一種觸覺傳感器及其製作方法
2023-12-09 04:27:16
專利名稱：一種觸覺傳感器及其製作方法
技術領域：
本發明屬於機電一體化技術領域，特別涉及一種應用於機電一體化測量技術的觸覺傳感器，還涉及其製作方法。
背景技術：
觸覺是接觸、衝擊、壓迫等機械刺激感覺的綜合。觸覺傳感器是一種測量自身敏感面與外界物體相互作用參數(觸覺、壓覺、力覺、滑覺、熱覺等)的裝置，敏感面包含很多觸覺敏感元，並以陣列的形式排列。觸覺傳感器可以用來進行曲面分布式接觸測量、形狀辨識、表面高度起伏判別、主動觸覺感知等。
傳統觸覺傳感器受到材料與工藝的限制，一直難於商品化。矽、金屬等硬質材料缺乏柔順性，是傳統觸覺傳感器難以和人類皮膚相比的一個主要原因，因此選擇柔性材料製作觸覺傳感器倍受關注。
河北工業大學嶽宏，李鐵軍等人在1997年1月申請的專利號為97203692.X的實用新型專利中，提供了一種具有填充電流變流體(ERF)泡沫墊的機器人觸覺傳感器，該觸覺傳感器由三層組成上層是帶有條型導電橡膠電極的矽橡膠層，這是由特殊工藝，按設計要求製成的整體橡膠薄膜；中間層是充滿ERF的聚胺脂泡沫墊，這一層將作為上下電極形成的電容器的介電材料；傳感器的第三層是帶有行電極的印刷電路板。矽橡膠層上的條形導電橡膠電極與印刷電路板上的每行電極在空間上垂直排列，每個交叉處形成一個電容作為一個敏感單元。
填充電流變流體的泡沫墊在電場的作用下易於變形，與物體接觸後，根據其電容信號的變化，可以識別物體表面形狀，從而抓握準確。該傳感器與物體的接觸面為柔性面，能夠在較小的接觸力下產生較大變形，但是其基底材料為硬質的印刷電路板，因此不易貼附於彎曲表面進行測量。由於導電橡膠電極層採用特殊工藝製成，製作難度較大，難以實現批量生產，其空間解析度也受到一定限制，該傳感器的空間解析度為2.5mm。
發明內容
本發明為了克服現有觸覺傳感器的硬質襯底不能貼附於彎曲表面測量、製作難度較大、空間解析度低等不足，將微機電系統(MEMS)工藝與柔性材料結合起來，提出了一種柔性開關式微觸覺傳感器以及製作這樣一種觸覺傳感器的簡單、高效率、低成本的方法。
本發明提出的觸覺傳感器包括觸覺接觸層1、間隔層2、襯底層3、行電極4和列電極5。觸覺接觸層1、間隔層2、襯底層3均採用柔性聚合物材料製成，觸覺接觸層1上表面有微型凸臺陣列。每一個微型凸臺是傳感器與被測物體接觸的一個敏感點。間隔層2位於觸覺接觸層1與襯底層3之間，它並不是一個連續層，而是在與觸覺接觸層1上表面的微型凸臺對應的位置上形成空腔陣列。微型凸臺的周邊可以有凹環結構，從而使微型凸臺更容易產生變形，提高敏感度。
在觸覺接觸層1與間隔層2的直接接觸面上有若干不相交排列的行電極4，在襯底層3與間隔層2的直接接觸面上有若干不相交排列的列電極5，行電極4和列電極5在空間位置上相互交錯，每個交叉處形成一個開關敏感單元。行電極4和列電極5的交叉處位置與觸覺接觸層1上表面的微型凸臺位置對應，其中行電極4和列電極5的每個交叉處部分分別作為每個開關單元的上、下電極，為了提高敏感度，行電極4和列電極5通常不是等寬的條形，而是作為上、下電極的交叉處部分比別的部分要略寬。
作為本發明一項優選方案，所述的觸覺彈性層的材料為矽橡膠或聚醯亞胺的任意一種。
作為本發明一項優選方案，所述的間隔層的材料為矽橡膠或聚醯亞胺的任意一種。
