一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器，它由三层印刷电路板和两层电介质层基于“三明治结构”堆叠而成，可独立感知作用于触觉传感器的正压力、剪切力和力矩。本发明专利技术将正压力感应层进行阵列式拓展，基于多层印制电路板技术与合理PCB布线布局设计，解决阵列印发的大量走线布线困难与诱发干扰问题，实现触觉传感器空间力高分辨率检测。本发明专利技术将触觉传感器的传感单元与检测电路集成于一体，消除导线传输过程产生的寄生电容，降低噪声影响，检测电路为传感器单元提供AD转换、有源屏蔽与数据交互。本发明专利技术的高灵敏五自由度传感器既能实现多自由度空间力的解耦测量，还实现了高空间分辨率的空间力分布信息检测，同时保证各维力的极高灵敏度检测。

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器
本专利技术属于传感器
，涉及一种触觉传感器，尤其是一种基于电容传导方式的高灵敏五自由度阵列式触觉传感器。
技术介绍
目前机器人已广泛应用于工业自动化制造，并且它们的应用开始多样化，例如开发人形机器人以帮助人们进行日常活动，并协助人们执行诸如交换对象的任务。为了保证智能机器人能够安全地在未知非结构化的日常环境中工作，要求机器人获取周围环境对象的详细信息，而详细信息可通过不同感应源获取，如视觉和触觉。视觉反馈虽然已被广泛地用于机器人的定位和形状识别中，但其易受视线阻碍或灯光偏暗影响；相较之下，触觉反馈可为机器人提供力和接触信息，使其更易适应未知多样性的环境，如人类可依靠全身覆盖的皮肤感知系统接收大千世界的材质与形状信息，因此触觉传感器对于机器人系统与外部世界安全地交互并精确地操纵物体是至关重要的。为了应对各式各样的外界激励，机器人需要具备正压力、剪切力、扭矩和弯曲等各种信息的感知能力。目前在触觉传感器研究历程中，已然突破了三自由度力检测，实现六自由度力和力矩的检测。但就单个六自由度力和力矩触觉传感器而言，只局限于单接触点的检测，而忽略了整体接触区域的检测，无法为机器人提供关于触觉的空间分布的信息，实现设备与接触物体精确稳定的接触。为了为机器人提供触觉完备精确的空间分布信息，国内外学者针对触觉传感阵列开展了系列研究。目前，国内外在触觉传感阵列方面的研究现况中，为了提高阵列传感的空间分辨率，提出从拓展触觉传感器的阵列数与实现阵列单元的微型化两个方向进行设计，但该两个措施势必引起阵列引出信号线骤增导致布线困难与杂散电容干扰产生，导致现有的阵列式传感器难以突破更高分辨率。同时，目前研究现状中，阵列式触觉传感器配备的阵列式扫描电路普遍存在体积大、大阵列规模扫描电路测量速度慢、不易于阵列数可拓展等问题，有待进一步研究。目前，现有多自由度触觉传感器在多维力测量上，普遍存在切向灵敏度低于正向载荷测量灵敏度的问题，而对于触觉传感器来说，灵敏度是衡量触觉传感器的重要指标灵敏度，并且各向测量灵敏度不同级问题的存在，会阻碍触觉传感器对于空间多维力独立检测的实现。目前，现有的触觉传感器与检测电路大多是分离的，会导致在信号传播途中干扰信号的增加，并且破坏传感器的整体性；同时对于目前应用广泛的电容式触觉传感器，很难实现微型化，因为电容触觉传感器微型化导致自身电容变小，使其易受寄生电容的影响，信噪比低，抗干扰的能力弱，不满足传感器的基本要求，无法为机器人提供可靠的载荷分布与力矩检测数据，致使其控制机构无法及时做出正确的判断。综上所述，现有的多维触觉传感器存在局限于单点检测、各向测量灵敏度不同级且灵敏度有待提升、易受寄生电容的影响与存在干扰信号等问题，将导致所服务的机器人无法准确地获取接触物的空间分布信息，致使其控制机构无法及时地做出正确的判断，保证不了智能机器人安全地在未知非结构化的日常环境中工作。