元的下电极结构层由四个电极组成，分别对凸起结构层底部四个区域的压电信号进行测量，上电极结构层作为公用电极层；所述的传感器单元呈阵列化设置，能够实现平面任意点上三维力的测量。
Description
技术领域
本发明涉及柔性三维力传感器技术领域，具体涉及一种压电式柔性三维力传感器。
背景技术
柔性三维力传感器是智能机器人获取外界夹持信息不可或缺的手段，同时还能用来实现仿生触觉信息的感知，用于医疗康复领域。通过对三维力的检测，可实现机器人对夹持物的重量、运动状态等参数的评估，因此研究出大量程、高精度的柔性三维力传感器，能够极大程度地提高机器人的智能化程度，同时柔性三维力传感器作为仿生触觉感知，可以应用于智能假肢等医疗康复领域，具有广泛的应用前景。
中国发明专利(公开号：CN 104215363 A)公开了一种基于压阻式柔性三维力传感器，力敏材料采用压敏导电橡胶制备，其测量精度取决于导电橡胶的力敏性能，并且压阻材料对于动态信号的测量存在迟滞。
目前大多数柔性力传感器只能实现一维力的测量，无法实现多维力的测量，而实现三维力的测量对于机器人等获取抓取物完整信息具有重要的意义，通过反馈、决策实现机器人对抓取物的稳定控制，并用于进一步感知被测物的弹性模量等参数。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种压电式柔性三维力传感器，实现三维力的测量。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种压电式柔性三维力传感器，包括传感器单元，传感器单元包括由下而上的基底层5、下电极结构层4、压电式力敏感层3、上电极结构层2、凸起结构层1，通过力作用下压电式力敏感层3产生的电荷引起电压或电流的变化实现力的测量；
所述的传感器单元的下电极结构层4由四个电极组成，分别对凸起结构层1底部四个区域的压电信号进行测量，上电极结构层2作为公用电极层；
所述的传感器单元的底部为正方形，边长在2-10mm之间，凸起结构层1上的削顶金字塔结构侧面的倾斜度在0-15度之间，高度为感器单元宽度的0.3-0.7倍。
所述的压电式力敏感层3与上电极结构层2、下电极结构层4之间贴合在一起，压电式力敏感层3通过静电纺丝技术制备，纺丝聚偏氟乙烯(PVDF)或PVDF-TrFE形成的纤维具有压电性，众多的纤维组成压电纤维薄膜。
所述的上电极结构层2、下电极结构层4采用溅射或蒸镀金技术，经剥离工艺完成制备，电极厚度为100nm。
所述的凸起结构层1和基底层5采用PDMS或PET柔性材料制备，基底层5厚度在100μm-1000μm。
所述的传感器单元呈阵列化设置，能够实现平面任意点上三维力的测量；凸起结构层1通过模具一次性浇筑成阵列化的凸起结构，阵列化传感器的压电式力敏感层3是通过静电纺丝制备的均匀整体薄膜。
所述的传感器单元阵列化后的下电极结构层4相同位置的电极通过引线进行每列串联接出引线，传感器单元阵列化后的上电极结构层2作为公用电极由位于同一行的电极串联接出引线。
本发明的有益效果是：
本发明基于压电效应的柔性三维力传感器可以实现三维力的测量，采用静电纺丝技术制备压电纤维薄膜作为压电敏感层，不需要再进一步外加高电压进行极化，压电性能优异，制备工艺简单。
采用压电材料作为敏感层，使得传感器具有优良的动态力测量性能，可实现低频至高频动态力的测量。
制备传感器的材料PDMS或PET以及敏感材料具有良好的柔性，传感器可以应用于曲面等复杂工况下实现力学量测量。
传感器凸起结构采用浇筑的方法制备，结构简单，易制备。
附图说明
图1是本发明传感器单元的轴测图。
图2是本发明传感器单元呈4x4阵列的示意图。
图3(a)是传感器单元的电极结构层4示意图，图3(b)是传感器单元的上电极结构层2示意图。
图4是阵列化传感器单元的上电极结构层2示意图。
图5是阵列化传感器单元的下电极结构层4示意图。
图6是传感器单元测试时信号输出示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种压电式柔性三维力传感器，包括传感器单元，传感器单元包括由下而上的基底层5、下电极结构层4、压电式力敏感层3、上电极结构层2、凸起结构层1，通过力作用下压电式力敏感层3产生的电荷引起电压或电流的变化实现力的测量。
所述的传感器单元的底部为正方形，边长在2-10mm之间，凸起结构层1上的削顶金字塔结构侧面的倾斜度在0-15度之间，高度为感器单元宽度的0.3-0.7倍。
如图2所示，所述的传感器单元经过阵列化扩展后呈4x4阵列化设置，能够实现该平面上平面任意点上三维力的测量。
如图3(a)所示，所述的传感器单元的下电极结构层4由四个第一电极4-1组成，四个第一电极4-1分别对凸起结构层1底部四个不同区域的压电信号进行测量，其中左侧两个第一电极4-1串联后和一对第一接口4-2连接；右侧两个第一电极4-1串联后和一对第一接口4-2连接，所有第一接口4-2和外部引线连接；如图3(b)所示，所述的传感器单元的上电极结构层2作为公用电极层，由第二电极2-1和第二接口2-2连接而成，第二接口2-2和外部引线连接。
