一种基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器，是在上、下两柔性印刷电路板上分别印刷有上层公共电极、下层中心电极和位于下层中心电极各边外围的四个矩形感应电极，其中上层公共电极层与下层中心电极用于感知触觉信息、上层公共电极与4个感应电极用于感知切向信息和滑觉信息；在两柔性印刷电路板之间设置有介质层，该介质层的上表面一体化成型有金字塔结构；在上柔性印刷电路板上固定有PDMS半球形触头。本发明专利技术的全柔性电容式滑触觉传感器，既能分辨较小的触觉力，同时又能实现对各个方向剪切力的测量，大大提高了传感器的机械灵敏度，实现了传感器在剪切方向的滑觉检测功能。

A fully flexible capacitive sliding tactile sensor based on Pyramid structure

The invention discloses a flexible capacitive tactile sensor based on the sliding structure of Pyramid, is in the upper and lower two flexible printed circuit board are respectively printed with upper and lower center electrode and the common electrode is located in the lower center of each side of the periphery of the electrode four rectangular induction electrode, the upper and lower center electrode common electrode layer for tactile information, the upper electrode and the 4 electrode induction of public perception for information and tangential slip information; a dielectric layer is arranged between the two flexible printed circuit board, a Pyramid structure on the surface of the medium layer integrated molding; PDMS hemispherical contact is fixed on a flexible printed circuit board. The invention of the flexible capacitive slide tactile sensor, which can distinguish small tactile force at the same time can realize, to measure each direction of shear force, greatly improving the mechanical sensitivity of the sensor, the sensor in the direction of the shear slipping detection function.

