本实用新型专利技术提供一种三维力电容式触觉传感器单元，包括相粘接的驱动电极、介电薄膜和固定基板，介电薄膜设置于驱动电极和固定基板之间，固定基板边沿均设有梯形电极，固定基板在中心处设有等位环，等位环内设有圆形电极，介电薄膜包括一个盖合圆形电极的法向薄膜和四个盖合梯形电极的切向薄膜，四个切向薄膜以两两对称的排布方式设于介电薄膜的四边上。本实用新型专利技术的扇形孔减小电极间的接触面积，可提高检测电容的相对灵敏度且能降低维间耦合程度，等位环可以改善电极外边缘处的电场畸变，有效减小边缘效应的影响。
【技术实现步骤摘要】
本技术属于触觉传感器
，具体涉及一种三维力电容式触觉传感器单 JL〇
技术介绍
触觉是智能机器人作业环境信息感知的重要组成部分，与视觉、听觉等感知信息 相比，在机器人精密装配自主作业系统中，其在可靠性、经济性等方面往往具有独特优势， 受到学术界和产业界的广泛关注，应用领域不断拓宽，学术和工程应用价值日益明显。触觉 感知主要特征包括接触力的分布及大小、滑觉、振动、温度等，反映机械手指与目标间的接 触状态，为机器人完成自主作业规划和精确控制提供足够信息支撑。 针对传感器敏感单元阵列特性，国内外专家进行了不少尝试和探索。从触觉机理、 触觉传感材料、触觉信息获取、触觉图像识别以及传感器实用化等方面进行了大量的研宄， 由此产生了很多新型传感器，其中电容式触觉传感器在智能机器人的设计中具有很高的实 用价值。目前触觉传感器按照其敏感材料、感知机理大致可分为六种：机械式、压阻式、电 容式、压电式、压磁式和光电式。机械式传感器是由外力引起机械位移，但是其空间分辨率 受到限制且结构复杂；压阻式传感器是利用单晶硅体材料的压阻效应和集成电路技术制成 的，其具有很好的负载能力且动态范围宽，同时也存在迟滞，弹性材料性能需要优化，单调 响应非线性的缺点；电容式传感器原理为两平行板极间弹性介质层受压变形是容量变化， 有动态范围宽、线性响应和坚固耐用的优点和介电性易受温度影响及易受噪音干扰的缺 点；压电式传感器利用对敏感元件施加压力时其两端会产生电压的原理，如PVDF薄膜，其 动态范围宽和形状裁剪方便，但是其只能感应动态力；压磁式传感器将作用力的变化转化 成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信号，有输出功率大、信号强、结构简单优点，但易 受散场和噪音影响；光电式传感器用弹性体变形法调制光波，使压力转换为光图像，拥有高 分辨率、无电气干扰、信号处理电路可远离传感器等优点，但性能对弹性体依赖较强且存在 滞后。 目前为提高灵敏度和线性度，克服电源电压、环境温度变化等外界条件影响，电容 式触觉传感器常采用差动式或梳齿状结构。差动式结构在测量正压力时可以发挥其独特的 优势，但在测量切向力的时候存在有一定的局限性；梳齿状结构在测量切向力时能发挥其 信息冗余的优势，但在正压力检测时存有一定的缺陷，且其结构过于复杂。 如中国专利号为201010512715. 7的电容性传感器，提出了一种电容性传感器放 大器电路，并没有涉及到电容传感器单元的结构；如中国专利申请号为201180069443. 0 的力传感器，通过识别检测环的弹性变形的方式及大小可以检测作用力或力矩的方向及 大小，但是其检测部分的电容元件结构不够优化，灵敏度不够高；如中国专利申请号为 20130406920. 9的电容式压力传感器，在高温环境下，布置在探测器本体远端部处的电容式 传感器检测压力的大小，并且通过并联电容的方式来减小由温度变化所引起的误差，压力 传感器不能检测三维方向上的力的大小。
技术实现思路
