一种柔性共形仿生触须传感器制造技术

本发明专利技术涉及测量值

【技术实现步骤摘要】
一种柔性共形仿生触须传感器


[0001]本专利技术涉及测量值
、
信号的传输
，尤其涉及一种柔性共形仿生触须传感器
。

技术介绍

[0002]在生物界中多数动物通过视觉
、
听觉
、
触觉等方式感知外部环境的微弱变化
。
但对于啮齿动物，它们在黑夜中的视觉系统得不到完全的发挥，因此，主要依靠触觉系统感知外部环境
。
如老鼠利用胡须感知周围环境轻微压力的变化，从而判断前方是否有障碍物，老鼠的胡须扮演着“雷达”的作用，在安全导航方面有显著的优势
。
基于这一特征，仿生类触须传感器引起了人们的广泛关注
。
[0003]仿生触觉感知技术可模拟动物触须感知环境的多种特征，将其安置在机器鼠身上，可进一步增强机器鼠的环境感知能力，提高其自主运动的敏捷性和适应性
。
作为触觉感知领域新兴研究方向，仿生触觉感知技术具有实现结构简单
、
信息可靠
、
数据处理方便
、
适应性强等特点，为仿生机器人在恶劣环境和受限空间的探测提供了新的解决方案
。
目前，通过模仿动物胡须的原理，人们已制造出来多种触须传感器
。
如专利
CN107655392A
专利技术了一种将霍尔传感器和触点传感器相结合的触须传感器；专利
CN101718535A
提出了一种基于
PSD
传感器的触须传感器；专利
CN112763751A
提出了一种被动式触须传感器；专利
CN110726756A
提出了一种基于摩擦纳米发电机的仿生触须传感器
。
[0004]通过对以上触须传感器总结分析发现现有触须传感器大多数基于硅基或硬铝合金等刚性基底或应变片等结构，这使得器件很难兼具柔性化
、
多维监测及高灵敏度等特点
。
此外，目前的触须传感器敏感材料多采用金属导体，且长径比与延展性受限加工工艺，致使其无法真实模拟动物触须感知功能，完成对恶劣环境嵌入侦查的需求
。
所以，专利技术一种能够同时兼备柔性化
、
高灵敏
、
多维监测的力学传感器对于推进仿生机器鼠的环境感知能力及其重要
。

