一種基于壓阻式和電容式組合的柔性三維力觸覺傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于壓阻式和電容式組合的柔性三維力觸覺傳感器。該柔性三維力觸覺傳感器由起支撐作用的彈性基底、柔性電路下層、四周填充有柔性填充物的三維力敏感陣列、柔性電路上層和起保護(hù)作用的彈性凸起層五部分構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的三維力傳感構(gòu)件。每個(gè)三維力敏感單元同時(shí)集成豎直布置的力敏感應(yīng)變片和四組豎直布置的感應(yīng)電容，分別對(duì)豎直法向力和水平切向力敏感。該柔性三維力觸覺傳感器具有靜態(tài)性與動(dòng)態(tài)性俱佳的特點(diǎn)，并可減少外界表面金屬所造成的電容耦合對(duì)測(cè)量的干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維力的精確測(cè)量，可應(yīng)用于人工假肢、機(jī)械手等機(jī)電設(shè)備上。
【專利說明】一種基于壓阻式和電容式組合的柔性三維力觸覺傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及柔性三維力觸覺傳感器，尤其是涉及一種基于壓阻式和電容式組合的柔性三維力觸覺傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]觸覺傳感器是機(jī)器手獲取觸覺信息不可缺少的手段，根據(jù)觸覺傳感器提供的信息，機(jī)器人可對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行可靠抓取，并可進(jìn)一步感知它的大小、形狀、輕重、軟硬等物理特性。能粘貼在表面為非平面的物體上并準(zhǔn)確檢測(cè)三個(gè)方向接觸力的柔性三維力觸覺傳感器陣列，即智能皮膚成為機(jī)器手獲取全方位握力、力矩、滑動(dòng)等信息的重要工具。
[0003]近年來，“機(jī)器人柔性觸覺敏感皮膚”已成為智能機(jī)器人觸覺傳感【技術(shù)領(lǐng)域】新的研究熱點(diǎn)，具有感知功能的機(jī)器人柔性觸覺皮膚可以增強(qiáng)其在各種環(huán)境下完成精細(xì)、復(fù)雜作業(yè)的能力，提高機(jī)器人系統(tǒng)的作業(yè)水平和智能化水平，對(duì)高級(jí)服務(wù)機(jī)器人、空間機(jī)器人以及危險(xiǎn)環(huán)境下的精密操作微驅(qū)動(dòng)機(jī)器人等都將產(chǎn)生重要的影響。因此，研究能檢測(cè)三維力，且具有類似于皮膚彈性的柔性觸覺傳感器成為智能機(jī)器人傳感器進(jìn)一步發(fā)展的重要技術(shù)。
[0004]電容式柔性觸覺傳感器具有高靈敏度、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用。但是就目前已知研發(fā)出來的電容式柔性觸覺傳感器，其電容電極板都是水平布置的。如中國(guó)國(guó)家發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)?01210037651.9)公開了一種基于壓阻式和電容式的仿生柔性觸覺傳感器陣列。該傳感器從下至上由柔性基底層、電容層、壓阻層和表面封裝層構(gòu)成。電容式力敏感層的下層為電容下極板，上層構(gòu)成電容上極板，中間為具有表面圖案的PDMS介電層。當(dāng)該傳感器貼附在機(jī)器人的金屬部件上時(shí)，由于金屬表面寄生電容的存在，容易產(chǎn)生電容耦合干擾，影響觸覺傳感器的三維力測(cè)量精確度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于壓阻式和電容式組合的柔性三維力觸覺傳感器，能夠可靠地附在各種曲面上，其中，電容電極板豎直布置，可以減少表面金屬所造成的電容耦合的干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維力的精確測(cè)量，同時(shí)具有靜態(tài)性和動(dòng)態(tài)性俱佳的特點(diǎn)。
[0006]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
