多功能柔性觸覺傳感器的製作方法

2023-08-03 12:29:56 4

專利名稱：多功能柔性觸覺傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於傳感技術領域，更具體地說是一種應用於機器人的多功能柔性觸覺傳感器。
背景技術：
觸覺是生物體與外界物體直接接觸時的重要感覺，通過觸覺可獲知目標物體的多種物理信息，如接觸力的大小、柔軟性、硬度、彈性、粗糙度、溫度和溼度等多種感覺信息。觸覺傳感器是智慧機器人感知外部各種信息的重要手段。多功能觸覺傳感器擁有多種傳感器和多信息處理技術，以便獲得比單一傳感器更多的觸覺信息。隨著機器人開始進入人類的日常生活，會要求其具有與人類一樣的多種感知能力，研究安全自然的機器人多功能觸覺傳感器就顯得尤為重要。特別是對有迫切需求的仿生和服務機器人來說，要求機器人配備足夠柔軟的高精度、高解析度、且能任意分布的多功能觸覺傳感器陣列，使機器人能夠準確地感知壓力、溫度等觸覺信息，實現安全和靈巧的人類與機器人的互動。具有柔性化和多觸覺信息檢測的傳感器在許多接觸測量場合，如人體健康、體育訓練、康復醫療、生物力學、娛樂和安全等諸多領域均有廣泛應用前景。實現多種檢測功能的柔性觸覺傳感器是目前國際上研究的熱點。其實現的途徑大多是利用各種剛性的觸覺敏感元件，依賴柔性的組織結構組合而成，或利用柔性材料作為傳遞觸覺信息的媒介。臺灣大學的Y. "J. Yang等給出了一種32X32溫度/觸覺傳感器陣列的製作方法及應用，溫度傳感單元採用微電子技術製作的，不同類型傳感單元布置在電路基板的正反面，傳感器觸覺單元可以實現單維力的測量。美國伊利諾斯州大學Jonathan Engel等人利用微電子機械系統(MEMQ製作工藝，將識別材質、溫度、力和硬度等材料特性的獨立傳感器件分布在聚合物內部，製備可識別物體性能的柔性多功能觸覺敏感系統。分析國內外研究狀況可知，目前的研究在多功能觸覺傳感器的柔軟性和多信息檢測的兼容性及檢測信息的穩定性方面尚存在一定的問題。利用微電子技術製作的矽壓阻、 矽溫度等敏感單元含有極易破碎的矽膜片，即使植入到聚合物的保護層內，也不能保證在機器人和操作物體之間的可靠性，表面適應性較差，使得觸覺傳感器在柔性化和連續、大面積的測量壓力和溫度信息上受到一定的限制。從國內外研究狀況可知，目前尚無檢測溫度和三維力的柔性多功能觸覺傳感器的相關報導。

發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種表面適應性好、三維力測量可靠性高、力學和溫度信息交叉幹擾小的全柔性多功能柔性觸覺傳感器。本發明為解決技術問題採用如下技術方案本發明多功能柔性觸覺傳感器的結構特點是以柔性聚醯亞胺電路板為基底，在所述基底上分別設置三維力傳感單元陣列和溫度傳感單元陣列，所述三維力傳感單元陣列中各三維力傳感單元和溫度傳感單元陣列中各溫度傳感單元相互間隔排布；並且所述各溫度傳感單元的表面高度低於各三維力傳感單元的表面高度，形成整體呈凹凸面的分布形式。本發明多功能柔性觸覺傳感器的結構特點也在於所述三維力傳感單元是以炭黑填充矽橡膠作為壓力敏感材料，所述溫度傳感單元是以碳纖維填充矽橡膠作為溫度敏感材料。所述溫度傳感單元採用叉指電極，所述三維力傳感單元設置為四扇面電極，所述四扇面電極是以公共電極為中心，四個大小和形狀均相同的扇面電極在公共電極的外圍互成90°，並與公共電極同心，四個扇面電極各自獨立設置信號引出線。與已有技術相比，本發明有益效果體現在1、本發明在同一片基底上共同設置三維力傳感單元陣列和溫度傳感單元陣列，使得傳感器能同時實現三維力的傳感和溫度傳感，實現觸覺傳感器多種功能；2、本發明中傳感器陣列不同功能單元的高度不同，可以大幅度減小溫度和三維力信息的交叉幹擾，提高溫度測量的準確性；3、本發明中的基底、壓力敏感材料和溫度敏感材料均為彈性材料，允許傳感器陣列實現彎曲變形，使整個觸覺傳感器能夠很好地應用在各種曲面中；4、本發明中三維力傳感單元設置為四扇面電極，其相對於三扇面電極具有更好的平面對稱性和更多的取樣電阻分量，可以有效提高三維力信息的測量精度及穩定性。


