一种基于铁钴钒和环氧树脂的触觉传感阵列制造技术

本发明专利技术为一种基于铁钴钒和环氧树脂的触觉传感阵列。该阵列包括9个传感单元，传感单元以3

【技术实现步骤摘要】
一种基于铁钴钒和环氧树脂的触觉传感阵列


[0001]本专利技术基于铁钴钒粉末的逆磁致伸缩效应设计了一种高灵敏度，大测力范围的磁致伸缩触觉传感器阵列，可以快速准确的检测到测力范围内的压力信号，安装在机械手上可以实现对大质量物体的抓取，使其在外界干扰下保持一定的稳定性。

技术介绍

[0002]智能机械手作为机器人重要的反馈环节，在人
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机交换以及环境
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机交换中承担重要的角色。随着科技的发展，对机械手的灵敏性，灵活性，精确性，安全性提出了更高的要求，使得对触觉传感器的深入研究和改进变得尤为重要。近年来，对于磁致伸缩触觉传感器的研究主要以悬臂结构为主，这类传感器具有响应速度快，成本低的特点。但其测力范围较小，限制了这类传感器的用途。如专利CN113970390A，一种用于机械手的高灵敏度柔性磁致伸缩触觉传感器阵列；该器件主要由丝状铁镓合金和隧道磁阻元件(TMR)组成的悬臂梁结构构成，其灵敏度高，但测力范围低，仅为0
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4N。而文献Directandinversemagnetostrictive propertiesofFe
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Co
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Valloyparticle
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dispersedpolyurethanematrixsoftcomposite sheets,SensorsandActuatorsA:Physical,Volume337,2022,113427中，结构上之前的装置以悬臂梁为主，采用的是粉末状铁钴钒和环氧树脂组成的复合材料，在一定偏置磁场下具有比铁钴合金更高的灵敏度和受力范围。但由于制作过程中会留下微量气孔等原因，存在高频响应差的局限。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是针对目前磁致伸缩触觉传感器测力范围较小，形式单一，容易发生塑性形变等问题，提供一种基于铁钴钒和环氧树脂的触觉传感阵列。该传感器阵列由9个单元组成，每个单元采用两层结构的底座，下层为镂空的一个长方体凹槽，用以固定TMR的位置。上层为三个长方体凹槽，分别固定有掺杂铁钴钒的环氧树脂基体与永磁体；当施加垂直方向的应力时，复合基体中的铁钴钒粒子相互碰撞挤压，使基体内部导磁性发生变化，从而使磁感应强度发生改变。下层的TMR检测到Z轴方向磁场的微小变化，内部磁阻发生改变并通过电桥转化为电压信号进行输出。本专利技术具有大测力范围，大弹性形变范围，低耦合的特点，可以实现对50N范围内力的精确检测，形变后可以立刻恢复原型且输出电压恢复为初始值，在循环使用过程中展现出优良的耐用性。
[0004]本专利技术的技术方案是：
[0005]一种基于铁钴钒和环氧树脂的触觉传感阵列，该阵列包括9个传感单元，传感单元以3
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3的方式集成在印刷电路板上，形成3
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3触觉传感阵列；各个传感单元以并联方式进行连接；
[0006]所述的触觉传感单元包括复合基体、底座、永磁体、TMR元件；
[0007]其中，所述的底座为长方体，其上部中心开有第一矩形槽，两侧的边缘对称各开有一个边槽；底部中心还开有第二矩形槽；
[0008]底座中的第一矩形槽内，镶嵌有复合基体，两个边槽中，各镶嵌有一个永磁体3第二矩形槽的中心，固定有TMR元件；TMR元件的底面和底座的底面平齐；
[0009]所述的底座的长、宽、高为8.5～9.5mm*6.3～6.9mm*3.2～3.6mm；
[0010]底座中，第一矩形槽和第二矩形槽的间隔厚度为0.8～1.2mm；
[0011]所述的复合基体为掺杂有铁钴钒粉末的环氧树脂，其中，铁钴钒和环氧树脂以质量比为3：0.9～1.1，铁钴钒为FeCo49V1.8)
[0012]其中，第一矩形槽的长度为底座的长度的50～60％，第一矩形槽的宽度为底座的宽的70～80％，第一矩形槽的深度为底座的厚度的30～40％；