[0007]本實(shí)用新型從下至上依次由彈性基底層、柔性電路下層、四周填充有柔性填充物的三維力敏感陣列、柔性電路上層以及彈性凸起層構(gòu)成。
[0008]所述彈性基底層是一層平板狀的樹脂層。
[0009]所述柔性電路下層，是嵌有導(dǎo)電橡膠線的平板狀的樹脂層，導(dǎo)電橡膠線與三維力敏感陣列相對(duì)應(yīng)，并與力敏感應(yīng)變片電氣連通。
[0010]所述四周填充有柔性填充物的三維力敏感陣列，是由2X2以上結(jié)構(gòu)相同的三維力敏感單元構(gòu)成:均包括呈立體中空狀的硅基體、絕緣彈性體、四塊敏感電極板、中心敏感電極柱和力敏感應(yīng)變片；絕緣彈性體位于硅基體的中心腔的底部；四塊敏感電極板呈正方形分布，豎直粘結(jié)在硅基體的內(nèi)表面，并與硅基體的上表面對(duì)齊；中心敏感電極柱豎直粘結(jié)在絕緣彈性體上面，中心敏感電極柱的四個(gè)側(cè)表面分別與各自敏感電極板正對(duì)，形成四組感應(yīng)電容；力敏感應(yīng)變片貼在絕緣彈性體一個(gè)側(cè)面；中心敏感電極柱和敏感電極板之間留有間隙，置有柔性填充物。
[0011]所述柔性電路上層呈等厚度的立體凸起狀，立體凸起結(jié)構(gòu)與三維力敏感單元個(gè)數(shù)相同，立體凸起結(jié)構(gòu)上開有供中心敏感電極柱穿過的孔，柔性電路上層的上表面的導(dǎo)電橡膠線與三維力敏感陣列相對(duì)應(yīng)，并與中心敏感電極柱的上表面進(jìn)行電氣連通；柔性電路上層的下表面的導(dǎo)電橡膠線正交方向排列，分別與四塊敏感電極板的上表面進(jìn)行電氣連通。
[0012]所述彈性凸起層是一層等厚度的立體凸起狀薄膜，立體凸起結(jié)構(gòu)與三維力敏感單元個(gè)數(shù)相同，彈性凸起層與柔性電路上層緊密貼合。
[0013]通過中心敏感電極柱水平移動(dòng)改變四組感應(yīng)電容的電極板間距，電容值隨之發(fā)生變化，用于檢測(cè)水平切向力。通過中心敏感電極柱將豎直方向的力傳導(dǎo)到絕緣彈性體上，力敏感應(yīng)變片隨之伸縮變形，電阻值發(fā)生變化，用于檢測(cè)豎直法向力。
[0014]本實(shí)用新型具有的有益效果是:
[0015]I)由于三維力傳感器采用單晶硅材料并通過MEMS工藝制造而成，因此每個(gè)三維力敏感單元尺寸小，因而能夠?qū)崿F(xiàn)較高的觸覺空間分辨率，并且檢測(cè)精度高。
[0016]2)彈性凸起層位于三維力傳感器的最外層，表面具有微型凸起結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)不僅保護(hù)傳感器內(nèi)部的電子器件和線路，而且有效地提高傳感器的力學(xué)靈敏度。
[0017]3)三維力敏感單元的敏感電極板和中心敏感電極柱之間留有微小間隙，置有柔性填充物。當(dāng)中心敏感電極柱發(fā)生水平移動(dòng)時(shí)，能夠有效吸收沖擊力，并保持電容板間一直存在間距。
[0018]4)三維力觸覺傳感陣列中既有適合于測(cè)量靜態(tài)力的壓阻式力敏感應(yīng)變片，又具有適應(yīng)于測(cè)量瞬變力的電容結(jié)構(gòu)，能滿足靜態(tài)力與瞬變力的測(cè)量要求，具有良好的綜合能力。
[0019]5)本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的電容式力敏感構(gòu)件，其電容電極板豎直布置，使各種金屬表面電容耦合的影響減小，對(duì)微小力的測(cè)量更加精確，可應(yīng)用于人工假肢、機(jī)械手等機(jī)電設(shè)備上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本實(shí)用新型的三維力觸覺傳感器截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是本實(shí)用新型分層結(jié)構(gòu)拆分立體圖。
[0022]圖3是本實(shí)用新型的彈性基底層示意圖。
[0023]圖4是本實(shí)用新型的柔性電路下層示意圖。
[0024]圖5是本實(shí)用新型的三維力傳感陣列以柔性填充物示意圖。
[0025]圖6 Ca)是本實(shí)用新型的三維力傳感單元的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖6 (b)是本實(shí)用新型的三維力傳感單元的俯視示意圖。