作為本發明一項優選方案，所述的襯底層的材料為矽橡膠或聚醯亞胺的任意一種。
由於該觸覺傳感器的各層都是採用柔性材料製成，因此當傳感器受到力的作用時，上下電極之間的間距減小，每個開關敏感單元的受力大小不同，上下電極的接觸與否也不同。通過掃描電路對每個開關敏感單元進行行列掃描，得到每個單元不同的通斷信號，從而反映物體的表面凹凸形貌。
本發明提出的觸覺傳感器的具體工藝步驟為(1)在基底上刻蝕出凹坑陣列；(2)在已刻蝕出凹坑陣列的基底上製作犧牲層；(3)在犧牲層上塗敷柔性材料，固化，形成觸覺接觸層1；(4)在觸覺接觸層1上旋塗光刻膠，曝光，顯影，然後濺射金屬，製作行電極4；(5)去除犧牲層，將整體柔性薄膜從基片上分離；(6)在另一片基底上製作犧牲層；(7)塗敷柔性材料，固化，形成襯底層3；(8)在襯底層3上旋塗光刻膠，曝光，顯影，然後濺射金屬，製作列電極5；(9)再塗敷柔性材料，將列電極5覆蓋住，固化，形成間隔層2；(10)刻蝕柔性材料，形成空腔，露出列電極5；
(11)將整體柔性薄膜從基片上分離；(12)將步驟(5)和步驟(11)分離下來的上下兩部分柔性薄膜結構對準，然後粘合在一起。
本發明的有益效果是由於本發明將柔性材料與MEMS加工工藝結合起來，製成的觸覺傳感器厚度很薄，具有很好的柔性和彈性，類似人的真實皮膚，可以貼附於任意曲面進行測量。MEMS加工技術使傳感器尺寸縮小，空間解析度可以達到1.5mm，甚至更小，並可得到一個清晰、銳利的接觸面圖像邊界；該觸覺傳感器結構簡單，增強了檢測和使用過程的魯棒性，並且可以進行批量生產，降低了成本。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1本發明提出的觸覺傳感器單元剖視圖；圖28×8的觸覺傳感器俯視圖；圖3圖2的A-A向剖視圖；圖4圖3的B-B向剖視圖；圖5圖3的C-C向剖視圖；圖67×10的帶有圓形凸臺且凸臺周邊有環形凹環的觸覺傳感器俯視圖；圖7帶有圓形凸臺且凸臺周邊有環形凹環的觸覺傳感器單元剖視圖；圖8本發明提出的觸覺傳感器的製作流程圖。
圖中1-觸覺接觸層 2-間隔層 3-襯底層 4-行電極 5-列電極具體實施方式
實施例一參見圖2、圖3、圖4、圖5，本實施例是一個含8×8個敏感單元陣列的柔性開關式微觸覺傳感器，包括觸覺接觸層1、間隔層2、襯底層3。觸覺接觸層1和襯底層3的材料都是矽橡膠，間隔層2的材料是聚醯亞胺。觸覺接觸層1上表面帶有8×8的微型凸臺陣列，每一個微型凸臺是傳感器與被測物體接觸的一個敏感點。間隔層2位於觸覺接觸層1與襯底層3之間，它在與觸覺接觸層1上表面微型凸臺對應的位置上形成一個8×8的空腔陣列。
在觸覺接觸層1與間隔層2的直接接觸面上有8行平行排列的行電極4，在襯底層3與間隔層2的直接接觸面上有8列平行排列的列電極5，行電極4和列電極5在空間位置上垂直排列，每個交叉處形成一個開關敏感單元。行電極4和列電極5的交叉處位置與觸覺接觸層1上表面的微型凸臺位置對應，其中行電極4的每個交叉處部分作為每個開關單元的上電極，列電極5的每個交叉處部分作為每個開關單元的下電極，需要指出的是，為了提高敏感度，行電極4和列電極5不是等寬的條形，而是作為上、下電極的交叉處部分比別的部分要略寬。
