一種全柔性電容式觸覺傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種全柔性電容式觸覺傳感器，其特征在于：設(shè)置一柔性基底，在其下表面設(shè)置有屏蔽層，在其上表面設(shè)置有柔性導(dǎo)電下極板和間隔環(huán)繞在柔性導(dǎo)電下極板外圍的柔性導(dǎo)電上極板電極；在柔性導(dǎo)電下極板和柔性導(dǎo)電上極板電極之間罩設(shè)有倒凹形彈性電介質(zhì)層，在彈性電介質(zhì)層外圍罩設(shè)有倒凹形柔性導(dǎo)電上極板，在柔性導(dǎo)電上極板的外圍罩設(shè)有倒凹形柔性保護(hù)層。本發(fā)明全柔性電容式觸覺傳感器所有結(jié)構(gòu)均具有柔性，且將上下極板引線引至同一柔性基底，解決了陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)引線繁瑣、不美觀、不易維護(hù)等難題。
【專利說明】一種全柔性電容式觸覺傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種用于人工智能皮膚的全柔性電容式觸覺傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]觸覺是智能機(jī)器人感知外界信息的一種有效途徑，觸覺信息感知是機(jī)器人傳感【技術(shù)領(lǐng)域】中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。一個(gè)完整的觸覺信息是力、軟硬度、溫濕度及滑移等信息量的有機(jī)融合。作為一種仿生皮膚的觸覺傳感器被廣泛應(yīng)用于智能機(jī)器人觸覺感知系統(tǒng)中，為智能機(jī)器人在復(fù)雜多元環(huán)境下完成預(yù)定功能提供了可靠保障。常用的機(jī)器人觸覺傳感器種類繁多，按敏感機(jī)理不同主要分為電阻式、電容式、光電式、壓電式和電感式等。
[0003]Shouher Shirafuji等人介紹了 一種基于聚偏氟乙烯(PVDF)的柔性壓電薄膜人工皮膚，安裝于機(jī)械手內(nèi)表面，經(jīng)可靠抓取目標(biāo)物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其具備觸覺檢測功能。然而PVDF只能檢測動(dòng)態(tài)力，缺乏對靜態(tài)力的感知功能。意大利的A.Cirillo等人介紹了一種基于光電技術(shù)的人工皮膚，可以實(shí)現(xiàn)法向力與切向力的檢測。上海交通大學(xué)微納科學(xué)技術(shù)研究院微米/納米加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的何明軒等人介紹了一種基于MEMS工藝的電容式微觸覺探頭，可實(shí)現(xiàn)精密測量。慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Philipp Mittendorfer在印刷電路板上設(shè)計(jì)了一種正六邊形的觸覺傳感單元，可拼接成不同大小的“人工皮膚”，實(shí)現(xiàn)大面積觸覺感知。通常這類觸覺傳感器用仿生皮膚時(shí)多采用剛性基體，缺乏應(yīng)有的柔性，不適合在機(jī)器人彎曲表面廣泛使用。
[0004]Takashi Sagisaka等人提出了一種基于聚酰亞胺柔性基體的高密度觸覺傳感手套，用以檢測外力分布、粗略估計(jì)力的方向及判別物體形狀等?？伸`活地穿戴于機(jī)器人手上實(shí)現(xiàn)觸覺感知。然而,如果該高密度柔性觸覺手套中某一部分發(fā)生破損則需要整體更換,勢必加大使用成本，且可移植性與可維護(hù)性較差。