[0027]圖7 (a)是本實(shí)用新型的柔性電路上層的上表面電路示意圖。
[0028]圖7 (b)是本實(shí)用新型的柔性電路上層的下表面電路示意圖。
[0029]圖8是本實(shí)用新型的彈性凸起層示意圖。
[0030]圖9是本實(shí)用新型的柔性觸覺傳感器立體圖。
[0031]圖中:1.彈性凸起層，2.柔性電路上層，3.中心敏感電極柱，4.四塊敏感電極板，5.柔性填充物，6.柔性電路下層，7.彈性基底層，8.力敏感應(yīng)變片，9.絕緣彈性體，10.硅基體，11.三維力敏感陣列。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。
[0033]如圖1和圖2所示，本實(shí)用新型從下至上依次由彈性基底層7、柔性電路下層6、四周填充有柔性填充物5的三維力敏感陣列11、柔性電路上層2以及彈性凸起層I構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的三維力傳感構(gòu)件。
[0034]如圖3所示，所述彈性基底層7是一層平板狀的樹脂層，位于柔性三維力觸覺傳感器的底層，起保護(hù)及絕緣的作用。
[0035]如圖4所示，所述柔性電路下層6，是嵌有導(dǎo)電橡膠線的平板狀的樹脂層，導(dǎo)電橡膠線與三維力敏感陣列11相對(duì)應(yīng)，并與力敏感應(yīng)變片8的電氣連通。
[0036]如圖5所示，所述四周填充有柔性填充物5的三維力敏感陣列11，是由2X2以上結(jié)構(gòu)相同的三維力敏感單元構(gòu)成，本實(shí)用新型采用4X4布置的三維力敏感陣列:均包括呈立體中空狀的硅基體10、絕緣彈性體9、四塊敏感電極板4、中心敏感電極柱3和力敏感應(yīng)變片8 ;絕緣彈性體9位于硅基體10中心腔的底部；四塊敏感電極板(4)呈正方形分布，豎直粘結(jié)在硅基體10的內(nèi)表面，并與硅基體10的上表面對(duì)齊；中心敏感電極柱3豎直粘結(jié)在絕緣彈性體9上面，中心敏感電極柱3的四個(gè)側(cè)表面分別與各自敏感電極板正對(duì)，形成四組感應(yīng)電容；力敏感應(yīng)變片8貼在絕緣彈性體9的一個(gè)側(cè)面，中心敏感電極柱3和四塊敏感電極板4之間留有間隙，置有柔性填充物，如圖6 (a)、圖6 (b)所示。
[0037]通過中心敏感電極柱3的水平移動(dòng)，改變4組感應(yīng)電容的電極板間距，電容值隨之發(fā)生變化，用于檢測(cè)水平切向力。通過中心敏感電極柱3將豎直方向的力傳導(dǎo)到絕緣彈性體9上，力敏感應(yīng)變片8隨之伸縮變形，電阻值發(fā)生變化，用于檢測(cè)豎直法向力。
[0038]如圖7 (a)、圖7 (b)所示，所述柔性電路上層2呈等厚度的立體凸起狀，立體凸起結(jié)構(gòu)與三維力敏感單元個(gè)數(shù)相同，立體凸起結(jié)構(gòu)上開有供中心敏感電極柱3穿過的孔，柔性電路上層2的上表面的導(dǎo)電橡膠線與三維力敏感陣列11相對(duì)應(yīng)，并與中心敏感電極柱3的上表面進(jìn)行電氣連通，柔性電路上層2的下表面的導(dǎo)電橡膠線正交方向排列，分別與四塊敏感電極板(4)的上表面進(jìn)行電氣連通。
[0039]如圖8所示，所述彈性凸起層I是一層等厚度的立體凸起狀薄膜，立體凸起結(jié)構(gòu)與三維力敏感單元個(gè)數(shù)相同，彈性凸起層I與柔性電路上層2緊密貼合，起電路絕緣、保護(hù)內(nèi)部電器件的作用，并且有效提高三維觸覺傳感器的力靈敏度。
[0040]柔性三維力觸覺傳感器的設(shè)計(jì)與制作可通過如下方式實(shí)現(xiàn):
[0041]根據(jù)特定應(yīng)用場(chǎng)合的需求，如要求的空間分辨率、三維力的量程、傳感器靈敏度、檢測(cè)精度、要求彎曲變形的程度等指標(biāo)，確定柔性三維力觸覺傳感器的尺寸大小和三維力傳感單元的尺寸大小以及它們之間的間隙。三維力的量程及靈敏度由三維力傳感單元中敏感電極板4以及中心敏感電極柱3的大小和間距決定。