參見圖8，該柔性開關式微觸覺傳感器的具體工藝步驟為(1)採用各向異性溼法刻蝕的方法在用作基底的矽片上刻蝕出8×8的方形凹坑，參見8(a)；(2)在已刻蝕的矽片上通過熱氧化形成二氧化矽犧牲層，參見8(b)；(3)在二氧化矽犧牲層上旋塗聚二甲基矽氧烷(PDMS)，固化形成觸覺接觸層1，參見8(c)；(4)在觸覺接觸層1上旋塗光刻膠，曝光，顯影，然後濺射銅，製作行電極4；用丙酮去除觸覺接觸層1上的光刻膠，露出行電極4，參見8(d)；(5)將製作好的矽片放在氫氟酸中浸泡幾分鐘，然後把矽片上的整體結構從矽片上分離，參見8(e)；(6)在另一片用作基底的矽片上旋塗光刻膠，曝光，參見8(f)；(7)在已曝光過的光刻膠上旋塗PDMS，固化形成襯底層3，參見8(g)；(8)在襯底層3上旋塗光刻膠，曝光，顯影，然後濺射銅，製作列電極5；用丙酮將襯底層3上的光刻膠去掉，露出列電極5，參見8(h)；(9)旋塗PDMS，將列電極5覆蓋住，固化，形成間隔層2，參見8(i)；(10)在間隔層2上旋塗光刻膠，曝光，顯影，用等離子體刻蝕出空腔，露出列電極5，參見8(j)；(11)將製作好的矽片放在丙酮中浸泡幾分鐘，然後把矽片上的整體結構從矽片上分離，參見8(k)；(12)將步驟(5)和步驟(11)分離下來的上下兩部分柔性薄膜結構對準，然後粘合在一起，參見8(l)。
實施例二參見圖6、圖7，本實施例是一個含7×10個敏感單元陣列的柔性開關式微觸覺傳感器，包括觸覺接觸層1、間隔層2、襯底層3。觸覺接觸層1、間隔層2和襯底層3的材料都是聚醯亞胺。觸覺接觸層1上表面帶有7×10的微型凸臺陣列，每一個微型凸臺是傳感器與被測物體接觸的一個敏感點。間隔層2位於觸覺接觸層1與襯底層3之間，它在與觸覺接觸層1上表面微型凸臺對應的位置上形成一個7×10的空腔陣列。每個微型凸臺的周邊有一圈凹環，該凹環結構使微型凸臺更容易產生變形，從而提高敏感度。
在觸覺接觸層1與間隔層2的直接接觸面上有7行平行排列的行電極4，在襯底層3與間隔層2的直接接觸面上有10列平行排列的列電極5，行電極4和列電極5在空間位置上成30度交角菱形排列，每個交叉處形成一個開關敏感單元。行電極4和列電極5的交叉處位置與觸覺接觸層1上表面的微型凸臺位置對應，其中行電極4的每個交叉處部分作為每個開關單元的上電極，列電極5的每個交叉處部分作為每個開關單元的下電極。
參見圖8，該柔性開關式微觸覺傳感器的具體工藝步驟為(1)採用各向同性溼法刻蝕的方法在用作基底的玻璃片上刻蝕出7×10的圓形凹坑，參見8(a)；(2)在已刻蝕的玻璃片上旋塗光刻膠，圖形化，參見8(b)；(3)在已圖形化上的光刻膠上旋塗聚醯亞胺，固化形成觸覺接觸層1，參見8(c)；(4)在觸覺接觸層1上旋塗光刻膠，曝光，顯影，然後濺射鉑，製作行電極4；用丙酮將觸覺接觸層1上的光刻膠去掉，露出行電極4，參見8(d)；(5)將製作好的玻璃片放在丙酮中浸泡幾分鐘，然後把玻璃片上的整體結構從玻璃片上分離，參見8(e)；(6)在另一片用作基底的玻璃片上旋塗光刻膠，曝光，參見8(f)；(7)在已曝光過的光刻膠上旋塗聚醯亞胺，固化形成襯底層3，參見8(g)；(8)在襯底層3上旋塗光刻膠，曝光，顯影，然後濺射鉑，製作列電極5；用丙酮將襯底層3上的光刻膠去掉，露出列電極5，參見8(h)；(9)旋塗聚醯亞胺，將列電極5覆蓋住，固化，形成間隔層2，參見8(i)；(10)在間隔層2上旋塗光刻膠，曝光，顯影；採用溼法刻蝕的方法，將聚醯亞胺刻蝕出空腔，露出列電極5，參見8(j)；(11)將製作好的玻璃片放在丙酮中浸泡幾分鐘，然後把玻璃片上的整體結構從玻璃片上分離，參見8(k)；(12)將步驟(5)和步驟(11)分離下來的上下兩部分柔性薄膜結構對準，然後粘合在一起，參見8(l)。