[0005]Kuniharu Takei等人于美國科學(xué)院院報(bào)提出了一種基于碳納米管和銀納米粒子復(fù)合膜的高靈敏度電子胡須，并在半球形基體安裝7個(gè)電子胡須用以實(shí)現(xiàn)觸覺感知。可是，在大量觸覺單元排列成陣列結(jié)構(gòu)時(shí)存在引線繁瑣，不易大規(guī)模集成等問題。三星綜合技術(shù)研究院的Chwee-Lin Choong等人介紹了一種高靈敏度、高可拉伸度的壓阻式傳感器，由于其壓阻電極共用一柔性極板，限制了其陣列化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0006]電容式傳感器因具有體積小、靈敏度高、低噪聲、低溫漂及低功耗等顯著優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。對于用作人工智能皮膚的觸覺傳感器不僅具有低成本、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)外，還具備全柔性、可穿戴性、可擴(kuò)展性、易維護(hù)性等特點(diǎn)。尤其是在服務(wù)和醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域，這類智能機(jī)器人與人們生活密切相關(guān)，需要穿戴一些仿生皮膚確保安全人機(jī)交互。為此一種具有全柔性、可穿戴性強(qiáng)、可移植性好、易于維護(hù)、可拼接式的人工智能皮膚無疑是機(jī)器人傳感【技術(shù)領(lǐng)域】的熱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種全柔性電容式觸覺傳感器，旨在解決現(xiàn)有全柔性電容式觸覺傳感器量程與靈敏度不可調(diào)、抗干擾性差、不易陣列化等問題。
[0008]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0009]本發(fā)明全柔性電容式觸覺傳感器，其特點(diǎn)在于:設(shè)置一柔性基底，在其下表面設(shè)置有屏蔽層，在其上表面設(shè)置有柔性導(dǎo)電下極板和間隔環(huán)繞在所述柔性導(dǎo)電下極板外圍的柔性導(dǎo)電上極板電極；
[0010]在所述柔性導(dǎo)電下極板和所述柔性導(dǎo)電上極板電極之間罩設(shè)有倒凹形彈性電介質(zhì)層，所述彈性電介質(zhì)層的凹槽底面貼合在所述柔性導(dǎo)電下極板的上表面，所述彈性電介質(zhì)層的凸臺嵌入在所述柔性導(dǎo)電下極板和所述柔性導(dǎo)電上極板電極之間，且凸臺頂面貼合柔性基底；
[0011]在所述彈性電介質(zhì)層外圍罩設(shè)有倒凹形柔性導(dǎo)電上極板，所述柔性導(dǎo)電上極板的凸臺頂面與所述柔性導(dǎo)電上極板電極貼合，所述柔性導(dǎo)電上極板的凹槽底面貼合在所述彈性電介質(zhì)層的上表面；
[0012]在所述柔性導(dǎo)電上極板的外圍罩設(shè)有倒凹形柔性保護(hù)層。
[0013]本發(fā)明全柔性電容式觸覺傳感器，其特征在于:所述彈性電介質(zhì)層是以填充有炭黑的硅橡膠為材質(zhì)，所述炭黑的質(zhì)量百分比為5%?12%。
[0014]所述柔性導(dǎo)電上極板以有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠為材質(zhì)。
[0015]所述柔性基底以聚酰亞胺為材質(zhì)；所述柔性保護(hù)層以PDMS為材質(zhì)。
[0016]本發(fā)明全柔性電容式觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)模型可等效為平行板電容，彈性電介質(zhì)層被柔性導(dǎo)電上極板和柔性保護(hù)層逐層包裹，凹槽底面與柔性導(dǎo)電下極板貼合。全柔性電容式觸覺傳感器的柔性導(dǎo)電上極板電極與柔性導(dǎo)電下極板的引線設(shè)計(jì)在同一聚酰亞胺柔性基底，可靈活進(jìn)行電極布線，便于陣列化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0017]呈倒凹形的柔性導(dǎo)電上極板的底面與柔性導(dǎo)電下極板平行，且通過以其凸臺與接地的柔性導(dǎo)電上極板電極接觸的形式實(shí)現(xiàn)接地的效果，作為觸覺傳感器的接地上極板，同時(shí)又起到屏蔽的作用，簡化了電容式觸覺傳感器抗屏蔽措施。