[0042]所述的彈性基底層7、柔性電路下層2、柔性填充物5、彈性凸起層1、柔性電路上層6和絕緣彈性體9均由柔性樹脂材料制成以實(shí)現(xiàn)柔性要求；所述的敏感電極板4與中心敏感電極柱3采用銅金屬材料；所述的三維力敏感陣列11中的硅基體10采用單晶硅材料。[0043]彈性凸起層I采用微機(jī)械加工工藝制造；采用標(biāo)準(zhǔn)的柔性電路板制造技術(shù)制作柔性電路上層2和柔性電路下層6 ;采用MEMS工藝技術(shù)制作硅基體10 ;中心敏感電極柱3和敏感電極板4采用LIGA技術(shù)制造成型；采用鍵合技術(shù)將重心敏感電極柱3粘結(jié)在絕緣彈性體9 ;采用鍵合技術(shù)或高性能黏合劑把三維力傳感陣列11中的每個(gè)三維力敏感單元粘結(jié)在柔性電路下層6上面；柔性電路上層2和三維力敏感陣列11中每個(gè)三維力敏感單元?jiǎng)t通過倒裝焊進(jìn)行電氣連接；彈性凸起層I采用高性能黏合劑粘結(jié)在柔性電路上層2上面。這樣就可以獲取柔性三維力觸覺傳感器，如圖9所示。
【權(quán)利要求】
1.一種基于壓阻式和電容式組合的柔性三維力觸覺傳感器，其特征在于:從下至上依次由彈性基底層(7)、柔性電路下層(6)、四周填充有柔性填充物(5)的三維力敏感陣列(11)、柔性電路上層(2 )以及彈性凸起層(I)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓阻式和電容式組合的柔性三維力觸覺傳感器,其特征在于:所述彈性基底層(7)是一層平板狀的樹脂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓阻式和電容式組合的柔性三維力觸覺傳感器,其特征在于:所述柔性電路下層(6)，是嵌有導(dǎo)電橡膠線的平板狀的樹脂層，導(dǎo)電橡膠線與三維力敏感陣列(11)相對(duì)應(yīng)，并與力敏感應(yīng)變片(8)電氣連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓阻式和電容式組合的柔性三維力觸覺傳感器,其特征在于:所述四周填充有柔性填充物(5)的三維力敏感陣列(11)，是由2X2以上結(jié)構(gòu)相同的三維力敏感單元構(gòu)成:均包括呈立體中空狀的硅基體(10)、絕緣彈性體(9)、四塊敏感電極板(4)、中心敏感電極柱(3)和力敏感應(yīng)變片(8);絕緣彈性體(9)位于硅基體(10)中心腔的底部；四塊敏感電極板(4)呈正方形分布，豎直粘結(jié)在硅基體(10)的內(nèi)表面，并與硅基體(10)的上表面對(duì)齊；中心敏感電極柱(3)豎直粘結(jié)在絕緣彈性體(9)上面，中心敏感電極柱(3)的四個(gè)側(cè)表面分別與各自敏感電極板正對(duì)，形成四組感應(yīng)電容；力敏感應(yīng)變片(8)貼在絕緣彈性體(9) 一個(gè)側(cè)面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓阻式和電容式組合的柔性三維力觸覺傳感器,其特征在于:所述柔性電路上層(2)呈等厚度的立體凸起狀，立體凸起結(jié)構(gòu)與三維力敏感單元個(gè)數(shù)相同，立體凸起結(jié)構(gòu)上開有供中心敏感電極柱(3)穿過的孔，柔性電路上層(2)的上表面的導(dǎo)電橡膠線與三維力敏感陣列(11)相對(duì)應(yīng)，并與中心敏感電極柱(3)的上表面進(jìn)行電氣連通，柔性電路上層(2)的下表面的導(dǎo)電橡膠線正交方向排列，分別與四塊敏感電極板(4)的上表面進(jìn)行電氣連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓阻式和電容式組合的柔性三維力觸覺傳感器,其特征在于:所述彈性凸起層(I)是一層等厚度的立體凸起狀薄膜，立體凸起結(jié)構(gòu)與三維力敏感單元個(gè)數(shù)相同，彈性凸起層(I)與柔性電路上層(2)緊密貼合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓阻式和電容式組合的柔性三維力觸覺傳感器,其特征在于:中心敏感電極柱(3)和四塊敏感電極板(4)之間留有間隙，置有柔性填充物。
【文檔編號(hào)】G01L1/18GK203672526SQ201320893252
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】席凱倫, 梅德慶, 梁觀浩, 戴宇, 陳子辰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)