權利要求
1.一種觸覺傳感器，包括觸覺接觸層(1)、間隔層(2)、襯底層(3)、行電極(4)和列電極(5)，其特徵在於觸覺接觸層(1)、間隔層(2)、襯底層(3)均採用柔性聚合物材料製成，觸覺接觸層(1)上表面有微型凸臺陣列；間隔層(2)位於觸覺接觸層(1)與襯底層(3)之間，在與觸覺接觸層(1)上表面的微型凸臺對應的位置上形成空腔陣列；在觸覺接觸層(1)與間隔層(2)的直接接觸面上有若干不相交排列的行電極(4)，在襯底層(3)與間隔層(2)的直接接觸面上有若干不相交排列的列電極(5)，行電極(4)和列電極(5)在空間位置上相互交錯，行電極(4)和列電極(5)的交叉處位置與觸覺接觸層1上表面的微型凸臺位置對應。
2.根據利用權利要求1所述的一種觸覺傳感器，其特徵在於所述的微型凸臺的周邊有凹坑結構。
3.根據利用權利要求1所述的一種觸覺傳感器，其特徵在於所述的觸覺彈性層(1)的材料為矽橡膠或聚醯亞胺的任意一種。
4.根據利用權利要求1所述的一種觸覺傳感器，其特徵在於所述的間隔層(2)的材料為聚醯亞胺。
5.根據利用權利要求1所述的一種觸覺傳感器，其特徵在於所述的襯底層(3)的材料為矽橡膠或聚醯亞胺的任意一種。
6.根據權利要求1-7所述的任意一種觸覺傳感器，其特徵在於所述的行電極(4)和列電極(5)在兩者交叉處部分比別的部分要略寬。
7.一種製備權利要求1所述觸覺傳感器的方法，其特徵在於包括下述步驟(a)在基底上刻蝕出凹坑陣列；(b)在已刻蝕出凹坑陣列的基底上製作犧牲層；(c)在犧牲層上塗敷柔性材料，固化，形成觸覺接觸層(1)；(d)在觸覺接觸層(1)上旋塗光刻膠，曝光，顯影，然後濺射金屬，製作行電極(4)；(e)去除犧牲層，將整體柔性薄膜從基片上分離；(f)在另一片基底上製作犧牲層；(g)塗敷柔性材料，固化，形成襯底層(3)；(h)在襯底層(3)上旋塗光刻膠，曝光，顯影，然後濺射金屬，製作列電極(5)；(i)再塗敷柔性材料，將列電極(5)覆蓋住，固化，形成間隔層(2)；(j)刻蝕柔性材料，形成空腔，露出列電極(5)；(k)將整體柔性薄膜從基片上分離；(l)將步驟(e)和步驟(k)分離下來的上下兩部分柔性薄膜結構對準，然後粘合在一起。
全文摘要
本發明公開了一種觸覺傳感器及其製作方法，包括觸覺接觸層1、間隔層2、襯底層3，各層均採用柔性材料製成。觸覺接觸層1上方帶有微型凸臺陣列。間隔層2位於觸覺接觸層1與襯底層3之間，在與微型凸臺對應的位置上形成空腔陣列。在觸覺接觸層1，襯底層3與間隔層2的直接接觸面上分別有若干平行排列的行電極4和列電極5，行電極和列電極在空間位置上垂直排列，每個交叉處為一個開關敏感單元。每個單元的受力大小不同時，產生不同的通斷信號反映物體的表面凹凸形貌。該觸覺傳感器解決了現有觸覺傳感器結構複雜、不易貼附於彎曲表面進行測量、空間解析度低的缺點，製成的傳感器為全柔性，且結構簡單、解析度高、易於批量生產。
文檔編號B81C1/00GK1966394SQ20061010495
公開日2007年5月23日 申請日期2006年11月23日 優先權日2006年11月23日
發明者馬炳和, 苑偉政, 王豔 申請人:西北工業大學