[0018]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
[0019]1、本發(fā)明全柔性電容式觸覺傳感器所有結(jié)構(gòu)均具有柔性，與傳統(tǒng)電容式觸覺傳感器相比，本發(fā)明的全柔性電容式觸覺傳感器結(jié)構(gòu)將平行板電容上下極板引線設(shè)計(jì)在同一柔性基底，解決了陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)引線繁瑣、不美觀、不易維護(hù)等難題；同時(shí)，在聚酰亞胺柔性基底上將本發(fā)明全柔性電容式觸覺傳感器排列成陣列結(jié)構(gòu)，并在陣列周圍預(yù)留可拼接式陣列擴(kuò)展接口，可通過FPC軟排線較靈活地拼接成不同大小與形狀的敏感“皮膚”，具備可穿戴性、可擴(kuò)展性、可移植性及易維護(hù)等特點(diǎn)。
[0020]2、本發(fā)明全柔性電容式觸覺傳感器呈倒凹形的柔性導(dǎo)電上極板的底面與柔性導(dǎo)電下極板平行部分作為平行板電容上極板，其余部分作為柔性導(dǎo)電上極板引線并與接地的柔性導(dǎo)電上極板電極接觸，其中，整個(gè)柔性導(dǎo)電上極板又承擔(dān)屏蔽保護(hù)作用；傳統(tǒng)電容式傳感器抗屏蔽措施多是在傳感器封裝時(shí)在外圍增設(shè)一金屬殼作為接地屏蔽體，在一定程度上影響了整個(gè)傳感器的全柔性；本發(fā)明全柔性電容式觸覺傳感器結(jié)構(gòu)中柔性導(dǎo)電上極板本身具有屏蔽功能，簡化了工藝流程，提高了傳感器的抗干擾性能。[0021]3、本發(fā)明全柔性電容式觸覺傳感器通過調(diào)節(jié)彈性電介質(zhì)中炭黑的含量來調(diào)控其介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)了電容式觸覺傳感器的量程與靈敏度、響應(yīng)時(shí)間等性能的控制，具有較廣的應(yīng)用領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明全柔性電容式觸覺傳感器的垂直剖面結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖2是本發(fā)明圓形結(jié)構(gòu)的全柔性電容式觸覺傳感器的拆分立體圖；
[0024]圖3是本發(fā)明圓形結(jié)構(gòu)不含保護(hù)層和屏蔽層的全柔性電容式觸覺傳感器的立體圖；
[0025]圖4是本發(fā)明方形結(jié)構(gòu)的全柔性電容式觸覺傳感器的拆分立體圖；
[0026]圖5是本發(fā)明方形結(jié)構(gòu)不含保護(hù)層與屏蔽層的全柔性電容式觸覺傳感器的立體圖；
[0027]圖6是本發(fā)明全柔性電容式觸覺傳感器的受力分析示意圖；
[0028]圖7是本發(fā)明全柔性電容式觸覺傳感器的附尺寸參數(shù)的實(shí)例圖；
[0029]圖8是本發(fā)明不同炭黑含量填充硅橡膠時(shí)全柔性電容式觸覺傳感器的靈敏度曲線關(guān)系；
[0030]圖9是本發(fā)明不同炭黑含量填充硅橡膠時(shí)全柔性電容式觸覺傳感器的量程曲線關(guān)系;
[0031]圖10是本發(fā)明不同炭黑含量填充硅橡膠時(shí)全柔性電容式觸覺傳感器響應(yīng)時(shí)間；
[0032]圖11是本發(fā)明炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%含量填充硅橡膠時(shí)全柔性電容式觸覺傳感器響應(yīng)時(shí)間整體圖；
[0033]圖12是本發(fā)明全柔性電容式觸覺傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖13是本發(fā)明全柔性電容式觸覺傳感器的陣列引線示意圖；
