一种混合式柔性触觉传感器制造技术

本实用新型专利技术为一种混合式柔性触觉传感器。该传感器的组成包括屏蔽层、柔性基底、平面叉指电极、绝缘间隔层、弹性电介质层和触头层；其中，由下至上依次为屏蔽层、柔性基底、绝缘间隔层、弹性电介质层和触头层；所述的绝缘间隔层为框状结构，平面叉指电极粘接在柔性基底上，并位于绝缘间隔层的内框之中；绝缘间隔层的厚度比平面叉指电极的厚度多0.01mm～0.06mm。本实用新型专利技术的电容部分的电极是采用平面叉指电极结构，与传统的平行板型电容式触觉传感器相比，本触觉传感器取消了上浮电极，有利于触觉传感器的柔性化和微型化；采用电容式和电阻式互补的结构，利用电阻式结构作为电容式结构的拓展结构，可以扩大其测量范围。

【技术实现步骤摘要】
一种混合式柔性触觉传感器
本技术属于触觉传感器
，尤其涉及一种混合式柔性触觉传感器。
技术介绍
目前，随着科技的进步以及人们生活水平的提高，服务型机器人正逐渐融入到生活的各个领域，类似人类手指的触觉神经元，触觉传感器作为机器人手指感知外界物理信息的关键部分，能帮助机器人在各种复杂环境下感知外界物体的物理特征，也可以辅助机械手完成预期的动作。另外，触觉在仿生皮肤研究中同样起着举足轻重的作用，为此，研究出一种全柔性，可大面积穿戴的电子皮肤已经成为如今的主流趋势。为了让机械手更好地完成抓取和操作物体的动作，机械手上的触觉传感器必须具备感测三维力及滑移力检测的能力。目前绝大多数触觉传感器的设计原理集中在压阻式或者电容式的的结构，电容式传感器因为其具有体积小、灵敏度高、低噪音、低温漂及低功耗等显著的优点而被广泛应用。传统电容式触觉传感器一般为三层结构即上下电极和电介质层，当受到外力时，极板间距变化小，从而电容变化量小，且上浮电极板的存在限制了传感器的柔性化。大部分电容式触觉传感器应用于机械手时多采用刚性基体，缺乏应有的柔性，不宜在智能机器人弯曲表面广泛应用。利用压阻原理制作的触觉传感器的主要材料是压阻性能较好的压敏导电橡胶，利用压敏导电橡胶制作的触觉传感器具有优良的弹性，拉伸性和柔性，而且它的制作工艺简单，成本低适合电子皮肤的制作。但是导电橡胶的导电性能主要取决于导电颗粒的多少，导电颗粒越多，导电性能越好，但是为了保证导电橡胶具有良好的柔性，导电颗粒所占比例不能太多，从而限制了利用压敏导电橡胶制作触觉传感器的灵敏度。另外，不论是电容式还是电阻式的触觉传感器，其测量量程都不是太大，这就大大限制了机械手的工作范围。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术的不足，针对目前触觉传感器灵敏度不够高，测量范围小，提出一种混合式柔性触觉传感器。该混合式柔性触觉传感器将传统平行极板结构改为平面叉指电极式结构，且相较传统普通平面电极结构的电容式触觉传感器，灵敏度更高；采用电容式和电阻式互补的结构，利用电阻式结构作为电容式结构的拓展结构，可以扩大其测量范围。相对于传统的触觉传感器，本触觉传感器采用电容与电阻的混合结构，即在电容的弹性电介质中添加导电粒子以复用作压阻层的结构；其次，本触觉传感器采用的平面叉指电极结构是根据传统压阻类叉指电极的改进，利用5个叉指电极平铺在基底，形成4个等效电容，便于三维力的测量。本技术解决其技术问题是采用以下技术方案实现的：一种混合式柔性触觉传感器，其组成包括屏蔽层、柔性基底、平面叉指电极、绝缘间隔层、弹性电介质层和触头层；其中，由下至上依次为屏蔽层、柔性基底、绝缘间隔层、弹性电介质层和触头层；所述的绝缘间隔层为方形框状结构，平面叉指电极粘接在柔性基底上，并位于绝缘间隔层的内框之中；绝缘间隔层的厚度比平面叉指电极的厚度多0.01mm～0.06mm；所述的屏蔽层采用方形的铜箔，并通过引线接地；所述的柔性基底层为方形的聚酰亚胺(PI)材料；所述的平面叉指电极是铜箔材质的方形结构，其组成包括一个十字型的叉指电极和四个相同的“E”状的4指叉指电极；所述的十字形叉指电极的组成为十字端和条状分支；所述的十字端的每一端上分布有3个平行、均匀间隔的条状分支，从上端起，按照逆时针依次为向左、向下、向右和向上与十字端相连；四个“E”状的4指叉指电极相应的分别对应的逆向插入到条状分支的间隙中；4个“E”状的4指叉指电极分别和高电平相连；十字型的叉指电极和低电平相连；所述的绝缘间隔层为硅橡胶；所述的弹性电介质层为方形的导电硅橡胶材料；所述的触头层采用截面为梯形的方台状硅橡胶材料；所述的屏蔽层、柔性基底、绝缘间隔层和弹性电介质层的边长相同；所述的屏蔽层的边长优选为22mm，厚度为0.05mm；所述的柔性基底层的厚度为0.05mm；所述的平面叉指电极的厚度为0.05mm；其中的十字端长、宽均为14.5mm；条状分支长6mm，宽0.5mm；叉指之间的间隔为0.5mm；所述的绝缘间隔层的内边长为15.5mm，厚度为1mm；所述的弹性电介质层厚度为3mm；所述的触头层采用截面为梯形的方台状硅橡胶材料，下边长为15.5mm，上边长为7.75mm，高度为2mm。