一種變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器，其特征在于：設(shè)置一柔性印刷電路板，在印刷電路板上印刷有一呈正方形的公共電極和等間距位于公共電極各邊外圍的四個相同的矩形感應(yīng)電極；各感應(yīng)電極以公共電極的中心為對稱點兩兩對稱；在柔性印刷電路板上固定有一復(fù)合多介質(zhì)層；復(fù)合多介質(zhì)層由呈倒凹形的PDMS介質(zhì)層及位于PDMS層凹槽內(nèi)的空氣介質(zhì)層構(gòu)成；復(fù)合多介質(zhì)層扣合在柔性印刷電路板的上方，公共電極及四個感應(yīng)電極位于空氣介質(zhì)層內(nèi)；在復(fù)合多介質(zhì)層上設(shè)置有PDMS半球形觸頭。本發(fā)明變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器公共電極及各感應(yīng)電極位于同一平面上，與傳統(tǒng)上下電極結(jié)構(gòu)的電容式觸覺傳感器相比，具有制作工藝簡單，易于陣列化的優(yōu)勢。
【專利說明】一種變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種應(yīng)用于人工智能皮膚的三維力觸覺傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]觸覺傳感器在機器人領(lǐng)域的地位是舉足輕重的，機器人依靠觸覺傳感器可以精確的感知外部信息，實現(xiàn)與外界環(huán)境的良好互動。特別是柔性多維觸覺傳感器，可以作為機器人的柔性敏感皮膚，更好的滿足當前迅速發(fā)展的各種服務(wù)機器人的要求，實現(xiàn)良好的人機互動，更好地為人類服務(wù)。除此之外，觸覺傳感器在體育訓(xùn)練、康復(fù)醫(yī)療和人體生物力學(xué)等諸多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。在這些領(lǐng)域中非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境對觸覺技術(shù)提出了更高的要求，具有良好的柔韌性和三維力檢測性能的傳感器已經(jīng)成為智能機器人技術(shù)的一個重要研究領(lǐng)域。
[0003]目前國內(nèi)外已經(jīng)研制出多種用于機器人皮膚三維力觸覺傳感器。例如:臺灣國立大學(xué)的Chih-Chieh Wen等人用高分子壓阻復(fù)合膜設(shè)計研制了傳感范圍和靈敏度可調(diào)整的三軸觸覺傳感器；倫敦大學(xué)的Pinyo Puangmali等人設(shè)計了基于光波原理的能夠檢測三維力的觸覺傳感器，該傳感器利用光的變化量來檢測基底材料三維方向上的位移的變化，利用方程構(gòu)建位移和三維力之間的關(guān)系；東京大學(xué)的S.Wattanasarn等人基于磁導(dǎo)式觸覺傳感器在外力作用下磁場發(fā)生變化的原理，把磁場的變化通過磁路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為電信號，從而感受接觸面上的壓力信息，研制出利用電磁感應(yīng)原理的柔性三維力觸覺傳感器。以上傳感器作為非電容式三維力觸覺傳感器，在柔性化和三維力檢測兼容性方面取得了重要進步，但尚存一定問題，很多研究工作集中于利用MEMS技術(shù)加工的硅片制備敏感單元，將其嵌入柔性材料中，或使用高分子材料將敏感單元覆蓋，即依賴柔性材料進行力的傳遞實現(xiàn)柔性化，此結(jié)構(gòu)使其在連續(xù)大面積測量方面受到一定限制，且硅片易碎，在受到較大變形和沖擊力較大時傳感器的測量精度將受到影響，這些都大大降低了柔性觸覺傳感器在實際應(yīng)用中的普及性。
[0004]首爾國立大學(xué)和美國明尼蘇達大學(xué)的研究學(xué)者們利用PDMS材料作為基底層，通過上下嵌入電極和觸頭的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，合作研制了一種可同時檢測法向力和切向力的電容式觸覺傳感器；臺灣大學(xué)的研究人員分別使用PDMS材料和柔性印刷電路板作為驅(qū)動電極和敏感電極，制備得到一種電容敏感單元，利用微加工工藝和特殊觸頭設(shè)計實現(xiàn)正壓力和切向力的檢測。在現(xiàn)有的柔性電容式三維力觸覺傳感器中，大多采用上下電極的結(jié)構(gòu)，將電極嵌入柔性襯底材料中或以柔性材料作為介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了較高精度的三維力檢測。上下電極結(jié)構(gòu)使得該傳感器在表面曲率較高或變形較大等場合不太適用，且由于其結(jié)構(gòu)的限制，使得不易實現(xiàn)傳感器結(jié)構(gòu)的陣列化，降低了柔性觸覺傳感器在實際應(yīng)用中的普及性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述現(xiàn)有的三維力傳感器的制備工藝復(fù)雜、應(yīng)用場合的局限性、難于陣列化等缺點，本發(fā)明旨在提供一種用于智能機器人人工敏感皮膚的全柔性、靈敏度高、性能穩(wěn)定、制備工藝簡單、易于陣列化的電容式三維力觸覺傳感器。