[0035]圖中標(biāo)號:1柔性保護(hù)層；2柔性導(dǎo)電上極板；3彈性電介質(zhì)層；4柔性導(dǎo)電下極板；5柔性導(dǎo)電上極板電極；6柔性基底；7屏蔽層；8全柔性電容式觸覺傳感器；9可拼接式陣列擴(kuò)展插座；10第一行掃描線；11第一列掃描線。
【具體實(shí)施方式】
[0036]如圖1所示，本實(shí)施例全柔性電容式觸覺傳感器的結(jié)構(gòu)為:設(shè)置一柔性基底6，在其下表面設(shè)置有屏蔽層7，在其上表面設(shè)置有柔性導(dǎo)電下極板4和間隔環(huán)繞在柔性導(dǎo)電下極板4外圍的柔性導(dǎo)電上極板電極5 ；
[0037]在柔性導(dǎo)電下極板4和柔性導(dǎo)電上極板電極5之間罩設(shè)有倒凹形彈性電介質(zhì)層3，彈性電介質(zhì)層3的凹槽底面貼合在柔性導(dǎo)電下極板4的上表面，彈性電介質(zhì)層3的凸臺嵌入在柔性導(dǎo)電下極板4和柔性導(dǎo)電上極板電極5之間；
[0038]在彈性電介質(zhì)層3外圍罩設(shè)有倒凹形柔性導(dǎo)電上極板2，柔性導(dǎo)電上極板2的凸臺頂面與柔性導(dǎo)電上極板電極5貼合，柔性導(dǎo)電上極板2的凹槽底面貼合在所述彈性電介質(zhì)層3的上表面；在柔性導(dǎo)電上極板2的外圍罩設(shè)有倒凹形柔性保護(hù)層I。
[0039]彈性電介質(zhì)層3依次被柔性導(dǎo)電上極板2和柔性保護(hù)層I逐層包裹，底部與柔性導(dǎo)電下極板4接觸，構(gòu)成一個(gè)模型可等效為平行板電容的壓力敏感單元。本實(shí)施例的柔性導(dǎo)電上極板2與柔性導(dǎo)電下極板4的引線引至同一柔性基底6，易于陣列化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0040]柔性導(dǎo)電上極板2與柔性導(dǎo)電下極板4平行的部分充當(dāng)平行板電容上極板，其余部分充當(dāng)導(dǎo)線將柔性導(dǎo)電上極板2與柔性導(dǎo)電上極板電極5連接，柔性導(dǎo)電上極板電極5接地，使得柔性導(dǎo)電上極板2整體起到屏蔽作用。在柔性基底6底層設(shè)有屏蔽層7，作為電容式傳感器的屏蔽層。
[0041]基于柔性印刷電路板(FPCB)技術(shù)，柔性基底6選用聚酰亞胺，柔性導(dǎo)電下電極板4與柔性導(dǎo)電上極板電極5均在柔性基底6的頂層并開窗處理，其形狀可以是圓形、方形等，分別如圖2中柔性導(dǎo)電下電極板4、柔性導(dǎo)電上極板電極5和圖4中柔性導(dǎo)電下電極板4、柔性導(dǎo)電上極板電極5所示。
[0042]彈性電介質(zhì)層3選用瑞士 SPC公司的CB3100型炭黑填充中昊晨光化工研究院有限公司的GD401型硅橡膠作為全柔性電容式觸覺傳感器的電介質(zhì)材料，其中，為保證傳感器的靈敏度，炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%?12%，保證在“滲流區(qū)”附近，以便受力時(shí)利用介電性能隨導(dǎo)電粒子含量的變化產(chǎn)生的“滲流效應(yīng)”，改變復(fù)合材料的導(dǎo)電性并提高介電常數(shù)。制備時(shí)主要采用3D打印技術(shù)。首先，打印出高度適中的模具，將炭黑均勻填充硅橡膠后注入模具成型，待材料固化后取出即可。
[0043]柔性導(dǎo)電上極板2基材需要具備良好的導(dǎo)電性與柔軟性，在一定程度上具備可延展性。本發(fā)明選用南京喜力特膠粘劑有限公司的YC-02型有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠作為柔性導(dǎo)電上極板2的材料，YC-02型有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠甲、乙組分按質(zhì)量比10:1均勻混合后室溫下可自行固化，且固化后具有良好的導(dǎo)電性、可拉伸性及柔軟性等優(yōu)點(diǎn)。
