一种多功能的水下柔性传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种多功能的水下柔性传感器。传感器主要由第一力传导层、基底层和第二力传导层依次层叠组成，电极层和压敏材料层分别放置在基底层上，第一、二压敏单元分别位于压敏材料层的周围和中央，第一、二压敏单元上均设有两个独立引脚，独立引脚通过电极层中的电极线外接电路板，第一力传导层下表面的中央设有环形墙壁，环形墙壁与基底层密封接触连接，第一力传导层和第二力传导层上设置有相互配合的凸起结构，压敏材料层设置和凸起结构配合的图形，通过三者之间的配合在受压情况下能够使压敏材料层的电阻发生变化。本发明专利技术中的传感器可以直接暴露在水中使用，实现对水下环境高量程、低干扰、全过程的力触觉感知和水深检测。测。测。

【技术实现步骤摘要】
一种多功能的水下柔性传感器


[0001]本专利技术属于水下机器人
的一种传感器，尤其是涉及了一种多功能的水下柔性传感器。

技术介绍

[0002]随着水下机器人技术的发展，以机器人代替潜水员开展巡检、感知、诊断、作业等任务是实现水下设施高效率、低成本智能运维的新途径。在水下机器人上集成触觉感知系统，构建具有力触觉感知能力和反馈的智能机器人，有利于推动人机共融协作的水陆跨域临场感遥操作控制，在我国水下运维应用和海洋资源开发领域存在巨大潜力。
[0003]水下机器人对感知能力的要求，主要是在水下执行操作时对抓取物力觉信息的采集和通过检测水下压强来判定所处位置在水下的深度。水下的力触觉感知能力使得机器人在复杂水环境下能够获得丰富的物体表面信息，如形状、软硬、滑移，进而为机器人执行抓取操作提供状态显示和数据反馈。水下深度的感知能力可以使机器人及时采取措施应对不同水下深度环境的突发状况，同时对水下的探索活动都是至关重要的。
[0004]柔性电子皮肤技术由于其高柔性、高灵敏度和可穿戴等特点被广泛关注研究，并有望满足水下传感需求。然而，由于水下复杂环境引起的一系列技术故障，相对于空气中的电子皮肤技术，水下柔性传感器技术尚不成熟。通常水生介质如海水等离子导电性强的介质可能会引起电气干扰、短路甚至电化学腐蚀等问题，往往需要额外的防水密封包装来保护各部件免受水的损害，但是这种密封方式不可避免的会引起尺寸变大、柔性变差、灵敏度降低等严峻问题，另外，传感器在水下长时间使用或由于表面所受水压，存在封装泄露导致传感器失效的问题。更重要的是，水环境下水压会随着水深的增加而增大，这对柔性传感器的密封封装和保持较高灵敏度是巨大的考验，且水下环境存在横流和水生生物游动产生的扰动力会对水下传感器的输出信号造成影响。