[0006]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器，其特點在于:設(shè)置一柔性印刷電路板，在所述印刷電路板上印刷有一呈正方形的公共電極和等間距位于所述公共電極各邊外圍的四個相同的矩形感應(yīng)電極；各感應(yīng)電極以公共電極的中心為對稱點兩兩對稱；
[0008]在所述柔性印刷電路板上固定有一復(fù)合多介質(zhì)層；所述復(fù)合多介質(zhì)層由呈倒凹形的PDMS介質(zhì)層及位于PDMS層凹槽內(nèi)的空氣介質(zhì)層構(gòu)成；復(fù)合多介質(zhì)層扣合在所述柔性印刷電路板的上方，所述公共電極及四個感應(yīng)電極位于空氣介質(zhì)層內(nèi)；在所述復(fù)合多介質(zhì)層上設(shè)置有PDMS半球形觸頭。
[0009]本發(fā)明變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器，其特點也在于:各感應(yīng)電極的長邊邊長等于公共電極的邊長，各感應(yīng)電極的長邊與和其相鄰的公共電極的邊平行。
[0010]所述PDMS半球形觸頭通過一體化設(shè)置在其底面的PDMS平面與復(fù)合多介質(zhì)層的上表面貼合。
[0011]所述空氣介質(zhì)層的厚度不大于PDMS介質(zhì)層頂面的厚度。
[0012]所述印刷電路板以聚酰亞胺為材質(zhì)。
[0013]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
[0014]1、本發(fā)明變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器公共電極及各感應(yīng)電極位于同一平面上，與傳統(tǒng)上下電極結(jié)構(gòu)的電容式觸覺傳感器相比，具有制作工藝簡單，易于陣列化的優(yōu)勢；
[0015]2、本發(fā)明變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器以PDMS和聚酰亞胺為基材，具有很好的柔性，傳感器可以實現(xiàn)彎曲變形，使整個觸覺傳感器能夠可靠地黏附在各種曲面上，實現(xiàn)對三維力的檢測，提高了其表面適應(yīng)性；
[0016]3、本發(fā)明的三維力觸覺傳感器以PDMS介質(zhì)層和空氣介質(zhì)層構(gòu)成復(fù)合多介質(zhì)層，表面具有更高的柔彈性，在力的作用下，更易形變，提高了傳感器的靈敏度；
[0017]4、本發(fā)明的三維力觸覺傳感器通過改變空氣介質(zhì)層和PDMS介質(zhì)層的厚度，可以調(diào)節(jié)三維力的量程和靈敏度，調(diào)節(jié)方式簡單，易于控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器的立體拆分示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3為本發(fā)明變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器的各結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為電極結(jié)構(gòu)示意圖；(b)為復(fù)合多介質(zhì)層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖4為本發(fā)明變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器四個等效電容的位置分布示意圖；
[0022]圖5為本發(fā)明變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器在受力時的結(jié)構(gòu)變化示意圖；