[0044]柔性導(dǎo)電上極板2制備方法為:首先，按照制備彈性電介質(zhì)層3模具方法，打印出一內(nèi)徑與柔性導(dǎo)電上極板電極5外徑相同的模具，其高度略高出彈性電介質(zhì)層3，以便在后續(xù)步驟注入有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠時(shí)能可靠覆蓋彈性電介質(zhì)層3。將模具罩在柔性導(dǎo)電上極板電極5電極外,將彈性電介質(zhì)層3的凹槽底面貼合在柔性導(dǎo)電下極板4表面，并置于模具中心。然后，將配比好的有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠注入模具內(nèi)，并覆蓋彈性電介質(zhì)層3。在此過程中保證柔性導(dǎo)電上極板2的凹槽底面與彈性電介質(zhì)層3良好接觸，柔性導(dǎo)電上極板2的凸臺頂面與柔性導(dǎo)電上極板電極5良好接觸。否則在柔性導(dǎo)電上極板2和柔性導(dǎo)電下極板4之間的電介質(zhì)就非僅含炭黑填充硅橡膠制備的彈性電介質(zhì)，可能會(huì)摻入空氣介質(zhì)等。待有機(jī)硅導(dǎo)電銀膠固化后去除模具可獲得一平行板結(jié)構(gòu)模型的電容式壓力敏感單元。并且，柔性導(dǎo)電上極板2和柔性導(dǎo)電下極板4電極引線分布在同一柔性基底6。
[0045]為了延長該全柔性電容式觸覺傳感器的使用壽命，仿照上述柔性導(dǎo)電上極板2制作工藝流程在柔性導(dǎo)電上極板層外圍包裹一層PDMS保護(hù)層。
[0046]如圖2和圖4所示，全柔性電容式觸覺傳感器的柔性保護(hù)層1、柔性導(dǎo)電上極板2、彈性電介質(zhì)層3、柔性導(dǎo)電下極板4、柔性導(dǎo)電上極板電極5、柔性基底6及屏蔽層7，其形狀可以是圓形、方形、橢圓形或其他多邊形，視應(yīng)用場合而定。
[0047]不含保護(hù)層和屏蔽層的圓形和方形的全柔性電容式觸覺傳感器的立體圖分別如圖3和圖5所示，倒凹形彈性電介質(zhì)層3的凹槽底面與柔性導(dǎo)電下極板4接觸，在柔性導(dǎo)電下極板4和柔性導(dǎo)電上極板電極5之間有一定絕緣間距，防止柔性導(dǎo)電下極板4和柔性導(dǎo)電上極板電極5短接。彈性電介質(zhì)層3的凸臺嵌入在柔性導(dǎo)電下極板4和柔性導(dǎo)電上極板電極5之間。倒凹形柔性導(dǎo)電上極板2包裹彈性電介質(zhì)層3，其凸臺與柔性導(dǎo)電上極板電極5接觸。
[0048]如圖6所示(圖6中虛輪廓線表示電容式觸覺傳感器未受壓力時(shí)形狀，實(shí)輪廓線表示受力后的形狀)，本實(shí)施例全柔性電容式觸覺傳感器檢測觸覺力的機(jī)理如下:全柔性電容式觸覺傳感器受法向力F作用時(shí)，彈性電介質(zhì)層3被壓縮其厚度改變，柔性導(dǎo)電上極板2和柔性導(dǎo)電下極板4之間距離減小，相當(dāng)于平行板電容極板間距減小。同時(shí)，單位體積彈性電介質(zhì)3中炭黑含量增加，導(dǎo)電炭黑粒子間相互接觸機(jī)率逐漸上升，開始形成導(dǎo)電通路，促使彈性電介質(zhì)層3的介電常數(shù)增加，最終表現(xiàn)為電容式觸覺傳感器的輸出電容變大。
[0049]起始階段，施加法向力F較小，大部分炭黑粒子間彼此孤立，主要靠隧道效應(yīng)和場致發(fā)射效應(yīng)改變導(dǎo)電性能，彈性電介質(zhì)層3的介電常數(shù)變化不明顯，柔性導(dǎo)電上極板2和柔性導(dǎo)電下極板4之間間距的變化對電容式觸覺傳感器的輸出起主導(dǎo)作用。隨著法向力F的增加，由于彈性電介質(zhì)層3本身厚度較薄且壓縮量有限，此時(shí)柔性導(dǎo)電上極板2和柔性導(dǎo)電下極板4之間間距變化較小，而炭黑含量處于“滲流區(qū)”內(nèi)，其介電常數(shù)的變化對傳感器的輸出起主導(dǎo)作用。