本技术的实质性特点为：1、采用电容式和电阻式互补的结构，即相较以往传统的平面电容式的触觉传感器，本传感器在弹性电介质层中填充了导电粒子以复用作压阻材料，采用此结构的优点是在不影响电容式触觉传感器工作的前提下，增加了一个压阻式的触觉传感器，而且没有增加其他结构，有利于传感器的微型化；另外，电阻式触觉传感器是作为电容式触觉传感器的拓展结构，从而扩大传感器系统的量程。2、采用平面叉指电极结构，所述的平面叉指电极是在以前的压阻式触觉传感器中叉指电极的改进，以往压阻式中的叉指电极采用2个叉指电极组成1对叉指电极组，本专利中的平面叉指电极是同时作为电容部分和压阻部分的电极，而且本平面叉指电极由5个大的叉指电极组成，其中中间的十字状的叉指电极接低电平，周围4个“E”状的叉指电极接高电平，从而可以形成4对叉指电极组。本技术的有益效果为：本技术综合了电容式和压阻式触觉传感器的特点，将电容式触觉传感器和压阻式触觉传感器设计为一个触觉传感器，构成一个混合式柔性触觉传感器。即该电容式触觉传感器的弹性电介质层由传统普通的弹性电介质换为填充导电粒子的弹性电介质层；且混合式柔性触觉传感器的电极采用平面叉指电极作为电容式和电阻式触觉传感器的电极。这种复用结构提高了空间的利用率，有利于传感器的微型化。同时，该传感器采用的平面叉指电极结构是以往压阻式触觉传感器的叉指电极的改进，采用此种电极提高了电容部分的初始电容和灵敏度。本技术的压阻部分是复用电容部分的弹性电介质层，即在弹性电介质中填充导电粒子。当受到的压力足够大时，弹性电介质与电极接触，此时由于电容部分的空气层被完全挤压，电介质完全变为弹性电介质，从而介电常数不再发生变化，电容值也不再发生变化；由于弹性电介质层中添加了导电粒子，与电极接触使其通过电流，继续施加压力，弹性电介质继续发生形变，弹性电介质层中导电粒子之间的间隔发生变化，从而弹性电介质的电阻率发生变化，电阻值发生变化，以反映压力的变化。这种复用结构有利于提高空间利用率，同时压阻部分作为电容部分的拓展结构，可以扩大触觉传感器系统的量程。本技术的电容部分的电极是采用平面叉指电极结构，与传统的平行板型电容式触觉传感器相比，本触觉传感器取消了上浮电极，有利于触觉传感器的柔性化和微型化。与传统的普通平面电极结构的电容式触觉传感器相比，本触觉传感器的平面叉指电极存在多个叉指电容，从而提高了传感器的初始电容和灵敏度，有利于传感器信号的采集。从仿真结果可以看出，采用平面叉指电极的电容式触觉传感器的初始电容可以达到420fF左右，而传统普通的平面电极的触觉传感器的初始电容仅能达到104fF左右，因此平面叉指电极结构更加有利于电容信号的采集；对比平面叉指电极结构的电容式触觉传感器和传统普通平面电极受到正向压力时的变化程度，即ΔC/ΔF，从仿真曲线可以看出，平面叉指电极在受到相同的压力变化时(0N-1N变化)的变化程度更大，能达到29fF左右，而传统普通平面电极仅能达到9.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合式柔性触觉传感器，其特征为该传感器的组成包括屏蔽层、柔性基底、平面叉指电极、绝缘间隔层、弹性电介质层和触头层；其中，由下至上依次为屏蔽层、柔性基底、绝缘间隔层、弹性电介质层和触头层；所述的绝缘间隔层为方形框状结构，平面叉指电极粘接在柔性基底上，并位于绝缘间隔层的内框之中；绝缘间隔层的厚度比平面叉指电极的厚度多0.01mm~0.06mm；所述的屏蔽层采用方形的铜箔；所述的柔性基底为方形的聚酰亚胺（PI）材料；所述的平面叉指电极是铜箔材质的方形结构，其组成包括一个十字型叉指电极和四个相同的“E”状的4指叉指电极；所述的十字型叉指电极的组成为十字端和条状分支；所述的十字端的每一端上分布有3个平行、均匀间隔的条状分支，从上端起，按照逆时针依次为向左、向下、向右和向上与十字端相连；四个“E”状的4指叉指电极相应的分别对应的逆向插入到条状分支的间隙中。

【技术特征摘要】
1.一种混合式柔性触觉传感器，其特征为该传感器的组成包括屏蔽层、柔性基底、平面叉指电极、绝缘间隔层、弹性电介质层和触头层；其中，由下至上依次为屏蔽层、柔性基底、绝缘间隔层、弹性电介质层和触头层；所述的绝缘间隔层为方形框状结构，平面叉指电极粘接在柔性基底上，并位于绝缘间隔层的内框之中；绝缘间隔层的厚度比平面叉指电极的厚度多0.01mm~0.06mm；所述的屏蔽层采用方形的铜箔；所述的柔性基底为方形的聚酰亚胺（PI）材料；所述的平面叉指电极是铜箔材质的方形结构，其组成包括一个十字型叉指电极和四个相同的“E”状的4指叉指电极；所述的十字型叉指电极的组成为十字端和条状分支；所述的十字端的每一端上分布有3个平行、均匀间隔的条状分支，从上端起，按照逆时针依次为向左、向下、向右和向上与十字端相连；四个“E”状的4指叉指电极相应的分...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙英，苑子鹏，刘非，王博文，翁玲，黄文美，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：新型
国别省市：天津,12