壓電式柔性三維觸覺傳感陣列及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種柔性三維觸覺傳感陣列，尤其涉及一種壓電式的柔性三維觸覺傳感陣列及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]中國是世界上殘疾人數(shù)最多的國家，據(jù)2006年第二次殘疾人抽樣調(diào)查，我國肢體殘疾患者數(shù)量高達(dá)2412萬人，其中截肢患者約226萬人。但是，目前大部分患者選擇不安裝假肢或只安裝美容假肢，操作型假肢的接受度不高，其重要原因是目前的操作型假肢缺少觸覺感知功能，無法成為患者身體的一部分。觸覺感知功能重建是目前操作性假肢領(lǐng)域的一個研究熱點，將觸覺傳感器置于假肢手指端，感受操作物體時的接觸力分布及滑移信息，并將信息通過人機接口反饋給殘疾患者，提高患者對假肢的掌控能力。
[0003]目前用于假肢手的三維觸覺傳感器主要是基于壓阻式和電容式的。硅壓阻式三維觸覺傳感器以其穩(wěn)定的性能、簡單的接口見長，但由于其基底是硬性的，無法隨意彎曲，因此只能簡單地布置于平面上，無法在手指曲面上作陣列式布置。導(dǎo)電橡膠型壓阻式三維觸覺傳感器和柔性電容式三維觸覺傳感器雖具有柔性可彎曲的特點，但其動態(tài)性能不好，無法對接觸及滑移信號作出快速反應(yīng)。
[0004]為解決這些問題，有必要研究一種基于壓電式的柔性三維觸覺傳感陣列，通過其快速響應(yīng)的特點，實現(xiàn)接觸及滑移狀態(tài)的快速判斷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種壓電式柔性三維觸覺傳感陣列及其制備方法，通過四棱臺凸起和壓電電容的組合，實現(xiàn)動態(tài)三維接觸力大小和方向的多點、快速測量。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種壓電式柔性三維觸覺傳感陣列，從上至下依次由PDMS表面凸起層、上電極層、PVDF壓電薄膜層、下電極層和PDMS柔性基底層，五層疊在一起構(gòu)成；所述PDMS表面凸起層為上表面具有兩行三列排布的PDMS四棱臺的圖案化的PDMS薄膜；上電極層為四行六列排布的上電極陣列；下電極層為兩行三列排布的下電極陣列；一個下電極對應(yīng)四個上電極，與夾心的PVDF壓電薄膜層共同形成四個壓電電容，一個PDMS四棱臺正壓于這四個壓電電容上，組成一個三維觸覺傳感單元；所述柔性三維觸覺傳感陣列包含六個三維觸覺傳感單元，空間分辨率為8mm ;所述上電極和下電極均為鋁。
[0007]進一步地，所述三維觸覺傳感單元中四個壓電電容均布于PDMS四棱臺下底面的四角。
[0008]進一步地，所述的上電極層和下電極層均為200nm厚的鋁金屬濺射層經(jīng)雙面光亥IJ、濕法腐蝕得到，相鄰上電極的最小中心間距為2.5mm。
[0009]一種上述壓電式柔性三維觸覺傳感陣列的制備方法，包括以下步驟:
[0010](1)在一張厚度為28um，雙面金屬化的PVDF薄膜上表面均勻旋涂一層2.5um厚的正光刻膠，并放入60°C的恒溫箱內(nèi)靜置1小時進行軟烘干，以提高光刻膠與PVDF薄膜之間的粘附力，將烘干后的PVDF薄膜取出，在其下表面也均勻旋涂一層2.5um厚的正光刻膠，并放入恒溫箱進行軟烘干，烘干溫度和時間同樣設(shè)置為60°C、1小時，得到一張雙面涂有光刻膠的金屬化PVDF薄膜。
[0011](2)將帶有上電極層(2)圖案和下電極層(4)圖案的兩張菲林掩膜板對齊粘貼，把雙面涂有光刻膠的金屬化PVDF薄膜插入這兩張掩膜板中間，形成曝光組件，并固定到玻璃片上，放入光刻機進行上表面曝光，45s之后取出玻璃片，撕下上面的曝光組件，翻轉(zhuǎn)粘貼到玻璃片上，放入光刻機進行下表面曝光，同樣曝光45s，得到雙面曝光的金屬化PVDF薄膜。
[0012](3)將雙面曝光的金屬化PVDF薄膜浸入正膠顯影液中進行顯影處理，浸泡30s后取出，用去離子水反復(fù)沖洗，再用高純氮氣吹干，并放入60°C的恒溫箱進行后烘處理，90min后取出，待其冷卻到室溫時浸入由磷酸、醋酸、硝酸和水按16:1:1:4的質(zhì)量比組成的混合溶液中進行腐蝕，浸泡lOmin后PVDF薄膜上下表面的金屬層被圖案化，形成所述柔性三維觸覺傳感陣列的上電極層(2)和下電極層(4)，中間的PVDF薄膜為所述柔性三維觸覺傳感陣列的PVDF壓電薄膜層(3)。