因此要求多维触觉传感器实现阵列式、高灵敏度、微型化与集成化的特征。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器，能够克服以往触觉传感器切向检测灵敏度低于正向检测灵敏度的不足之处，实现高灵敏度空间力检测，同时在满足微型化和集成化的条件下保证具备信噪比高、低噪声、重复性良好、滞后性低等传感器的优良特性。本专利技术为解决技术问题，采用如下的技术方案：一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器，由上至下，依次由上层印制电路板、剪切电介质层、中间层印刷电路板、正向电介质层和下层印刷电路板组成，其中，所述的上层印制电路板为双面板，上面板整体覆铜接地，作为传感器的上表面；下面板设置沿斜对角线呈横纵向对称分布的多对条状裸露电极，作为剪切力检测的接地极；所述的中间层印刷电路板为四面板，上面板设置与所述上层印制电路板下面板镜像的多对条状裸露电极，作为剪切力检测的感应极；下面板设置矩形裸露电极，作为正压力检测的感应极；所述的下层印制电路板为双面板，上面板设置一大矩形裸露电极，作为正压力检测的接地极；下面板整体覆铜接地，作为传感器的下表面；所述的剪切电介质层和正向电介质层作为传感器力敏感元件，为一层硅橡胶材质形成的矩形平膜片。其中，所述的上层印制电路板下面板和中间层印刷电路板上面板设置的多对条状裸露电极为双叉指结构，且上下镜像的双叉指状电极在对齐上要求双叉指电极结构有小量的偏移，以在每两根相邻的电容极板之间产生一对差分信号，实现触觉传感器在剪切力方向的超高灵敏度检测；所述的双叉指状电极除设置电容极外，另增设有缘屏蔽电极，有源屏蔽电极与电容极交替分布，消除杂散电容干扰；所述的正向电介质为一层稀疏结构的硅像胶，剪切电介质层为一层大剪切模量的均匀硅橡胶，进一步提高触觉传感器压力与剪切力灵敏度。其中，所述的下层印制电路板上面板的大矩形裸露电极面积须略大于所述的中间层印刷电路板的N2块矩形裸露电极的外围面积，保证正压力检测中与剪切力解耦；所述的上层印制电路板下面板设置的横纵向对称分布的多对条状裸露电极长度须略大于所述中间层印制电路板上面板的电极的长度，可实现剪切力检测电容器的横纵向解耦；所述的双叉指电极的指状结构宽度须远远大于电容极板间距与双叉指电极正对面宽度的乘积，实现剪切力检测中与正压力解耦能力。其中，所述的中间层印刷电路板下面板设置N2块矩形裸露电极，呈N×N阵列式分布，可达高分辨率空间力检测，N2路信号布线时保证最短走线路径到达可编程电容数字转换芯片，以减少杂散电容产生。其中，所述的上层印制电路板、中间层印刷电路板和下层印刷电路板采用印制电路板技术(PCB技术)制作；所述的剪切力电介质层和正压力电介质层采用MEMS制作工艺技术和倒模技术制备。其中，所述的中间层印刷电路板嵌入检测电路，中间层印刷电路板四面板的其中两面实现检测电路的布线。本专利技术对比现有技术，有如下优点：1)多自由度阵列式检测：为了应对各式各样的外界激励，本专利技术的一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器通过对分层结构设计，由其包括的正压力检测电容器与剪切力检测电容器，具备了正压力、剪切力和力矩等各种信息的感知能力。同时为了为机器人提供触觉空间分布力信息，本专利技术的触觉传感器将正压力检测层矩形电极进行高密度阵列式拓展，实现高空间分辨率的空间力检测。