技术实现思路

[0005]为克服现有触须压力传感器柔性化程度低
、
灵敏度低
、
感知压力方向单一的技术缺陷，本专利技术提供了一种柔性共形仿生触须传感器
。
[0006]本专利技术提供了一种柔性共形仿生触须传感器，包括圆柱形底座
、
圆锥台支撑件
、
活动顶盖以及柔性薄膜球形罩，圆柱形底座的侧壁上沿其周向开有与圆柱形底座同轴的环形槽，圆锥台支撑件固定连接至圆柱形底座的顶部，且圆锥台支撑件的顶部固定连接有球体，球体为大于半球的球缺，球体
、
圆锥台支撑件以及圆柱形底座同轴设置，活动顶盖中开有与球体装配的球形腔，球形腔的体积大于半球且小于球体，球体与球形腔共同组成转动组件，活动顶盖的顶部中心固定连接有纤毛，不受力的情况下纤毛位于圆柱形底座的轴线上，柔性薄膜球形罩整体为大于半球的球缺，柔性薄膜球形罩的顶部开有用于穿置纤毛的通孔，柔性薄膜球形罩将活动顶盖
、
球体
、
圆锥台支撑件罩在其内且其底部卡箍至圆柱形底座侧
壁的环形槽中，活动顶盖的顶面为与柔性薄膜球形罩的表面贴合的曲面，活动顶盖的顶面与柔性薄膜球形罩相粘连；柔性薄膜球形罩上固定设置有与其外表面贴合且沿球面均匀分布的多根压敏电阻，压敏电阻的第一端均位于柔性薄膜球形罩靠近通孔的顶部，压敏电阻的第二端均位于柔性薄膜球形罩的底部，压敏电阻的两端均设置有铜电极
。
[0007]其中，球体
、
圆锥台支撑件以及圆柱形底座依次固定连接，具体操作时，活动顶盖
、
球体
、
圆锥台支撑件以及圆柱形底座均可采用常规树脂制备而成
。
球体和活动顶盖形成类似万向连接头的转动结构，使活动顶盖在受到外部载荷时活动更加灵活；纤毛偏转后能带动与其固定的活动顶盖绕球体转动，球体和活动顶盖的内腔之间可以做润滑处理比如涂覆一层润滑油，减小摩擦力
。
活动顶盖的其中一个侧壁和底壁上设置有便于将球体安装至的球形腔中的通道，通道与球形腔相连通
。
圆柱形底座对圆锥台支撑件
、
球体
、
活动顶盖以及纤毛起到支撑，还起到环扣柔性薄膜球形罩的作用
。
同时，由于柔性薄膜球形罩是罩设在圆柱形底座之上的，所以柔性薄膜球形罩内形成空腔结构，空腔结构能够使柔性薄膜球形罩在外界微弱载荷的作用下发生较大的形变，大大提高传感器的微应力感知能力
。
其中柔性薄膜球形罩以及圆锥台支撑件顶部的球体均为大于半球的球缺，其中大于半球是指球缺的高大于所在球体的半径
。
球形腔的体积大于半球且小于球体，球形腔将球体罩住，但是球形腔的高度小于球体的高度，这是为了活动顶盖与球体之间发生相对转动时二者之间留有转动避让空间
。
具体原理为，纤毛在受到外界载荷时，纤毛将带动活动顶盖活动，同时，活动顶盖带动其表面附着的柔性薄膜球形罩发生形变，使薄膜上不同方向导电材料的导电面积
、
长度等发生变化，从而使对应方向上的压敏电阻阻值发生变化，最终实现高灵敏度以及多维微应力的监测
。
[0008]优选的，通孔的内径与纤毛的直径相等
。
这样设置是为了柔性薄膜球形罩能灵敏感知到纤毛受到的微应力，这样提高所述传感器整体的灵敏度
。
[0009]优选的，柔性薄膜球形罩的材料为硅橡胶；柔性薄膜球形罩上集成压敏电阻的工艺为，在单壁碳纳米管中加入表面活性剂，配置均匀稳定的碳纳米管分散液；在柔性薄膜球形罩上的对应位置处分别电镀一层铜作为压敏电阻的电极，然后利用喷墨直写工艺，按照已设定的路径在柔性薄膜球形罩上均匀直写一层碳纳米管分散液，形成多通道压敏电阻
。
在本专利技术中导电材料选择碳纳米管
。
通过采用物理超声与非共价键表面改性相结合的分散方法，制备碳纳米管溶剂
。
详细过程为在单壁碳纳米管（
SWCNT
）中加入表面活性剂（
TNWDIS
），之后通过超声和离心等步骤配置均匀稳定的碳纳米管分散液
。
碳纳米管分散液的均匀配置保证了柔性薄膜球形罩优异的电学特性和机械特性，使传感器的性能更加稳定
。
制备柔性薄膜球形罩的材料为硅橡胶，主要通过混炼及高温硫化工艺制备
。
在制备的柔性薄膜球形罩表面的特定位置上电镀一层铜作为压阻材料的电极
。
利用喷墨直写工艺，按本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种柔性共形仿生触须传感器，其特征在于，包括圆柱形底座（1）
、
圆锥台支撑件（2）
、
活动顶盖（3）以及柔性薄膜球形罩（6），圆柱形底座（1）的侧壁上沿其周向开有与圆柱形底座（1）同轴的环形槽，圆锥台支撑件（2）固定连接至圆柱形底座（1）的顶部，且圆锥台支撑件（2）的顶部固定连接有球体（4），球体（4）为大于半球的球缺，球体（4）
、
圆锥台支撑件（2）以及圆柱形底座（1）同轴设置，活动顶盖（3）中开有与球体（4）装配的球形腔，球形腔的体积大于半球且小于球体（4），球体（4）与球形腔共同组成转动组件，活动顶盖（3）的顶部中心固定连接有纤毛（5），不受力的情况下纤毛（5）位于圆柱形底座（1）的轴线上，柔性薄膜球形罩（6）整体为大于半球的球缺，柔性薄膜球形罩（6）的顶部开有用于穿置纤毛（5）的通孔，柔性薄膜球形罩（6）将活动顶盖（3）
、
球体（4）
、
圆锥台支撑件（2）罩在其内且其底部卡箍至圆柱形底座（1）侧壁的环形槽中，活动顶盖（3）的顶面为与柔性薄膜球形罩（6）的表面贴合的曲面，活动顶盖（3）的顶面与柔性薄膜球形罩（6）相粘连；柔性薄膜球形罩（6）上固定设置有与其外表面贴合且沿球面均匀分布的多根压敏电阻（8），压敏电阻（8）的第一端均...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱铄，何剑，刘芯宇，武慧，余俊斌，侯晓娟，丑修建，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：