基於壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列的製作方法

2023-10-19 16:52:27 3

專利名稱：基於壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種仿生柔性觸覺傳感陣列，尤其是涉及一種基於壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列。
背景技術：
皮膚是人體最大的器官，面積約為I. 2^2 m2，約佔體重的16%，由皮下組織、真皮和表皮構成。皮下組織位於真皮下方，與肌膜等組織相連，由大量的脂肪細胞和粗大結締組織纖維束組成；真皮位於表皮層下方，由膠原纖維、彈力纖維、網狀纖維和基質、細胞等組成； 表皮位於皮膚的外面，為角化的復層扁平上皮，絕大部分是角質形成細胞。可以看出，皮膚是一個由多層組織結構、多組成成分構成的複雜系統，其生物力學性能主要是由真皮中膠原纖維和彈性纖維的組織結構以及水分和蛋白質的含量等決定。人體皮膚中具有四種機械刺激感知器，分別為梅克爾觸盤(Merkel Disk)、梅氏小體(Meissner』 s Corpusde)、拉菲尼小體(Ruff ini Ending)、環層小體(Pacinian Corpusde)ο這四種機械刺激感知細胞對不同種類的力敏感，梅克爾觸盤和梅氏小體位於真皮層淺層，分別對靜態力與瞬變力敏感；拉菲尼小體位於真皮層中較深的地方，只對平行於皮膚的切向力敏感；環層小體位於真皮層的深層，對瞬變力與振動非常敏感，其對瞬變力與振動敏感的程度高於梅氏小體。並且這四種機械刺激感知細胞的分布密度並不一樣，它們的分布密度關係由大到小分別為梅氏小體、梅克爾觸盤、拉菲尼小體、環層小體。生機電一體化的人工假肢能使截肢患者實現日常生活的自理，為了使人工假肢具有與外界很好的交互能力，必須實現感知功能的重塑。感知功能包括觸覺、溫度感知、痛覺等等。其中觸覺是人體與外界環境接觸時的重要感覺，是多種感覺的綜合，包括輕觸覺、壓覺、振動覺等豐富的感知信息。如能把觸覺信息進行準確的還原，讓人工假肢具有「感覺」， 這將是人體運動功能重建的一大進步。此外，隨著機器人技術的發展，觸覺感知是實現其智能化的基礎。機器人的觸覺感知是通過觸覺敏感構件來識別目標物體或對象的多種物理信息，如接觸力的大小、柔軟性、 硬度、彈性、粗糙度、材質等。近年來，「機器人柔性觸覺敏感皮膚」已成為智慧機器人觸覺傳感技術領域新的研究熱點，具有感知
功能的機器人柔性觸覺敏感皮膚可以增強其在各種環境下完成精細、複雜作業的能力，提高機器人系統的作業水平和智能化水平，對高級服務機器人、空間機器人以及危險環境下的精密操作微驅動機器人等都將產生重要的影響。在生物醫療中，外科手術機器人已能完成人體心臟和腦部等重要器官的外科手術。但外科手術機器人系統除了具有顯微放大與視覺監控外，對多維接觸力信息的檢測與感知的需求也日益增大。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列，具有靜態性與動態性俱佳的特點。本發明採用的技術方案是
本發明的仿生柔性觸覺傳感陣列從下至上依次由柔性基底層、電容層、壓阻層和表面封裝層，四層結構層疊在一起構成；其每層的結構如下
(a)柔性基底層從下至上依次由矽片、PDMS(聚二甲基矽氧烷)柔性基底和PDMS導電橡膠屏蔽層疊在一起構成；
(b)電容層從下至上依次由其上表面附有Ti/Au電容下電極的第一PI電極襯底、其上表面經圖案化為四稜錐小區域的四稜錐介電層和其上表面附有Ti/Au電容上層電極板的第二 PI電極襯底疊在一起構成，Ti/Au電容上層電極板電極與Ti/Au電容下電極板電極成正交方向排列，每對相對的Ti/Au電容上、下極板間形成一個電容，每個電容之間均有作為電容介電層的四稜錐小區域，每個電容為一個傳感單元，所有電容傳感單元形成電容陣列；
(c)壓阻層從下至上依次由PDMS導電橡膠屏蔽層、其上表面附有呈條形分布Ti/Au 壓阻層下層電極的第三PI電極襯底、半球形導電橡膠層、其上表面附有相間組成的半月形電極陣列和條形電極陣列的帶通孔第四PI電極襯底和PDMS保護層疊在一起構成；半月形電極通過第四PI電極襯底上的PI通孔跟Ti/Au壓阻層下層電極電氣連通；半球形導電橡膠層上的半球形導電橡膠分別覆蓋在各自的半月形電極及條形電極上，使每列條形電極均與各自的半月形電極電氣連通；半球形導電橡膠層中的每個導電橡膠為一個傳感單元，所有的半球形導電橡膠形成壓阻式導電橡膠陣列；