圖1為本發明平面分布示意圖；圖2為本發明結構示意圖；圖3(a)為本發明三維力傳感單元電極結構示意圖；圖3(b)為本發明三維力傳感單元等效電阻示意圖；圖4(a)為本發明溫度傳感單元電極結構示意圖；圖4(b)為本發明溫度傳感單元等效電阻示意圖。
具體實施例方式參見圖1、圖2，本實施例是以柔性聚醯亞胺電路板為基底1，在基底1上分別設置三維力傳感單元陣列和溫度傳感單元陣列，三維力傳感單元陣列中各三維力傳感單元2和溫度傳感單元陣列中各溫度傳感單元3相互間隔排布；並且各溫度傳感單元3的表面高度低於各三維力傳感單元2的表面高度，形成整體呈凹凸面的分布形式。具體實施中，三維力傳感單元2是以炭黑填充矽橡膠作為壓力敏感材料，設置為圓片狀柔性壓敏導電橡膠；溫度傳感單元3是以碳纖維填充矽橡膠作為溫度敏感材料，設置為長方形溫敏導電橡膠。這兩種材料在《功能材料》2010年第二期，趙興、黃英等人所發表的「用於複合式柔性觸覺傳感器的導電複合材料研究」一文中已有公開報導。圖2所示，在結構上，作為基底1的柔性聚醯亞胺電路板、作為敏感材料的各單元導電橡膠以及位於基底和導電橡膠之間的各單元電極組成結構緊密的整體。三維力傳感單元的表面高度為1. 7mm，溫度傳感單元的表面高度為0. 6mm。圖4(a)和圖4(b)所示，溫度傳感單元採用叉指電極4，溫度的變化會帶來敏感單元電阻R5、R6、R7和R8的變化，通過對電阻的變化進行檢測和補償，可以得到所需的溫度信息。圖3 (a)和圖3(b)所示，三維力傳感單元2設置為四扇面電極5，四扇面電極是以公共電極51為中心，四個大小和形狀均相同的扇面電極52在公共電極51的外圍互成 90°，並與公共電極51同心，四個扇面電極52各自獨立設置信號引出線a、b、c和d，具體製作是在柔性聚醯亞胺印刷電路板上製作四個扇形的導電區域和一個位於中心的圓形導電區域，將柔性壓敏導電橡膠粘附於電路板上，四個扇形導電區域與中間的圓形導電區域之間的電阻分別為Rl、R2、R3和R4。當三維力作用在柔性壓敏導電橡膠表面，由於壓敏導電橡膠的壓阻效應以及壓敏導電橡膠和柔性電路板電極之間的表面電阻效應，四個等效電阻R1、R2、R3和R4的阻值將發生相應的變化，通過電路對電阻的變化進行檢測，再經過矩陣運算處理，得到其包含的三維力Fx、Fy和Fz的信息。本發明多功能柔性觸覺傳感器的製作工藝為首先採用標準柔性電路板製作技術製作柔性聚醯亞胺電路板；再採用絲網印刷技術在柔性聚醯亞胺電路板上製作三維力敏感單元電極以及溫度敏感單元電極；最後在室溫下採用溶液共混工藝分別製作柔性壓敏導電橡膠的混合溶液和溫度敏感導電橡膠的混合溶液；將混合溶液倒入模具，室溫下固化成型即成。
權利要求
1.一種多功能柔性觸覺傳感器，其特徵是以柔性聚醯亞胺電路板(1)為基底，在所述基底上分別設置三維力傳感單元陣列和溫度傳感單元陣列，所述三維力傳感單元陣列中各三維力傳感單元( 和溫度傳感單元陣列中各溫度傳感單元( 相互間隔排布；並且所述各溫度傳感單元(3)的表面高度低於各三維力傳感單元O)的表面高度，形成整體呈凹凸面的分布形式。
2.根據權利要求1所述的多功能柔性觸覺傳感器，其特徵是所述三維力傳感單元(2) 是以炭黑填充矽橡膠作為壓力敏感材料，所述溫度傳感單元C3)是以碳纖維填充矽橡膠作為溫度敏感材料。
3.根據權利要求1或2所述的多功能柔性觸覺傳感器，其特徵是所述溫度傳感單元採用叉指電極，所述三維力傳感單元( 設置為四扇面電極，所述四扇面電極是以公共電極 (51)為中心，四個大小和形狀均相同的扇面電極(52)在公共電極(51)的外圍互成90°， 並與公共電極(51)同心，四個扇面電極(52)各自獨立設置信號引出線。
全文摘要
本發明公開了一種多功能柔性觸覺傳感器，其特徵是以柔性聚醯亞胺電路板為基底，在所述基底上分別設置三維力傳感單元陣列和溫度傳感單元陣列，三維力傳感單元陣列中各三維力傳感單元和溫度傳感單元陣列中各溫度傳感單元相互間隔排布；並且各溫度傳感單元的表面高度低於各三維力傳感單元的表面高度，形成整體呈凹凸面的分布形式。本發明是一種表面適應性好、三維力測量可靠性高、力學和溫度信息交叉幹擾小的全柔性多功能觸覺傳感器。
文檔編號G01K7/16GK102175362SQ20111005351
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月7日 優先權日2011年3月7日
發明者仇懷利, 劉平, 張玉剛, 趙興, 陸偉, 黃英 申請人:合肥工業大學