【技术实现步骤摘要】
一种基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器
本专利技术属于传感
，具体涉及一种应用于人工智能皮肤的全柔性电容式滑触觉传感器。
技术介绍
滑触觉传感器作为智能机器人感知外界环境的有效方式，用于实现对目标物的抓取检测、接近过程中的接近接触以及滑动状态的判别等，在电子皮肤研究领域起着举足轻重的作用。随着时代的发展，电子皮肤已被应用于机器人、触觉检测、温度监控、健康医疗等领域。在电子皮肤的各种应用中，感应触觉和滑觉检测占有极其重要的地位。滑触觉传感器模仿人手使之具有接触觉、滑动觉、热觉等感知功能，是机器人与环境直接作用的必需媒介。如滑触觉传感器可以通过检测机械手与接触界面间的三维力信息，控制夹持力来防止目标物体与机械手之间发生相对滑动，最终协助机器人完成抓取和操作任务。其中滑动信号是实现机械手夹持力控制的反馈信息，是机器人完成高精度抓取与操作任务的关键所在。国内外学者在触觉传感器三维力测量和滑觉检测方面取得了重要进步，但尚存一定不足。美国斯坦福大学的鲍哲南等人对介电层采用半球形微结构填充，能非常灵敏地检测外界压力，但并不能进行滑觉检测。韩国首尔国立大学Choong等人，提出了一种用金字塔微结构作为介电层的电阻式触觉传感器，该传感器在双轴拉伸方向均具有很高的灵敏度，然而量程较小，而且制备工艺较为复杂。且通常这类传感器用仿生皮肤时多采用刚性基体，缺乏应有的柔性，不适合在机器人关节等曲率较大的地方应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有诸多传感器所存在的不足之处，提出一种基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器，以解决现有传感器不能高精度、大量程的同时检测三维力和滑觉的问题。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器，其特点在于：包括上柔性印刷电路板和下柔性印刷电路板；在所述上柔性印刷电路板的表面印刷有上层公共电极；在所述下柔性印刷电路板的表面印刷有一呈正方形的下层中心电极和等间距位于所述下层中心电极各边外围的四个相同的矩形感应电极；各感应电极以下层中心电极的中心为对称点两两对称；在所述上柔性印刷电路板和下柔性印刷电路板之间设置有介质层，所述介质层的上表面一体化成型有金字塔结构；所述上层公共电极与所述金字塔结构的塔顶接触，所述下层中心电极与所述介质层的下表面接触；在所述上柔性印刷电路板上通过柔性保护层固定有PDMS半球形触头。各感应电极的长边边长等于所述下层中心电极的边长，各感应电极的长边与和其相邻的下层中心电极的边平行。所述介质层的下表面将下层中心电极和四个感应电极全覆盖；所述上层公共电极位于所述下层中心电极的正上方，且所述上层公共电极在所述下柔性印刷电路板(6)表面的正投影将下层中心电极全覆盖，将各感应电极半覆盖。所述介质层以PDMS为材料。所述上柔性印刷电路板和所述下柔性印刷电路板的柔性基底以聚酰亚胺为材质。所述柔性保护层采用硅橡胶材质。在上柔性印刷电路板的柔性基底上设置有过孔形式的上层公共电极焊盘，上层公共电极通过漆包线引至上层公共电极焊盘后，再通过信号线引出；在下柔性印刷电路板的柔性基底上设置有过孔形式的下层中心电极焊盘和各个感应电极的焊盘，下层中心电极和各个感应电极分别通过漆包线引至各自的焊盘后，再通过信号线引出。这种过孔方式可以使布线更加灵活，易于阵列化。上层公共电极层与下层中心电极用于感知触觉信息，上层公共电极与下层4个感应电极用于感知切向信息和滑觉信息。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、本专利技术基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器，与普通触觉传感器和压力传感器相比，既能感知触觉力，又能实现对各个方向剪切力的测量，提高了传感器的机械灵敏度，同时实现了对滑触觉信息的检测，提高了传感器的适用性；2、本专利技术基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器，采用FPCB(其柔性基底为聚酰亚胺)为电极层，采用PDMS为介质层，均为柔性材料，与传统传感器相比，具有非常好的柔性，使传感器的可放置范围更广；3、本专利技术基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器，与一般多层上下结构力敏传感器相比，通过采用金字塔结构的介质层，大大提升了传感器的法向灵敏度和切向灵敏度；且本专利技术通过改变介质层的配比、调整金字塔结构的倾角，可以改变该传感器的灵敏度与量程，进一步扩展了其应用范围；4、本专利技术基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器制备工艺简单、易于推广。附图说明图1是本专利技术基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器的垂直剖面结构图；图2是本专利技术基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器的拆分立体图；图3是本专利技术基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器的三维坐标系图；图4是本专利技术基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器与平面介质层结构传感器的电容-法向力的曲线关系图；图5是本专利技术基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器在压力作用小的动态响应曲线；图6是本专利技术基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器与平面介质层结构传感器的电容-切向力的曲线关系图；图7是本专利技术基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器的采集滑觉信号；图中标号：1PDMS半球形触头；2柔性保护层；3上柔性印刷电路板；4上层公共电极；5介质层；6下柔性印刷电路板；7下层中心电极；8第一感应电极；9第二感应电极；10第三感应电极；11第四感应电极；4A上层公共电极焊盘；7A下层中心电极焊盘；8A第一感应电极焊盘；9A第二感应电极焊盘；10A第三感应电极焊盘；11A第四感应电极焊盘；12漆包线。具体实施方式实施例1如图1、图2所示，本实施例基于金字塔结构的全柔性滑触觉传感器包括上柔性印刷电路板3和下柔性印刷电路板6；在上柔性印刷电路板3的表面印刷有上层公共电极4；在下柔性印刷电路板6的表面印刷有一呈正方形的下层中心电极7和等间距位于下层中心电极各边外围的四个相同的矩形感应电极(第一感应电极8；第二感应电极9；第三感应电极10；第四感应电极11)；各感应电极以下层中心电极7的中心为对称点两两对称；在上柔性印刷电路板3和下柔性印刷电路板6之间设置有介质层5，介质层5的上表面一体化成型有金字塔结构；上层公共电极4与金字塔结构的塔顶接触，下层中心电极7与所述介质层5的下表面接触；也即是说介质层是由一平面层和位于平面层上的金字塔结构两部分组成的，增加金字塔结构层可以提高传感器的分辨力、检测微小的触觉信息，同时平面层的存在增大了传感器的法向量程。在上柔性印刷电路板3上通过柔性保护层2固定有PDMS半球形触头。具体的，各感应电极的长边边长等于下层中心电极的边长，各感应电极的长边与和其相邻的下层中心电极的边平行。介质层的下表面将下层中心电极和四个感应电极全覆盖；上层公共电极4位于下层中心电极7的正上方，且上层公共电极4在下柔性印刷电路板6表面的正投影将下层中心电极7全覆盖，将各感应电极沿长边中线半覆盖。具体的，介质层5的底部平面长8mm、宽8mm、厚度为1mm，位于其上的金字塔结构的底面边长2mm、层高为1mm、倾角为45°。上层公共电极4、下层中心电极7和各感应电极的厚度均为0.25mm，柔性保护层和两柔性印刷电路板的柔性基底的厚度均为0.25mm，PDMS半球形触头半径为4mm，整个传感器高度为7.25mm。下层中心电极7尺寸为5mm×5mm，各感应电极尺寸为5mm×1.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器，其特征在于：包括上柔性印刷电路板(3)和下柔性印刷电路板(6)；在所述上柔性印刷电路板(3)的表面印刷有上层公共电极(4)；在所述下柔性印刷电路板(6)的表面印刷有一呈正方形的下层中心电极(7)和等间距位于所述下层中心电极各边外围的四个相同的矩形感应电极；各感应电极以下层中心电极(7)的中心为对称点两两对称；在所述上柔性印刷电路板(3)和下柔性印刷电路板(6)之间设置有介质层(5)，所述介质层(5)的上表面一体化成型有金字塔结构；所述上层公共电极(4)与所述金字塔结构的塔顶接触，所述下层中心电极(7)与所述介质层(5)的下表面接触；在所述上柔性印刷电路板(3)上通过柔性保护层(2)固定有PDMS半球形触头(1)。

【技术特征摘要】
1.一种基于金字塔结构的全柔性电容式滑触觉传感器，其特征在于：包括上柔性印刷电路板(3)和下柔性印刷电路板(6)；在所述上柔性印刷电路板(3)的表面印刷有上层公共电极(4)；在所述下柔性印刷电路板(6)的表面印刷有一呈正方形的下层中心电极(7)和等间距位于所述下层中心电极各边外围的四个相同的矩形感应电极；各感应电极以下层中心电极(7)的中心为对称点两两对称；在所述上柔性印刷电路板(3)和下柔性印刷电路板(6)之间设置有介质层(5)，所述介质层(5)的上表面一体化成型有金字塔结构；所述上层公共电极(4)与所述金字塔结构的塔顶接触，所述下层中心电极(7)与所述介质层(5)的下表面接触；在所述上柔性印刷电路板(3)上通过柔性保护层(2)固定有PDMS半球形触头(1)。2.根据权利要求1所述的全柔性电容式滑触觉传感器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄英，孙志广，毛磊东，伍璨，郭小辉，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34