[0013]第二矩形槽的长度为底座的长度的50～60％，第二矩形槽的宽度为底座的宽的70～80％，第二矩形槽的深度为底座的厚度的30～40％；
[0014]边槽的长度为底座的宽度的50～60％，边槽的厚度为底座的厚度的30～40％；边槽的宽度为1.0～1.5mm；
[0015]所述的复合基体的长宽和底座的长宽匹配；复合基体的厚度是第一矩形槽深度的4～4.5倍；
[0016]TMR2503元件的长度是第二矩形槽的长度的55～65％；TMR元件的宽度是第二矩形槽的宽度的55～65％；
[0017]TMR元件的型号为TMR2503。
[0018]所述的永磁体的材质为钕铁硼；铁钴钒为FeCo49V1.8。
[0019]本专利技术的实质性特点为：
[0020]当前技术中，如图4中5为Fe
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Co
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V文献中的固定装置，6为所设计的复合板材，尺寸为10
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10
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2mm3，7为霍尔元件，复合板材结构上水平放置，通过挤压复合板材的一侧，使板材中间部分发生逆磁致伸缩效应，检测对力的反馈。但板材厚度太低会减小同等力下输出电压的大小。
[0021]本专利技术利用双层底座并竖直放置复合基体和TMR元件的相对位置，使复合基体的反馈可以迅速传递到TMR元件，从而进一步提高灵敏度，来实现对力的精确迅速测量。触觉传感器的9个传感单元以相同的间距焊接在印刷电路板上，以减小各单元之间的耦合影响并使输出具有对称性。矩形永磁体用于提供偏置磁场，使复合基体内部磁畴按磁场方向排列。当施加应力时，复合基体内部各粒子之间发生相互碰撞挤压，使基体内部磁畴发生变化，由于逆磁致伸缩效应，使得磁感应强度发生改变，漏磁磁感应强度的变化使得TMR内部磁阻值发生改变，通过电桥电路转换为电信号进行输出。
[0022]本专利技术的有益效果为：
[0023]1、利用高拉伸，压缩，弯曲强度和优良耐腐蚀性，耐热性的环氧树脂作为基体，用23um的雾化铁钴钒粉末作为嵌入体，形成一种对环境友好，逆磁致伸缩性能明显的复合基体。选用高灵敏度Z轴TMR作为感知转换部分，电桥电路作为传导部分实现对大范围力的精确测量。图6为施加在传感器单元上的力与输出电压之间的关系。当方形永磁提供83mT的偏置磁场时，对其施加0
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50N的力，传感单元的输出电压峰值为534mV，灵敏度为10.68mV/N。较现有磁致伸缩触觉传感器测力范围提升了3.125倍。
[0024]2、本专利技术可对剪切力大小进行测量，当对其剪切方向施加力时，复合基体在剪切力方向发生形变，同样引起磁感应强度发生变化，经过TMR与电桥电路进行电信号的输出。
[0025]3、本专利技术的双层底座采用树脂材料，在保护下层TMR的同时固定永磁体与复合基体相对于TMR的位置，提高检测精度。
[0026]4、本专利技术工艺简单，不需要额外的附加电路；
附图说明
[0027]图1是铁钴钒嵌入环氧树脂柔性触觉传感单元正面结构图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于铁钴钒和环氧树脂的触觉传感阵列，其特征为该阵列包括9个传感单元，传感单元以3
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3的方式集成在印刷电路板上，形成3
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3触觉传感阵列；各个传感单元以并联方式进行连接；所述的传感单元包括复合基体、底座、永磁体、TMR元件；其中，所述的底座为长方体，其上部中心开有第一矩形槽，两侧的边缘对称各开有一个边槽；底部中心还开有第二矩形槽；底座中的第一矩形槽内，镶嵌有复合基体，两个边槽中，各镶嵌有一个永磁体3第二矩形槽的中心，固定有TMR元件；TMR元件的底面和底座的底面平齐。2.如权利要求1所述的基于铁钴钒和环氧树脂的触觉传感阵列，其特征为所述的复合基体为掺杂有铁钴钒粉末的环氧树脂，其中，铁钴钒和环氧树脂以质量比为3：0.9～1.1。3.如权利要求1所述的基于铁钴钒和环氧树脂的触觉传感阵列，其特征为所述的底座的长、宽、高为8.5～9.5mm*6.3～6.9mm*3.2～3.6mm；底座...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁玲，陈宇鑫，刘阳，胡博洋，杨惠文，孟凯，林国恒，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：