(d)表面封裝層是上表面為PDMS微型凸臺並用PDMS製作成的一層圖案化薄膜。所述的電容層與壓阻層空間解析度之比為2:1，即在相同面積下電容層的傳感單元數量與壓阻層傳感單元數量之比為1:4。所述壓阻層中的第四PI電極襯底上附著了半月形電極與條形電極的組合。本發明具有的有益效果是
(I)基於簡約化設計的理念，本發明選擇了感知細胞環層小體以及梅克爾觸盤作為仿生對象。電容層主要模仿的是人體皮膚中的環層小體，這種感知細胞是人體皮膚中對瞬變力及振動最敏感的細胞；而導電橡膠壓阻層主要模仿的是梅克爾觸盤，其特徵是對靜態力敏感而對瞬變力不敏感。本觸覺傳感陣列把適合於測量靜態力的壓阻式導電橡膠，與適合於測量瞬變力及微小振動的電容集成在一個觸覺傳感陣列中，能滿足靜態力與瞬變力的測量要求，具有良好的綜合性能。(2)本仿生觸覺傳感陣列的製造過程中使用了微接觸印刷技術，微接觸印刷技術在印刷微小金屬電路以及製造微納三維結構上有其獨特的優勢，能實現大面積高效率的生產，且能用於印刷曲面上的電路。(3)模仿感知細胞環層小體以及梅克爾觸盤的分布密度和分布深度，把電容層置於壓阻層的下面，且電容層的空間解析度與壓阻層的空間解析度之比為1:2，這樣的設計更能發揮仿生學的優勢，為觸覺傳感陣列的優化提供指導。(4)使用了微接觸印刷的方法在電容層的PDMS介電層表面製造了表面圖案，使電容的形變能力大大增強，增強其敏感程度。(5)該柔性觸覺傳感陣列的壓阻層與電容層採用分離電路控制，能減小幹擾，並且電容層被PDMS導電橡膠屏蔽層包圍，能最大限度地減小壓阻層以及外界對其的幹擾。


圖I是本發明分層結構拆分立體圖2是本發明帶矽基底的柔性基底層剖面圖3是本發明電容層分層結構拆分立體圖4是本發明壓阻層分層結構拆分立體圖5是本發明壓阻層上層電極PI襯底平面圖6是本發明壓阻層上層電極層平面圖7是本發明PDMS半球狀導電橡膠安裝結構示意圖8是本發明表面封裝平面圖9是本發明的柔性觸覺傳感陣列立體圖。圖中1、柔性基底層，2、電容層，3、壓阻層，4、表面封裝層，5、矽片，6、PDMS柔性基底，7、PDMS導電橡膠屏蔽層，8、第一 PI電極襯底，9、Ti/Au電容下極板，10、四稜錐介電層， 11、第二 PI電極襯底，12、Ti/Au電容上極板，13、PDMS導電橡膠屏蔽層，14、第三PI電極襯底，15、Ti/Au壓阻層下層電極,16、第四PI電極襯底，17、條形電極,18、半月形電極,19、半球形導電橡膠層，20、PDMS保護層，21、PI通孔，22、四稜錐小區域，23、表層PDMS微凸臺。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。如圖I所示，是本發明的分層結構拆分立體圖，仿生柔性觸覺傳感陣列從下至上依次由柔性基底層I、電容層2、壓阻層3和表面封裝層4，四層結構層疊在一起構成；其每層的結構如下
(a)如圖2所示柔性基底層I :從下至上依次由矽片5、PDMS柔性基底6和PDMS導電橡膠屏蔽層7疊在一起構成。(b)如圖3所示電容層2 :從下至上依次由其上表面附有Ti/Au電容下電極9的第一 PI電極襯底8、其上表面經圖案化為四稜錐小區域22的四稜錐介電層10和其上表面附有Ti/Au電容上層電極板12的第二 PI電極襯底12疊在一起構成；Ti/Au電容上層電極板12電極與Ti/Au電容下電極板9電極成正交方向排列，每對相對的Ti/Au電容上、下極板間形成一個電容，每個電容之間均有作為電容介電層的四稜錐小區域22，每個電容為一個傳感單元，所有電容傳感單元形成電容陣列。(c)如圖4所示壓阻層3 :從下至上依次由PDMS導電橡膠屏蔽層13、其上表面附有呈條形分布Ti/Au壓阻層下層電極15的第三PI電極襯底14、半球形導電橡膠層19、其上表面附有相間組成的半月形電極18陣列和條形電極17陣列(如圖6所示)的帶通孔第四PI電極襯底16 (如圖5所示)和PDMS保護層20疊在一起構成；半月形電極18通過第四PI電極襯底16上的PI通孔21跟Ti/Au壓阻層下層電極15電氣連通；如圖7所示，半球形導電橡膠層19上的半球形導電橡膠分別覆蓋在各自的半月形電極18及條形電極17 上，使每列條形電極17均與各自的半月形電極18電氣連通；半球形導電橡膠層19中的每個導電橡膠為一個傳感單元，所有的半球形導電橡膠形成壓阻式導電橡膠陣列。