[0050]在傳感器尺寸參數(shù)不變時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)炭黑在硅橡膠中的填充量控制該全柔性電容式觸覺傳感器的彈性電介質(zhì)層3的介電系數(shù)，從而制備出不同量程與靈敏度的觸覺傳感器。
[0051]由于柔性導(dǎo)電上極板層接地，具有很好的屏蔽作用，該單電極結(jié)構(gòu)的全柔性電容式觸覺傳感器輸出可以采用AD公司的AD7747或AD7147電容數(shù)字處理芯片。
[0052]本發(fā)明全柔性電容式觸覺傳感器在信號提取時(shí)選用具備I2C兼容型串行接口與片內(nèi)環(huán)境自校準(zhǔn)功能的AD7147-1，高達(dá)16位⑶C精度，13路容性輸入的AD7147-1配合四通道單刀雙擲開關(guān)ADG734可較方便地構(gòu)成電容陣列傳感器信號采集系統(tǒng)。同時(shí)，芯片采用有源交流屏蔽技術(shù)，將此屏蔽信號輸出端與電容式觸覺傳感器的屏蔽層7相連，可有效地降低傳感器使用過程中存在的噪聲干擾。
[0053]在傳感器的量程范圍內(nèi)，使用精密拉壓力計(jì)對所述結(jié)構(gòu)的電容式觸覺傳感器重復(fù)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，可以得到輸入(法向力)與電容傳感器輸出電容之間的曲線關(guān)系。通過對輸入(法向力)與輸出電容之間的曲線關(guān)系進(jìn)行擬合，得到輸入(法向力)與電容式觸覺傳感器輸出電容的定量函數(shù)關(guān)系，依據(jù)該函數(shù)關(guān)系及當(dāng)前電容式觸覺傳感器的輸出電容可反演出法向力F的大小,從而實(shí)現(xiàn)觸覺力檢測的目的。
[0054]本發(fā)明全柔性電容式觸覺傳感器中，通過調(diào)控彈性電介質(zhì)層中炭黑的含量可以實(shí)現(xiàn)傳感器靈敏度、量程和響應(yīng)時(shí)間的調(diào)控，為測試其具體影響，做實(shí)例如下:
[0055]如圖7所示，在實(shí)例中，柔性印刷電路板采用沉金工藝，外表敷黃油處理。柔性基底層6是厚度為0.15mm的聚酰亞胺，柔性導(dǎo)電下極板4和柔性導(dǎo)電上極板電極5均是厚度為0.15_的銅箔，一般在理論公式計(jì)算或仿真時(shí)該厚度是可忽略的。圓餅狀柔性導(dǎo)電下極板4直徑為3mm，柔性導(dǎo)電上極板電極5圓環(huán)環(huán)徑為0.5mm，柔性導(dǎo)電下極板4和柔性導(dǎo)電上極板電極5間隔寬度為1mm。彈性電介質(zhì)層3的凹槽槽深0.15mm(即柔性基底層6頂層銅箔厚度)，凹槽底部厚度為1.5mm,總厚度為1.65mm、外徑為5mm ;柔性導(dǎo)電上極板2總厚度為2.0mm、凹槽槽深為1.5mm,外徑為6mm ;柔性保護(hù)層I半徑為3.2mm、厚度為0.2mm。
[0056]在保持電容式觸覺傳感器尺寸不變情況下，控制炭黑填充硅橡膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，探求不同炭黑含量下與電容式觸覺傳感器的靈敏度、量程和響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系。本實(shí)例中選擇炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、8%、10%、12%，使用AIKOH M0DEL-762型壓力計(jì)對電容式壓力敏感單元進(jìn)行重復(fù)加卸載實(shí)驗(yàn)，選用AD7147-lQ)C(Capacitance-to-Digital Converter)作為電容信號采集的主芯片，STM32F103VET6高性能微處理器作為電容信號采集與處理的主控芯片，建立電容信號采集與處理系統(tǒng)。