[0013](4)在上電極層(2)表面旋涂一層50um厚的PDMS(Sylgard 184，預(yù)聚物質(zhì)量:固化劑質(zhì)量=10:1)薄膜，室溫靜置24小時，形成PDMS粘結(jié)層，然后在下電極層(4)表面同樣旋涂一層50um厚的PDMS薄膜，室溫靜置24小時，形成基底層(5)。
[0014](5)將Sylgard 184 PDMS預(yù)聚物與固化劑以10:1的質(zhì)量比混合、攪勻、抽真空去除氣泡，注入到帶有四棱臺凹坑陣列的鋁合金模具中，在80°C的恒溫箱中放置3小時進行固化處理，制造成PDMS表面凸起層(1)。
[0015](6)對PDMS表面凸起層(1)的下表面和步驟(4)制備的PDMS粘結(jié)層上表面進行氧等離子活化，并將這兩個表面對準(zhǔn)貼合，制備出所述的壓電式柔性三維觸覺傳感陣列。
[0016]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0017](1)通過PDMS四棱臺和四個均布壓電電容的組合，可以測量出三維接觸力的大小和方向，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的優(yōu)點。
[0018](2)觸覺傳感陣列上下電極層采用雙面光刻、濕法腐蝕工藝制備，能有效控制電極形狀及尺寸，保證傳感陣列的測量精度。
[0019](3)觸覺傳感陣列的壓電薄膜層、表面凸起層及基底層均由柔性材料制備，便于曲面裝載，可解決現(xiàn)有剛性觸覺傳感陣列在假肢手指表面、機器人手指及身體曲面處難于裝載的問題。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明壓電式柔性三維觸覺傳感陣列的分層爆炸圖；
[0021]圖2是本發(fā)明PDMS表面凸起層的平面圖；
[0022]圖3是本發(fā)明上電極層的平面圖；
[0023]圖4是本發(fā)明下電極層的平面圖；
[0024]圖5是本發(fā)明壓電式柔性三維觸覺傳感陣列的整體裝配圖；
[0025]圖6是本發(fā)明三維觸覺傳感單元的分層爆炸圖；
[0026]圖7是本發(fā)明三維觸覺傳感單元的裝配圖；
[0027]圖8是本發(fā)明三維觸覺傳感單元的工作原理圖，其中(a)是受正向接觸力Fz作用時的工作原理，(b)是受切向接觸力Fx作用時的工作原理，(c)是受切向接觸力Fy作用時的工作原理；
[0028]圖中，PDMS表面凸起層1、上電極層2、PVDF壓電薄膜層3、下電極層4、PDMS柔性基底層5、PDMS四棱臺6、上電極7、下電極8、三維觸覺傳感單元9、壓電電容10。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0030]如圖1所示，本發(fā)明的柔性三維觸覺傳感陣列從上至下依次由PDMS表面凸起層1、上電極層2、PVDF壓電薄膜層3、下電極層4、PDMS柔性基底層5，五層疊在一起構(gòu)成。其中，PDMS表面凸起層1起傳遞接觸力的作用，同時將上電極層2與外界隔絕，減少干擾；PVDF壓電薄膜層3與圖案化的上電極層2及下電極層4構(gòu)成壓電電容，將力信號轉(zhuǎn)換為電荷信號；PDMS柔性基底層5將下電極層4與外界隔絕，保護下電極層并隔絕外界干擾。
[0031]如圖2、圖3、圖4所示，所述PDMS表面凸起層1為上表面具有兩行三列排布的PDMS四棱臺6的圖案化的PDMS薄膜；上電極層2為四行六列排布的上電極7陣列；下電極層4為兩行三列排布的下電極8陣列。
[0032]如圖6、圖7所示，一個下電極8對應(yīng)四個上電極7，與夾心的PVDF壓電薄膜層3共同形成四個壓電電容10，一個PDMS四棱臺6正壓于這四個壓電電容10上，組成一個三維觸覺傳感單元9。
[0033]如圖5所示，整個柔性三維觸覺傳感陣列包含六個三維觸覺傳感單元9，空間分辨率為8mm。
[0034]如圖8所示，柔性三維觸覺傳感單元9的工作原理如下