为了提高电容式传感器的灵敏度并减少维间耦合程度，本技术的目的是提供 一种三维力电容式触觉传感器单元，以解决现有技术中存在的缺陷。 为了实现上述目的，本技术提供一种三维力电容式触觉传感器单元，包括相 粘接的驱动电极、介电薄膜和固定基板，所述介电薄膜设置于驱动电极和固定基板之间，所 述固定基板边沿均设有梯形电极，所述固定基板在中心处设有等位环，所述等位环内设有 圆形电极，所述介电薄膜包括一个盖合圆形电极的法向薄膜和四个盖合梯形电极的切向薄 膜，所述四个切向薄膜以两两对称的排布方式设于介电薄膜的四边上。 优选的，所述驱动电极上设有驱动电极扇形孔。 优选的，所述四个切向薄膜依次连接，两个切向薄膜连接后与法向薄膜形成介电 薄膜扇形孔。 优选的，所述介电薄膜扇形孔与驱动电极上对应位置的驱动电极扇形孔形状相 同。 优选的，所述的驱动电极与圆形电极是分隔开的。 优选的，所述驱动电极、梯形电极、等位环、圆形电极的材质均为铜或铝。 优选的，所述介电薄膜的材质为PDMS、PET或硅橡胶中的一种，厚度为Iym~ 20um〇 优选的，所述等位环和圆形电极之间设有绝缘层。 优选的，所述四个切向薄膜的宽度比梯形电极的宽度窄0.Imm~1mm。 众所周知，平行板电容的电容值与两极板间的正对面积成正比，跟极板的垂直距 离d成反比。平行板电容器电容公式如下：【主权项】1. 一种三维力电容式触觉传感器单元，包括相粘接的驱动电极、介电薄膜和固定基板， 所述介电薄膜设置于驱动电极和固定基板之间，其特征在于：所述固定基板边沿均设有梯 形电极，所述固定基板在中心处设有等位环，所述等位环内设有圆形电极，所述介电薄膜包 括一个盖合圆形电极的法向薄膜和四个盖合梯形电极的切向薄膜，所述四个切向薄膜以两 两对称的排布方式设于介电薄膜的四边上。2. 根据权利要求1所述的三维力电容式触觉传感器单元，其特征在于：所述驱动电极 上设有驱动电极扇形孔。3. 根据权利要求1或2所述的三维力电容式触觉传感器单元，其特征在于：所述四个 切向薄膜依次连接，两个切向薄膜连接后与法向薄膜形成介电薄膜扇形孔。4. 根据权利要求3所述的三维力电容式触觉传感器单元，其特征在于：所述介电薄膜 扇形孔与驱动电极上对应位置的驱动电极扇形孔形状相同。5. 根据权利要求1所述的三维力电容式触觉传感器单元，其特征在于：所述的驱动电 极与圆形电极是分隔开的。6. 根据权利要求1所述的三维力电容式触觉传感器单元，其特征在于：所述驱动电极、 梯形电极、等位环、圆形电极的材质均为铜或铝。7. 根据权利要求1所述的三维力电容式触觉传感器单元，其特征在于：所述介电薄膜 的材质为PDMS、PET或硅橡胶中的一种，厚度为Iym~20ym。8. 根据权利要求1所述的三维力电容式触觉传感器单元，其特征在于：所述等位环和 圆形电极之间设有绝缘层。9. 根据权利要求1所述的三维力电容式触觉传感器单元，其特征在于：所述四个切向 薄膜的宽度均比梯形电极的宽度窄〇?Imm~Imm0【专利摘要】本技术提供一种三维力电容式触觉传感器单元，包括相粘接的驱动电极、介电薄膜和固定基板，介电薄膜设置于驱动电极和固定基板之间，固定基板边沿均设有梯形电极，固定基板在中心处设有等位环，等位环内设有圆形电极，介电薄膜包括一个盖合圆形电极的法向薄膜和四个盖合梯形电极的切向薄膜，四个切向薄膜以两两对称的排布方式设于介电薄膜的四边上。本技术的扇形孔减小电极间的接触面积，可提高检测电容的相对灵敏度且能降低维间耦合程度，等位环可以改善电极外边缘处的电场畸变，有效减小边缘效应的影响。【IPC分类】G01L5-16, G01L1-14【公开号】CN204495495【申请号】CN201520168618【专利技术人】许玉云, 许德章, 葛维东, 董跃龙 【申请人】安徽工程大学【公开日】2015年7月22日【申请日】2015年3月24日本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种三维力电容式触觉传感器单元，包括相粘接的驱动电极、介电薄膜和固定基板，所述介电薄膜设置于驱动电极和固定基板之间，其特征在于：所述固定基板边沿均设有梯形电极，所述固定基板在中心处设有等位环，所述等位环内设有圆形电极，所述介电薄膜包括一个盖合圆形电极的法向薄膜和四个盖合梯形电极的切向薄膜，所述四个切向薄膜以两两对称的排布方式设于介电薄膜的四边上。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：许玉云，许德章，葛维东，董跃龙，
申请(专利权)人：安徽工程大学，
类型：新型
国别省市：安徽;34
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