如图4所示，图4是所述的传感器单元在进行阵列化后上电极结构层2的示意图，每一行的第二电极2-1串联后和一个第二接口2-2连接。
如图5所示，图5是所述的传感器单元阵列化后的下电极结构层4的示意图，其中每个传感器单元相对应的相同位置的第一电极4-1通过引线进行每列串联，然后接出到第一接口4-2。
所述的凸起结构层1采用浇筑的方式制备，将聚合物材料PDMS与固化剂按照10:1的比例混合，制备的凸起结构层1作为力的传递层。
所述的压电式力敏感层3与上电极结构层2、下电极结构层4之间贴合在一起，压电式力敏感层3通过静电纺丝技术制备，纺丝聚偏氟乙烯(PVDF)或PVDF-TrFE形成的纤维具有压电性，众多的纤维组成压电纤维薄膜，在力的作用下，引起压电纤维薄膜变形，从而产生电压或者电流的变化，通过测量电压或者电流的变化实现力的测量；所述的静电纺丝采用二甲基甲酰胺(DMF)与丙酮的混合溶液做为溶剂，PVDF溶液质量分数14％，纺丝时极板两端电压为15kV，极板距离为15cm，进给流量为5μL/min。
所述的上电极结构层2、下电极结构层4采用溅射或蒸镀金技术，经剥离工艺完成制备，电极厚度为100nm。
所述的基底层5采用PDMS或PET柔性材料制备，厚度在100μm-1000μm。
所述的传感器单元在进行阵列化扩展时，凸起结构层1通过模具一次性浇筑成阵列化的凸起结构，上电极层结构2和下电极层结构4分别采用剥离工艺制备成如图4和图5所示，阵列化传感器的压电式力敏感层3通过静电纺丝工艺制备的压电纤维薄膜，通过第一电极4-1对不同区域应变引起电荷量的变化的测量实现三维力的测量；为了保证传感器输出特性的一致性，阵列化传感器的压电式力敏感层3是通过静电纺丝制备的均匀整体薄膜。
本发明工作原理为：
凸起结构层1将水平力和法向力传递到压电式力敏感层3，在压电式力敏感层3的上下分布贴合着上电极结构层2和下电极结构层4，由于每个传感器单元的下电极结构层4分为四个电极区域，因此存在4个电压信号的输出，如图6所示；当仅存在法向力时，4个电极区域受到同等大小的应变，因此压电式力敏感层3的四个区域的电压输出相等，即V1＝V2＝V3＝V4；若在法向力作用的同时施加一个X正方向切向力作用时，底部四个区域受到的应变不同，因而压电式力敏感层3右侧区域输出的电压信号变大，而左侧输出的电压信号变小，即V2＝V4>V1＝V3，通过测量其差值可计算出X方向力的大小；相似的，可实现Y方向力的测量；对于空间三维力，可将其分解成水平力和法向力的作用，从而实现三维力的测量。
所述的压电式柔性三维力传感器的制备方法为：先制备好基底层5和凸起结构层1，然后分别在凸起结构层1和基底层5上制备上电极结构层2和下电极结构层4，在下电极层结构4上采用静电纺丝的形式进行电式力敏感层3的制备，制备完成后将带有上电极结构层2的凸起结构层1粘接在已经完成压电式力敏感层3制备的基底层5上，完成压电式柔性三维力传感器的制备。
Claims (6)
1.一种压电式柔性三维力传感器，包括传感器单元，其特征在于：传感器单元包括由下而上的基底层(5)、下电极结构层(4)、压电式力敏感层(3)、上电极结构层(2)、凸起结构层(1)，通过力作用下压电式力敏感层(3)产生的电荷引起电压或电流的变化实现力的测量；
所述的传感器单元的下电极结构层(4)由四个电极组成，分别对凸起结构层(1)底部四个区域的压电信号进行测量，上电极结构层(2)作为公用电极层；
所述的传感器单元的底部为正方形，边长在2-10mm之间，凸起结构层(1)上的削顶金字塔结构侧面的倾斜度在0-15度之间，高度为感器单元宽度的0.3-0.7倍。
2.根据权利要求1所述的一种压电式柔性三维力传感器，其特征在于：所述的压电式力敏感层(3)与上电极结构层(2)、下电极结构层(4)之间贴合在一起，压电式力敏感层(3)通过静电纺丝技术制备，纺丝聚偏氟乙烯(PVDF)或PVDF-TrFE形成的纤维具有压电性，众多的纤维组成压电纤维薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种压电式柔性三维力传感器，其特征在于：所述的上电极结构层(2)、下电极结构层(4)采用溅射或蒸镀金技术，经剥离工艺完成制备，电极厚度为100nm。
4.根据权利要求1所述的一种压电式柔性三维力传感器，其特征在于：所述的凸起结构层(1)和基底层(5)采用PDMS或PET柔性材料制备，基底层(5)厚度在100μm-1000μm。
5.根据权利要求1所述的一种压电式柔性三维力传感器，其特征在于：所述的传感器单元呈阵列化设置，能够实现平面任意点上三维力的测量；凸起结构层(1)通过模具一次性浇筑成阵列化的凸起结构，阵列化传感器的压电式力敏感层(3)是通过静电纺丝制备的均匀整体薄膜。
6.根据权利要求5所述的一种压电式柔性三维力传感器，其特征在于：所述的传感器单元阵列化后的下电极结构层(4)相同位置的电极通过引线进行每列串联接出引线，传感器单元阵列化后的上电极结构层(2)作为公用电极由位于同一行的电极串联接出引线。
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