[0023]圖中標號:IPDMS半球形觸頭；21PDMS介質(zhì)層；22空氣介質(zhì)層；3印刷電路板；41第一感應(yīng)電極；42第二感應(yīng)電極；43第三感應(yīng)電極；44第四感應(yīng)電極；45公共電極?！揪唧w實施方式】
[0024]如圖1和圖2所示，本實施例的變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器包括PDMS半球形觸頭1、復(fù)合多介質(zhì)層及由聚酰亞胺制作而成的柔性印刷電路板3。
[0025]如圖3a所示，在印刷電路板上3通過銅箔印刷有一呈正方形的公共電極45和等間距位于公共電極各邊外圍的四個相同的矩形感應(yīng)電極(第一感應(yīng)電極41 ;第二感應(yīng)電極42 ;第三感應(yīng)電極43 ;第四感應(yīng)電極44);各感應(yīng)電極以公共電極的中心為對稱點兩兩對稱。各感應(yīng)電極的長邊邊長等于公共電極的邊長，各感應(yīng)電極的長邊與和其相鄰的公共電極的邊平行。電極結(jié)構(gòu)的高度對稱性，確保四個等效電容在初始值具有高度一致性，變化量具有對稱性，有利于構(gòu)建三維力矩陣式解析模型，且這種矩陣式的解析公式在大面積集成時有利于提高數(shù)據(jù)的處理速度。結(jié)合理論公式及仿真分析可知，在小尺寸結(jié)構(gòu)中，電場強度主要受感應(yīng)電極長邊影響，寬邊及公共電極與感應(yīng)電極之間的距離影響較小。在確保傳感器性能的基礎(chǔ)上，盡可能降低傳感器尺寸，因此公共電極采用正方形而四個感應(yīng)電極采用相同矩形的電極結(jié)構(gòu)。
[0026]如圖3b所示，復(fù)合多介質(zhì)層由呈倒凹形的PDMS介質(zhì)層21及位于PDMS層凹槽內(nèi)的空氣介質(zhì)層22構(gòu)成。
[0027]復(fù)合多介質(zhì)層扣合在柔性印刷電路板的上方，并通過高性能粘合劑粘粘貼固定，公共電極及四個感應(yīng)電極位于空氣介質(zhì)層內(nèi)；在復(fù)合多介質(zhì)層上設(shè)置有PDMS半球形觸頭。為使固定更牢固，PDMS半球形觸頭通過一體化設(shè)置在其底面的PDMS平面與復(fù)合多介質(zhì)層的上表面粘合。
[0028]PDMS半球形觸頭在制備時，首先采用3D打印技術(shù)，打印結(jié)構(gòu)所需模具，然后將PDMS注入成模，最后脫模即得。復(fù)合多介質(zhì)層的制備，也是首先基于3D打印技術(shù)打印結(jié)構(gòu)所需模具，然后將PDMS注入成模，最后脫模獲得。
[0029]圖4反映了本實施例的三維力觸覺傳感器的電容分布，在各反應(yīng)電極與公共電極之間各分布有一電容，對三維力的檢測也正是通過解析四個電容的變化來實現(xiàn)。
[0030]具體檢測機理如下:當三維力作用在PDMS半球形觸頭I上時，復(fù)合多介質(zhì)層受力變形，各感應(yīng)電極與公共電極之間的介質(zhì)層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有效介電系數(shù)改變，使得傳感器的四個等效電容Cl、C2、C3、C4發(fā)生改變。通過對四個電容變化的測量可實現(xiàn)對三維力的檢測。
[0031 ] 以公共電極的中心為原點、以向上垂直于印刷電路板上3的方向為Z軸正向、以垂直且指向第二感應(yīng)電極42的方向為X軸正向，以垂直且指向第一感應(yīng)電極41的方向為Y軸正向建立空間直角坐標系。
[0032]如圖5所示，當對PDMS半球形觸頭施加一沿X軸正向作用的剪切力Fx時，沿Fx方向的復(fù)合多介質(zhì)層下壓，空氣介質(zhì)層22壓縮，PDMS介質(zhì)層21取代被壓縮的空氣介質(zhì)層的位置，由于PDMS的介電系數(shù)大于空氣的介電系數(shù),使得第二感應(yīng)電極42和公共電極45之間的有效介電系數(shù)增加，C2電容值增加，而Fx相反方向，復(fù)合多介質(zhì)層上拉，空氣介質(zhì)層22厚度增加，使得第四感應(yīng)電極44和公共電極45之間的有效介電系數(shù)減小，C4電容值減小。因為第一感應(yīng)電極41及第三感應(yīng)電極43和第二感應(yīng)電極42及第四感應(yīng)電極44正交，使得復(fù)合多介質(zhì)層的形變相互抵消，C1、C3幾乎不變。
