一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列制造技术

本发明专利技术公开了一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列。包括上下叠层的具有金字塔凸台的PDMS上封装层、超声感知阵列、超声感知阵列基底层、柔性压敏感知阵列、柔性压敏感知阵列基底层和具有金字塔凹槽的PDMS下封装层；交流电下，超声感知阵列发射超声波，经物体反射后接收；压力传递到柔性压敏感知阵列上；具有金字塔凸台的PDMS上封装层与具有金字塔凹槽的PDMS下封装层形成互锁定位结构。本发明专利技术保证超声感知检测精度，解决了下压过程中超声感知的干扰问题，减小PVDF敏感层单元的热通量，提高超声感知功能的灵敏度和成像精度，受环境影响小，检测精度高，检测距离远。检测距离远。检测距离远。

【技术实现步骤摘要】
一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列


[0001]本专利技术涉及一种柔性传感器，具体涉及一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列。

技术介绍

[0002]随着机器人领域的迅猛发展，将柔性化的传感器集成在智能机器人上使其具有感知能力，将传统的单向开环人工操作转变为双向闭环的人机交互过程，提升了机器人执行复杂精细任务的能力，推动了人机环境的共融交互，在应用上存在着巨大的潜力。
[0003]机器人对感知能力的需求，不仅包括接触感知能力，还包括非接触感知能力。接触感知能力使机器人获得丰富的物体表面信息，进而为机器人执行任务提供数据支持和反馈。非接触感知主要有两方向应用，其一是安全检测，比较突出的是当即将要发生碰撞时，及时停止设备，进而保护操作者的安全；第二种应用方向是在抓取方面，非接触感知可以首先检测物体的形状，判断所需的抓取手势，同时还可以保证机械人的多个手指同时触碰被抓取物，以提高抓取的准确度，避免进行物体操纵之前的非必要移动。传统上实现非接触感知的手段是视觉检测，这种检测方式对远距离的大目标有非常好的优势，但是当检测范围缩小到50cm以下时，视觉检测开始出现问题，可能存在被物体遮挡，从而导致检测失败的问题，特别是当检测距离进一步缩小到10cm以下的接近区，这种问题更加剧烈。另外，视觉检测受环境影响大，精度低也限制了其在近距离方向的应用。因此，在成熟的柔性触觉传感器的基础上，集成非接触感知能力是有必要的。目前已经被报道的具有接触与非接触感知能力的柔性传感器中，非接触感知能力的实现主要借助磁场、电场、摩擦电、湿度场等原理。其中磁场原理只能检测磁性物体；电场原理主要是采用电容原理，但是影响电容的因素较多，使得应用受限；摩擦电原理和湿度场原理的检测距离小，受环境影响大。