2)高灵敏度检测：本专利技术的一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器，通过构造所述剪切力检测电容器的双叉指电极结构和所述正压力检测电容器的硅胶疏松电介质结构，极大程度地提高了触觉传感器正压力与剪切力的灵敏度。同时，本专利技术采用解耦设计，剪切力检测电容器通过构造差分结构和限定其指定参数(所述的剪切力检测电容器的上下层印刷的双叉指电极的指状结构宽度须远远大于所述剪切力检测电容器的平板间距与双叉指电极正对面宽度的乘积)，解决正压力耦合到剪切力检测通道中；而正压力检测电容器器通过对其印刷的电极板尺寸设立要求(下层印制电路板印刷的接地极板尺寸应略大于所述的上层印制电路板印刷的感应极板的外围尺寸)，避免正压力检测电容器受到剪切力的影响；3)高度集成化：本专利技术高灵敏五自由度阵列式触觉传感器采用微机械加工技术和等离子处理基础，并将传感单元与测量电路集于一体，实现触觉传感器结构的微型化和集成化，可服务于体积、环境等受限制的机构；4)低噪声、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器，其特征在于：由上至下，依次由上层印制电路板(11)、剪切电介质层(4)、中间层印刷电路板(12)、正向电介质层(8)和下层印刷电路板(13)组成，其中，所述的上层印制电路板(11)为双面板，上面板整体覆铜接地，作为传感器的上表面；下面板设置沿斜对角线呈横纵向对称分布的多对条状裸露电极，作为剪切力检测的接地极；所述的中间层印刷电路板(12)为四面板，上面板设置与所述上层印制电路板(11)下面板镜像的多对条状裸露电极，作为剪切力检测的感应极；下面板设置矩形裸露电极，作为正压力检测的感应极；所述的下层印制电路板(13)为双面板，上面板设置一大矩形裸露电极，作为正压力检测的接地极；下面板整体覆铜接地，作为传感器的下表面；所述的剪切电介质层(4)和正向电介质层(8)作为传感器力敏感元件，为一层硅橡胶材质形成的矩形平膜片。

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器，其特征在于：由上至下，依次由上层印制电路板(11)、剪切电介质层(4)、中间层印刷电路板(12)、正向电介质层(8)和下层印刷电路板(13)组成，其中，所述的上层印制电路板(11)为双面板，上面板整体覆铜接地，作为传感器的上表面；下面板设置沿斜对角线呈横纵向对称分布的多对条状裸露电极，作为剪切力检测的接地极；所述的中间层印刷电路板(12)为四面板，上面板设置与所述上层印制电路板(11)下面板镜像的多对条状裸露电极，作为剪切力检测的感应极；下面板设置矩形裸露电极，作为正压力检测的感应极；所述的下层印制电路板(13)为双面板，上面板设置一大矩形裸露电极，作为正压力检测的接地极；下面板整体覆铜接地，作为传感器的下表面；所述的剪切电介质层(4)和正向电介质层(8)作为传感器力敏感元件，为一层硅橡胶材质形成的矩形平膜片。2.根据权利要求1所述的一种高灵敏五自由度阵列式触觉传感器，其特征在于：所述的上层印制电路板(11)下面板和中间层印刷电路板(12)上面板设置的多对条状裸露电极为双叉指结构，且上下镜像的双叉指状电极在对齐上要求双叉指电极结构有小量的偏移，以在每两根相邻的电容极板之间产生一对差分信号，实现触觉传感器在剪切力方向的超高灵敏度检测；所述的双叉指状电极除设置电容极外，另增设有缘屏蔽电极，有源屏蔽电极与电容极交替分布，消除杂散电容干扰；所述的正向电介质层(8)为一层稀疏结构的硅像胶，剪切电介质层(4)为一层大剪切模...

【专利技术属性】
技术研发人员：楚中毅，苏琳，孙俊，宋婷，朱康武，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11