技术实现思路

[0005]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供一种多功能的水下柔性传感器，能够实现对水下环境高量程、低干扰、全过程的力触觉感知和水深检测。
[0006]本专利技术采用的技术方案是：
[0007]主要由第一力传导层、基底层和第二力传导层依次层叠组成，电极层和压敏材料层分别放置在基底层的外圈和内圈上，压敏材料层经电极层外接电路板；
[0008]传感器放在水下，第一力传导层和第二力传导层上设置有相互配合的凸起结构，压敏材料层设置和凸起结构配合的图形，通过第一力传导层、压敏材料层和第二力传导层之间的配合在受压情况下能够使压敏材料层的电阻发生变化，利用电路板测得的压敏材料层的电阻变化，获得传感器在水下的位置信息和在水中受到的压力信息。
[0009]所述的压敏材料层包括第一压敏单元和第二压敏单元，第二压敏单元位于压敏材料层的中央，多个第一压敏单元在第二压敏单元周围沿着压敏材料层的周向均匀间隔地布
置，第一压敏单元的两侧和第二压敏单元的两侧均设置有两个凸缘分别作为第一压敏单元的两个独立引脚和第二压敏单元的两个独立引脚；
[0010]第一压敏单元和第二压敏单元均放置在基底层的上表面，第一压敏单元和第二压敏单元之间存在空隙区。
[0011]所述第一力传导层下表面的中央设有环形凸起作为环形墙壁，环形墙壁的下表面与基底层上表面中央密封接触连接，使得环形墙壁之内的第一力传导层和基底层之间形成相对封闭的空腔，压敏材料层中的第二压敏单元位于空腔内部；
[0012]所述第一力传导层下表面和第二力传导层上表面均设有凸起结构，凸起结构包括内、外两圈第一圆凸台组和一圈第二圆凸台组，每圈第一圆凸台组主要由若干个第一圆凸台沿着第一力传导层的周向均匀间隔排布形成，第二力传导层中的第一圆凸台与第一力传导层中的第一圆凸台的数量和排布位置分布相同且对齐，第一力传导层上内圈的第一圆凸台组位于环形墙壁的外侧；第二圆凸台组主要由若干个圆凸台阵列沿着第一力传导层的周向均匀间隔排布形成，第二力传导层中的圆凸台阵列与第一力传导层中的圆凸台阵列的数量和排布位置分布相同且对齐，外圈的第一圆凸台组和一圈第二圆凸台组位于同一周向方向上，且使得第一圆凸台和圆凸台阵列沿周向交替布置；
[0013]每个第一压敏单元的中部均开设有槽口，第一力传导层上外圈第一圆凸台组中的第一圆凸台位于第一压敏单元的槽口处，第一力传导层上内圈第一圆凸台组中的第一圆凸台位于第一压敏单元和第二压敏单元之间的空隙区，第一力传导层和第二力传导层均通过第一圆凸台与基底层连接，第一力传导层中的圆凸台阵列和第二力传导层中的圆凸台阵列分别位于第一压敏单元未开槽口处的上侧和下侧；
[0014]圆凸台阵列主要由若干个第二圆凸台紧密阵列排列形成，第一圆凸台的高度大于第二圆凸台的高度，第二力传导层中的第二圆凸台与第一力传导层中的第二圆凸台在竖直方向上错位排布。
[0015]所述的电极层主要由若干根电极线组成，电极线的一端放置在基底层的上表面，电极线的另一端均匀排布在基底层的外侧，每根电极线中放置在基底层上的一端分别与第一压敏单元上或第二压敏单元上的一个独立引脚电择一连接，电极线中排布在基底层的外侧的一端通过线路板与电路板连接。
[0016]所述的压敏材料层主要由未固化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为基底材料，并混合石墨烯纳米片和碳纳米管颗粒制备而成。
[0017]所述的电极层主要由银纳米导电颗粒和未固化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合制备而成，电极层的表面涂敷有聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为防水涂层。
[0018]所述的第一力传导层、基底层和第二力传导层均采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为基底材料制成。
[0019]本专利技术的有益效果是：
[0020]1、本专利技术利用压阻原理实现对水下压力感知和水下深度检测功能，利用低表面活性能、憎水的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为导电聚合物的基底，制备可以直接暴露在离子导电性强的水生介质并正常工作的柔性压敏感知材料和柔性电极材料。
[0021]2、本专利技术中的传感器外侧无需密封，利用水的压强自平衡避免由于水下压强对传感器挤压造成的信号干扰。
[0022]3、本专利技术在柔性电极表面涂敷聚二甲基硅氧烷(PDMS)防水涂层，阻绝水与柔性电极之间形成导电通路避免引起电气干扰，甚至短路。
[0023]4、本专利技术中引入多级圆凸台微结构，提高多功能传感器灵敏度的同时，避免如水下横流引起的信号扰动和检测失效，最终利用传感器能够实现对水下环境高量程、低干扰、全过程的力触觉感知和水深检测。
附图说明
[0024]图1是本专利技术多功能水下柔性传感器的分层结构爆炸示意图；
[0025]图2是压敏材料层和电极层的位置分布俯视图；
[0026]图3是压敏材料层俯视图；
[0027]图4是电极层俯视图；
[0028]图5(a)是第一传导层的平面图，图5(b)是第二力传导层的平面图；
[0029]图6(a)是印刷有压敏材料层图案的丝网印刷版，图6(b)是印刷有电极层图案的丝网印刷版；
[0030]图7(a)是本专利技术传感器刚浸泡在水环境时的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多功能的水下柔性传感器，其特征在于：主要由第一力传导层(1)、基底层(4)和第二力传导层(5)依次层叠组成，电极层(3)和压敏材料层(2)分别放置在基底层(4)的外圈和内圈上，压敏材料层(2)经电极层(3)外接电路板；传感器放在水下，第一力传导层(1)和第二力传导层(5)上设置有相互配合的凸起结构，压敏材料层(2)设置和凸起结构配合的图形，通过第一力传导层(1)、压敏材料层(2)和第二力传导层(5)之间的配合在受压情况下能够使压敏材料层(2)的电阻发生变化，利用电路板测得的压敏材料层(2)的电阻变化，获得传感器在水下的位置信息和在水中受到的压力信息。2.根据权利要求1所述的一种多功能的水下柔性传感器，其特征在于：所述的压敏材料层(2)包括第一压敏单元(6)和第二压敏单元(7)，第二压敏单元(7)位于压敏材料层(2)的中央，多个第一压敏单元(6)在第二压敏单元(7)周围沿着压敏材料层(2)的周向均匀间隔地布置，第一压敏单元(6)的两侧和第二压敏单元(7)的两侧均设置有两个凸缘分别作为第一压敏单元(6)的两个独立引脚和第二压敏单元(7)的两个独立引脚；第一压敏单元(6)和第二压敏单元(7)均放置在基底层(4)的上表面，第一压敏单元(6)和第二压敏单元(7)之间存在空隙区。3.根据权利要求1所述的一种多功能的水下柔性传感器，其特征在于：所述第一力传导层(1)下表面的中央设有环形凸起作为环形墙壁(8)，环形墙壁(8)的下表面与基底层(4)上表面中央密封接触连接，使得环形墙壁(8)之内的第一力传导层(1)和基底层(4)之间形成相对封闭的空腔，压敏材料层(2)中的第二压敏单元(7)位于空腔内部；所述第一力传导层(1)下表面和第二力传导层(5)上表面均设有凸起结构，凸起结构包括内、外两圈第一圆凸台组和一圈第二圆凸台组，每圈第一圆凸台组主要由若干个第一圆凸台(9)沿着第一力传导层(1)的周向均匀间隔排布形成，第二力传导层(5)中的第一圆凸台(9)与第一力传导层(1)中的第一圆凸台(9)的数量和排布位置分布相同且对齐，第一力传导层(1)上内圈的第一圆凸台组位于环形墙壁(8)的外侧；第二圆凸台组主要由若干个...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪延成，张中坛，梅德庆，项飞鹤，
申请(专利权)人：东海实验室，
类型：发明
国别省市：