(d)如圖8所示表面封裝層4:是上表面為PDMS微型凸臺23並用PDMS製作成
的一層圖案化薄膜。所述的電容層2與壓阻層3空間解析度之比為2:1，即在相同面積下，電容層的傳感單元數量與壓阻層傳感單元數量之比為1:4。所述壓阻層3中的第四PI電極襯底16上附著了半月形電極18與條形電極17的組合。本發明的傳感陣列為總厚度約為O. 5mm、邊長為IOmm的矩形，其中電容層包含敏感單元5 X 5個，壓阻層包含敏感單元10 X 10個，即電容層空間解析度為2mm，壓阻層空間解析度為1_，此解析度已完全能滿足人工假肢的仿生皮膚要求。完成該壓阻式和電容式組合仿生柔性觸覺傳感陣列的製作步驟如下
(I)準備普通單拋矽片5作為柔性器件的剛性載體；將Sylgard 184 PDMS預聚物與固化劑以10:1 (質量比)混合、攪勻、抽真空去除氣泡，用旋塗的方法在剛性矽片5上塗覆 50 μ m的PDMS柔性基底6，用熱板或加熱爐保溫固化。(2)將Sylgard 184 PDMS預聚物與固化劑按一定比例混合,添加納米導電顆粒,混合、攪勻、抽真空去除氣泡，用旋塗的方法在PDMS柔性基底6上塗覆10 μ m的上述的帶導電顆粒的PDMS，用熱板或加熱爐保溫固化形成導電橡膠屏蔽層7。(3)在導電橡膠屏蔽層7上旋塗一層厚10 μ m的第一 PI電極襯底8，用熱板或加熱爐保溫固化；在第一 PI電極襯底8上沉積IOnm的Ti和200nm的Au，運用基於PDMS軟印章的微接觸印刷方法製造Ti/Au電容下極板9 ;然後在電極上旋塗一層厚度為4μπι的PI 作為保護層，用熱板或加熱爐保溫固化。(4)在與四稜錐介電層10互補的矽模具上澆上PDMS溶液，把矽片5連帶整個傳感陣列反過來倒扣在矽模具上，施加一定的壓力並用加熱爐保溫固化，然後剝離，形成四稜錐介電層10的結構。(5)先在另一塊新的矽片上旋塗一層厚度為10 μ m的第二 PI電極襯底11，用熱板或加熱爐保溫固化後剝離矽片，對第二 PI電極襯底11表面進行氧等離子活化處理，然後覆蓋在四稜錐介電層10上，作為Ti/Au電容上極板12的支撐。(6)在第二 PI電極襯底11上沉積IOnm的Ti和200nm的Au，運用基於PDMS軟印章的微接觸印刷方法製造Ti/Au電容上極板12 ;然後在電極上旋塗一層厚度為4 μ m的PI 作為保護層。(7)將Sylgard 184 PDMS預聚物與固化劑按一定比例混合,添加納米導電顆粒,混合、攪勻、抽真空去除氣泡，用旋塗的方法在第6步的PI保護層上塗覆10 μ m的上述的帶導電顆粒的PDMS，用熱板或加熱爐保溫固化形成導電橡膠屏蔽層13。(8)在導電橡膠屏蔽層13上旋塗一層厚10 μ m的第三PI電極襯底14，用熱板或加熱爐保溫固化；在第三PI電極襯底14上沉積IOnm的Ti和200nm的Au，運用基於PDMS 軟印章的微接觸印刷方法製造Ti/Au壓阻層下層電極15。(9)在Ti/Au壓阻層下層電極15上旋塗一層4μπι的第四PI電極襯底16，用熱板或加熱爐保溫固化後用二氧化碳雷射儀在第四PI電極襯底16上打PI通孔21，使得Ti/Au 壓阻層下層電極15的一部分(通孔部分)暴露出來。(10)在第四PI電極襯底16上沉積IOnm的Ti和200nm的Au，運用基於PDMS軟印章的微接觸印刷方法製造條形電極17和半月形電極18,其中半半月形電極18與Ti/Au 壓阻層下層電極15電氣連通。(11)將Sylgard 184 PDMS預聚物與固化劑按一定比例混合,添加納米導電顆粒, 配製成壓力敏感的PDMS導電橡膠溶液；使用點膠機在條形電極17、半月形電極18上製造半球形的PDMS導電橡膠層19 ;進行用熱板或加熱爐保溫固化。(12)在半球形導電橡膠層19上澆鑄PDMS溶液，把導電橡膠覆蓋起來，厚度不能高過導電橡膠頂端4 μ m。為了達到這個4 μ m的目標，可以在澆鑄PDMS溶液的時候不完全覆蓋導電橡膠，等澆鑄部分用熱板或加熱爐保溫固化之後再用旋塗的方法繼續往上覆蓋PDMS， 通過控制勻膠機的旋轉速度精確控制PDMS的高度，最終形成PDMS保護層20。(13)在矽模具上做出帶有凹洞的結構，在上面澆鑄PDMS溶液，用熱板或加熱爐保溫固化後剝離，製成帶有表層PDMS微凸臺23的PDMS表面封裝4，對PDMS表面封裝4下表面進行氧等離子活化後粘在PDMS保護層20上。只要把傳感陣列從矽板5上剝離，整個傳感陣列就製造完成了，如圖9所示。這樣，製造出來的傳感陣列具有良好的靜動態性能，無論是對於瞬間的觸碰還是持續受力的擠壓，傳感陣列均能良好地獲取觸覺信息。