[0033]當對PDMS半球形觸頭施加一沿Y軸正向作用的剪切力Fy時，沿Fy方向的復(fù)合多介質(zhì)層下壓，空氣介質(zhì)層22壓縮，PDMS介質(zhì)層21取代被壓縮的空氣介質(zhì)層22的位置，由于PDMS的介電系數(shù)大于空氣的介電系數(shù),使得第一感應(yīng)電極41和公共電極45之間的有效介電系數(shù)增加，Cl電容值增加，而Fy相反方向，復(fù)合多介質(zhì)層上拉，空氣介質(zhì)層22厚度增加，使得第三感應(yīng)電極43和公共電極45之間的有效介電系數(shù)減小，C3電容值減小。因為第一感應(yīng)電極41及第三感應(yīng)電極43和第二感應(yīng)電極42及第四感應(yīng)電極44正交，使得復(fù)合多介質(zhì)層的形變相互抵消，C2、C4幾乎不變。
[0034] 當對PDMS半球形觸頭施加一沿Z軸負向作用的法向力Fz時，在Fz的作用下，復(fù)合多介質(zhì)層被整體下壓，空氣介質(zhì)層22壓縮，極板41、42、43、44四個感應(yīng)電極與公共電極45之間的有效介電系數(shù)均增加，C1、C2、C3、C4電容值等同增加。
[0035]最后對三維力觸覺傳感器進行標定，即通過提取和處理三維接觸力作用下輸出的四個電容信號，經(jīng)過線性解耦得到各方向受力。
[0036]本發(fā)明中空氣介質(zhì)層的厚度應(yīng)不大于PDMS介質(zhì)層倒凹形頂面的厚度。由于本發(fā)明所采用的電極結(jié)構(gòu)，通過ansys仿真可知，感應(yīng)電極與公共電極的電場主要集中在印刷電路板正上方與正下方2mm處,在具體實施過程中，印刷電路板底部會加入一圈屏蔽電極，使電場主要集中在印刷電路板的正上方?？諝鈱颖M量位于電場區(qū)，可以確保在小量程范圍內(nèi)傳感器有較高的靈敏度，在具體實施過程中，空氣介質(zhì)層的厚度不大于2mm。為了提高傳感器的穩(wěn)定性，在作用力滿量程時，復(fù)合多介質(zhì)層中空氣腔厚度接近為零，PDMS介質(zhì)層厚度應(yīng)滿足不小于電場區(qū)厚度，這樣可以減小外界干擾。傳感器在滿足工作性能下，整體的高度需要盡可能小，這樣在運用到機器人皮膚時具有更好的靈活性。綜合考慮上述因素，擬設(shè)定復(fù)合多介質(zhì)層高度為5mm,PDMS介質(zhì)層厚度不小于3mm,柔性印刷電路板的厚度及通過銅箔印刷在其上的公共電極和各感應(yīng)電極的厚度對電場基本沒有影響，可忽略不計?？諝饨橘|(zhì)層的厚度不大于PDMS介質(zhì)層頂面的厚度，一方面確保傳感器具有較高的靈敏度；另一方面，提高傳感器的抗干擾能力。表1為PDMS介質(zhì)層厚度與空氣介質(zhì)層厚度在不同比例關(guān)系下，所得傳感器在各個方向上的靈敏度及量程。
[0037]表1
[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器，其特征在于:設(shè)置一柔性印刷電路板，在所述印刷電路板上印刷有一呈正方形的公共電極和等間距位于所述公共電極各邊外圍的四個相同的矩形感應(yīng)電極；各感應(yīng)電極以公共電極的中心為對稱點兩兩對稱； 在所述柔性印刷電路板上固定有一復(fù)合多介質(zhì)層；所述復(fù)合多介質(zhì)層由呈倒凹形的PDMS介質(zhì)層及位于PDMS層凹槽內(nèi)的空氣介質(zhì)層構(gòu)成；復(fù)合多介質(zhì)層扣合在所述柔性印刷電路板的上方，所述公共電極及四個感應(yīng)電極位于空氣介質(zhì)層內(nèi)；在所述復(fù)合多介質(zhì)層上設(shè)置有PDMS半球形觸頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器，其特征在于:各感應(yīng)電極的長邊邊長等于公共電極的邊長，各感應(yīng)電極的長邊與和其相鄰的公共電極的邊平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器，其特征在于:所述PDMS半球形觸頭通過一體化設(shè)置在其底面的PDMS平面與復(fù)合多介質(zhì)層的上表面貼合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器,其特征在于:所述空氣介質(zhì)層的厚度不大于PDMS介質(zhì)層頂面的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變介質(zhì)式電容柔性三維力觸覺傳感器，其特征在于:所述印刷電路板以聚酰亞胺為材質(zhì)。
【文檔編號】G01L1/14GK103954382SQ201410206998
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月14日
【發(fā)明者】黃英, 袁海濤, 劉彩霞, 劉平, 張玉剛, 郭小輝, 李雷鳴, 邱世華 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)