技术实现思路

[0004]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列。
[0005]本专利技术采用超声波进行近距离感知，避免磁场原理只能检测磁性物体的问题，同时受环境影响小，检测精度高，检测距离远；采用压阻原理进行压力感知，原理简单，制造方便，灵敏度高。两种感知功能可以同时工作，引入金字塔互锁定位结构，使得超声感知不被干扰，保证超声感知检测精度，解决了下压过程中超声感知的干扰问题，发射并接收超声波的PVDF敏感层单元采用同心圆结构设计，使超声波可以进行多频工作的同时，减小发射并接收超声波的 PVDF敏感层单元的热通量，提高超声感知功能的灵敏度和成像精度。
[0006]本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一、一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列：
[0008]所述的柔性复合式传感阵列包括从上到下依次叠层分布的具有金字塔凸台的PDMS上封装层、超声感知阵列、超声感知阵列基底层、柔性压敏感知阵列、柔性压敏感知阵
列基底层和具有金字塔凹槽的PDMS下封装层；在交流电的作用下，超声感知阵列利用逆压电效应发射超声波，经外界物体反射后由超声感知阵列接收并输出电压信号；当有外界压力施加在柔性复合式传感阵列时，外界压力经具有金字塔凸台的PDMS上封装层和超声感知阵列基底层传递到柔性压敏感知阵列上，使柔性压敏感知阵列产生并输出压力信号；具有金字塔凸台的PDMS上封装层与具有金字塔凹槽的PDMS下封装层形成互锁定位结构。
[0009]超声感知阵列基底层和柔性压敏感知阵列基底层均具有完整覆盖的面积。
[0010]所述的超声感知阵列与超声感知阵列基底层上表面紧密贴合，所述的超声感知阵列由超声感知阵列上电极层、发射并接收超声波的PVDF敏感层、超声感知阵列的圆形绝缘隔离块、超声感知阵列下电极层组成；
[0011]超声感知阵列上电极层是由N行
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N列阵列排布的超声感知上电极单元构成，发射并接收超声波的PVDF敏感层是由N行
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N列阵列排布的PVDF敏感单元构成，超声感知阵列下电极层是由N行
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N列阵列排布的超声感知下电极单元构成，每个超声感知上电极单元和一个PVDF敏感单元、一个超声感知下电极单元从上到下依次层叠贴合在一起构成一个超声感知单元，多个超声感知单元在超声感知阵列基底层上表面排布形成均匀间隔的N行
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N列的阵列结构；
[0012]超声感知上电极单元都引出一根电极线，共N
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N根电极线，N
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N个超声感知下电极单元相串联共引出一根电极线，通过每个超声感知上电极单元的电极线与超声感知下电极单元的电极线连接到外围电路分别采集各个超声感知单元反馈的超声感知信号，超声感知上电极单元所引出的电极线和超声感知下电极单元所引出的电极线之间的交叉处设置圆形绝缘隔离块进行绝缘阻隔；超声感知阵列上电极层、超声感知阵列下电极层和发射并接收超声波的PVDF敏感层形成闭合回路，超声感知阵列上电极层和超声感知阵列下电极层的电极线之间通以交流电，通过逆压电效应，发射并接收超声波的PVDF敏感层将电能转化为机械振动，从而激发超声波。
[0013]不同的超声感知单元的工作频率不同，也可以相同。优选的是频率不同。
[0014]所述的柔性压敏感知阵列与柔性压敏感知阵列基底层上表面紧密贴合,所述的柔性压敏感知阵列由石墨烯图案阵列、柔性压敏感知阵列下电极层、柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块、柔性压敏感知阵列上电极层组成；
[0015]石墨烯图案阵列是由N行
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N列阵列排布的石墨烯单元构成，每个石墨烯单元都有两个输出引脚，同行的N个石墨烯单元的一个输出引脚通过柔性压敏感知下电极的电极线串联组成一组石墨烯单元组，同列的N个石墨烯单元的另一个输出引脚通过柔性压敏感知下电极的电极线串联组成一组石墨烯单元组，共N+N组，每组石墨烯单元组经各自引一根电极线，将电极信号集中经此根电极线输出，共有N+N根电极线，采用行列扫描方式采集柔性压敏感知阵列的压力感知信号；柔性压敏感知上电极层的电极线和柔性压敏感知下电极层的电极线之间的交叉处设置柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块进行绝缘阻隔。
[0016]每个石墨烯单元和柔性压敏感知下电极层电极线连接之后构成一个压力感知单元，多个压力感知单元在柔性压敏感知阵列基底层上表面排布形成均匀间隔的N行