權利要求
1.一種基於壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列，其特徵在於仿生柔性觸覺傳感陣列從下至上依次由柔性基底層(I)、電容層(2)、壓阻層(3)和表面封裝層(4)，四層結構層疊在一起構成；其每層的結構如下(a)柔性基底層(I):從下至上依次由矽片(5)、PDMS柔性基底(6)和PDMS導電橡膠屏蔽層(7)疊在一起構成；(b)電容層⑵從下至上依次由其上表面附有Ti/Au電容下電極(9)的第一PI電極襯底(8)、其上表面經圖案化為四稜錐小區域(22)的四稜錐介電層(10)和其上表面附有 Ti/Au電容上層電極板(12)的第二 PI電極襯底(12)疊在一起構成；Ti/Au電容上層電極板(12)電極與Ti/Au電容下電極板(9)電極成正交方向排列，每對相對的Ti/Au電容上、 下極板間形成一個電容，每個電容之間均有作為電容介電層的四稜錐小區域(22)，每個電容為一個傳感單元，所有電容傳感單元形成電容陣列；(c)壓阻層(3):從下至上依次由PDMS導電橡膠屏蔽層(13)、其上表面附有呈條形分布Ti/Au壓阻層下層電極(15)的第三PI電極襯底(14)、半球形導電橡膠層(19)、其上表面附有相間組成的半月形電極(18)陣列和條形電極(17)陣列的帶通孔第四PI電極襯底 (16)和PDMS保護層(20)疊在一起構成；半月形電極(18)通過第四PI電極襯底(16)上的PI通孔(21)跟Ti/Au壓阻層下層電極(15)電氣連通；半球形導電橡膠層(19)上的半球形導電橡膠分別覆蓋在各自的半月形電極(18)及條形電極(17)上，使每列條形電極(17) 均與各自的半月形電極(18)電氣連通；半球形導電橡膠層(19)中的每個導電橡膠為一個傳感單元，所有的半球形導電橡膠形成壓阻式導電橡膠陣列；(d)表面封裝層(4):是上表面為PDMS微型凸臺(23)並用PDMS製作成的一層圖案化薄膜。
2.根據權利要求I所述的一種基於壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列,其特徵在於所述的電容層(2)與壓阻層(3)空間解析度之比為2:1，即在相同面積下，電容層的傳感單元數量與壓阻層傳感單元數量之比為1:4。
3.根據權利要求I所述的一種基於壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列,其特徵在於所述壓阻層⑶中的第四PI電極襯底(16)上附著了半月形電極(18)與條形電極(17)的組合。
全文摘要
本發明公開了一種基於壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列。仿生柔性觸覺傳感陣列從下至上依次由柔性基底層、電容層、壓阻層和表面封裝層構成。在傳感陣列中同時集成了基於壓阻式和電容式兩種觸覺力敏感構件，壓阻式力敏感層層疊在電容式力敏感層上，壓阻層空間解析度為1mm，電容層空間解析度為2mm。壓阻式力敏感層電路為矩陣電路，矩陣電路每個節點上為半月形電極與條形電極，兩個電極之間通過PDMS導電橡膠相連。電容式力敏感層電路為矩陣電路，矩陣電路的下層構成電容下極板，上層構成電容上極板，兩極板間為具有表面圖案的PDMS介電層。壓阻層與電容層分別承擔靜態力與瞬變力的測量，能提高仿生觸覺傳感陣列的綜合性能。
文檔編號G01L1/14GK102589759SQ20121003765
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月20日 優先權日2012年2月20日
發明者戴宇, 梁觀浩, 梅德慶, 汪延成, 陳子辰 申請人:浙江大學