[0057]針對不同炭黑含量對電容式觸覺傳感器靈敏度的調(diào)控，具體實(shí)施如下:在O~600KPa范圍內(nèi)，用AIKOH M0DEL-762型壓力計(jì)以0.2N為步進(jìn)對電容式觸覺傳感器進(jìn)行加壓(本實(shí)例中已將壓力F換算成壓強(qiáng)值P，P = F/S，其中，S = Jir2為電容式觸覺傳感器柔性導(dǎo)電下極板4的面積，r為柔性導(dǎo)電下極板4的半徑)，同時(shí)，電容信號采集與處理系統(tǒng)測量對應(yīng)施加壓力下傳感器的輸出電容值。得到不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的炭黑填充硅橡膠時(shí)全柔性電容式觸覺傳感器歸一化后的輸入(壓強(qiáng))一輸出(電容)之間的曲線關(guān)系如圖8所示，圖8中縱坐標(biāo)C表不當(dāng)前電容式觸覺傳感器的輸出，Ctl為該觸感器未受力時(shí)的初始輸出電容值?？梢悦黠@看出，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的炭黑填充硅橡膠時(shí)其靈敏度不同。在O~600KPa范圍內(nèi)對炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為的四個(gè)未歸一化的曲線關(guān)系進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，若分別用 ^5wt % Λ Υδψ? % Λ YlOwt %、Yl2wt% Λ 表示炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、8%、10%、12%時(shí)的傳感器輸出值(單位:pF)，x表示對輸入(壓強(qiáng)值，單位:KPa)，其二次多項(xiàng)式擬合后的函數(shù)關(guān)系如下:
【權(quán)利要求】
1.一種全柔性電容式觸覺傳感器，其特征在于:設(shè)置一柔性基底(6)，在其下表面設(shè)置有屏蔽層(7)，在其上表面設(shè)置有柔性導(dǎo)電下極板(4)和間隔環(huán)繞在所述柔性導(dǎo)電下極板(4)外圍的柔性導(dǎo)電上極板電極(5)； 在所述柔性導(dǎo)電下極板(4)和所述柔性導(dǎo)電上極板電極(5)之間罩設(shè)有倒凹形彈性電介質(zhì)層(3)，所述彈性電介質(zhì)層(3)的凹槽底面貼合在所述柔性導(dǎo)電下極板(4)的上表面，所述彈性電介質(zhì)層(3)的凸臺嵌入在所述柔性導(dǎo)電下極板(4)和所述柔性導(dǎo)電上極板電極(5)之間； 在所述彈性電介質(zhì)層(3)外圍罩設(shè)有倒凹形柔性導(dǎo)電上極板(2)，所述柔性導(dǎo)電上極板⑵的凸臺頂面與所述柔性導(dǎo)電上極板電極(5)貼合，所述柔性導(dǎo)電上極板(2)的凹槽底面貼合在所述彈性電介質(zhì)層(3)的上表面； 在所述柔性導(dǎo)電上極板(2)的外圍罩設(shè)有倒凹形柔性保護(hù)層(I)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全柔性電容式觸覺傳感器，其特征在于:所述彈性電介質(zhì)層(3)是以填充有炭黑的 硅橡膠為材質(zhì)，所述炭黑的質(zhì)量百分比為5%~12%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全柔性電容式觸覺傳感器,其特征在于:所述柔性導(dǎo)電上極板(2)以有機(jī)娃導(dǎo)電銀膠為材質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全柔性電容式觸覺傳感器，其特征在于:所述柔性基底(6)以聚酰亞胺為材質(zhì)；所述柔性保護(hù)層(I)以PDMS為材質(zhì)。
【文檔編號】G01L1/14GK103983382SQ201410245030
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月4日
【發(fā)明者】黃英, 郭小輝, 劉家俊, 劉彩霞, 袁海濤, 馬陽洋, 劉平, 張玉剛 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)