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N列的阵列结构。
[0017]具有金字塔凸台的PDMS上封装层与具有金字塔凹槽的PDMS下封装层中均包括相同N行
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N列均匀阵列排列的单元格，与超声感知阵列中的超声感知单元和柔性压敏感知阵
列中的压力感知单元阵列排布相对齐一致；每个单元格中，具有金字塔凸台的PDMS上封装层底面具有多个金字塔凸台，具有金字塔凹槽的PDMS下封装层底面具有多个金字塔凹槽，金字塔凸台和金字塔凹槽一一对应布置且相互嵌套配合，金字塔凸台和金字塔凹槽均位于未设有超声感知单元处，但位于压力感知单元处，下压金字塔凸台使得仅将超声感知阵列基底层、柔性压敏感知阵列、柔性压敏感知阵列基底层被压嵌入到金字塔凹槽中。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列，其特征在于：所述的柔性复合式传感阵列包括从上到下依次叠层分布的具有金字塔凸台的PDMS上封装层(1)、超声感知阵列(2)、超声感知阵列基底层(3)、柔性压敏感知阵列(4)、柔性压敏感知阵列基底层(5)和具有金字塔凹槽的PDMS下封装层(6)；在交流电的作用下，超声感知阵列(2)利用逆压电效应发射超声波，经外界物体反射后由超声感知阵列(2)接收并输出电压信号；当有外界压力施加在柔性复合式传感阵列时，外界压力经具有金字塔凸台的PDMS上封装层(1)和超声感知阵列基底层(3)传递到柔性压敏感知阵列(4)上，使柔性压敏感知阵列(4)产生并输出压力信号；具有金字塔凸台的PDMS上封装层(1)与具有金字塔凹槽的PDMS下封装层(6)形成互锁定位结构。2.根据权利要求1所述的一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列，其特征在于：所述的超声感知阵列(2)与超声感知阵列基底层(3)上表面紧密贴合，所述的超声感知阵列(2)由超声感知阵列上电极层(7)、发射并接收超声波的PVDF敏感层(8)、超声感知阵列的圆形绝缘隔离块(9)、超声感知阵列下电极层(10)组成；超声感知阵列上电极层(7)是由N行
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N列阵列排布的超声感知上电极单元构成，发射并接收超声波的PVDF敏感层(8)是由N行
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N列阵列排布的PVDF敏感单元构成，超声感知阵列下电极层(10)是由N行
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N列阵列排布的超声感知下电极单元构成，每个超声感知上电极单元和一个PVDF敏感单元、一个超声感知下电极单元从上到下依次层叠贴合在一起构成一个超声感知单元(15)，多个超声感知单元(15)在超声感知阵列基底层(3)上表面排布形成均匀间隔的N行
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N列的阵列结构；超声感知上电极单元都引出一根电极线，共N
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N根电极线，N
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N个超声感知下电极单元相串联共引出一根电极线，通过每个超声感知上电极单元的电极线与超声感知下电极单元的电极线连接到外围电路分别采集各个超声感知单元(15)反馈的超声感知信号，超声感知上电极单元所引出的电极线和超声感知下电极单元所引出的电极线之间的交叉处设置圆形绝缘隔离块(9)进行绝缘阻隔；超声感知阵列上电极层(7)、超声感知阵列下电极层(10)和发射并接收超声波的PVDF敏感层(8)形成闭合回路，超声感知阵列上电极层(7)和超声感知阵列下电极层(10)的电极线之间通以交流电，通过逆压电效应，发射并接收超声波的PVDF敏感层(8)将电能转化为机械振动，从而激发超声波。3.根据权利要求1所述的一种具有超声与压力感知功能的柔性复合式传感阵列，其特征在于：所述的柔性压敏感知阵列(4)与柔性压敏感知阵列基底层(5)上表面紧密贴合,所述的柔性压敏感知阵列(4)由石墨烯图案阵列(11)、柔性压敏感知阵列下电极层(12)、柔性压敏感知阵列的圆形绝缘隔离块(13)、柔性压敏感知阵列上电极层(14)组成；石墨烯图案阵列(11)是由N行
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N列阵列排布的石墨烯单元构成，每个石墨烯单元都有两个输出引脚，同行的N个石墨烯单元的一个输出引脚通过柔性压敏感知下电极的电极线串联组成一组石墨烯单元组，同列的N个石墨烯单元的另一个输出引脚通过柔性压敏感知下电极的电极线串联组成一组石墨烯单元组，共N+N组，每组石墨烯单元组经各自引一根电极线，将电极信号集中经此根电极线输出，共有N+N根电极线，采用行列扫...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪延成，张中坛，梅德庆，陈志坚，戴松乔，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：