本發(fā)明涉及柔性觸覺傳感器，尤其是涉及了一種具有圖案化微結(jié)構(gòu)陣列的電容式觸覺傳感器。

技術(shù)背景

為了使機(jī)器人的工作和行為能力盡可能接近人類，能夠和人類協(xié)同工作，除了需要更精確的運(yùn)動(dòng)和操作控制，還需要一套與人類接近的識(shí)別感知系統(tǒng)。通常，機(jī)器人的控制主要是通過機(jī)械部件的空間位置信息或者加之以一定的圖像識(shí)別信息的不斷反饋來完成的。而觸覺傳感器的出現(xiàn)使其在原有的基礎(chǔ)上增加了機(jī)械部件與外界環(huán)境的接觸信息，使得機(jī)械部件與控制程序之間的相互反饋更加完善。同時(shí)，觸覺傳感器也在人類和機(jī)器人之間搭起了新的人機(jī)接口。可見觸覺傳感器的研究不可或缺。智能假肢是觸覺傳感器應(yīng)用的一大領(lǐng)域。傳統(tǒng)的假肢對于觸覺感知能力的缺失，使其康復(fù)效果和殘疾修復(fù)能力大打折扣。因此觸覺傳感器對于假肢的觸覺感知系統(tǒng)建立具有重大的意義。觸覺傳感器的引入，可使人工假肢成為患者身體的一部分，在假肢與患者、假肢與環(huán)境之間搭建有效的信息交互的渠道，為患者建立觸覺感知能力，實(shí)現(xiàn)人工假肢的仿生化、智能化。同時(shí)，觸覺傳感器可為手術(shù)機(jī)械手提供高靈敏度的觸覺感知，在微創(chuàng)手術(shù)中能夠發(fā)揮巨大的作用。

目前，觸覺傳感器可以根據(jù)其傳感機(jī)制分為以下幾種：電阻式、電容式、壓電式、光學(xué)式及其他形式的傳感器，其中電容式觸覺傳感器因其良好的靈敏度與空間分辨率、受溫度影響小的特點(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注。

現(xiàn)有觸覺傳感器雖種類繁多，但在靈敏度上還未達(dá)到微小力精密檢測的要求，因此，設(shè)計(jì)一種具有高靈敏度的傳感器十分重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)中的缺失，本發(fā)明的目的在于提供一種具有圖案化微結(jié)構(gòu)陣列的電容式觸覺傳感器，具有高靈敏度特點(diǎn)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明的電容式觸覺傳感器主要是由從上至下依次的指紋狀表面微凸起、上層電容電極基底、上層電容電極、二維正弦微凸起介電層、下層電容電極和下層電容電極基底緊密層疊而成，具備多維力測量能力。其中，指紋狀表面微凸起用于接收外部力刺激，上層電容電極基底、下層電容電極基底作為結(jié)構(gòu)支撐，上層電容電極與下層電容電極上的電極極片串聯(lián)方向呈正交布置，并與二維正弦微凸起介電層三者共同構(gòu)成傳感器的電容主體，在指紋狀表面微凸起上表面受到外部力刺激后，通過電容主體感測為電容變化，并進(jìn)而通過電容變化轉(zhuǎn)換獲得所受力的大小、方向。

所述上層指紋狀表面微凸起、電容電極基底、二維正弦微凸起介電層、下層電容電極基底均采用具備良好柔性的材料，具體可采用有機(jī)聚合物制造。

所述微凸起介電層為具有二維正交正弦波形貌上表面的柔性薄膜，單個(gè)凸起高度6～10μm，寬度65～75μm，介電層的平均厚度55～60μm，使得能增強(qiáng)傳感器對于多維力檢測的靈敏度。二維正交正弦波形貌上表面是指上表面沿相正交的兩個(gè)方向的截面均為正弦波形狀。

所述的指紋狀表面微凸起上表面具有與人手指尖皮膚相近的紋理形貌，單個(gè)凸起高度3～5μm，寬度65～75μm，微凸起層的平均厚度45～50μm，使得能接收外部力刺激并改善受力情況。

所述上層電容電極與下層電容電極均由多片電極極片間隔陣列排布而成，上層電容電極電極極片的陣列排布方式和下層電容電極電極極片的陣列排布方式相同，使得上層電容電極每一片電極極片與其正下方的下層電容電極一片電極極片相對應(yīng)形成一平板電容；所有電極極片以相同列方向相串聯(lián)的方式或者相同行方向相串聯(lián)的方式相連接而分為多條電極極板，上層電容電極的電極極片串聯(lián)方向與下層電容電極的電極極片串聯(lián)方向相正交(相垂直)。

具體實(shí)施中，每條電極極板的端部均連接到外部的信號(hào)采集器件中，在上層電容電極與下層電容電極的每條電極極板的中間作斷開處理，使得原先每條電極極板分為兩條電極極板，由四角的四個(gè)區(qū)域?qū)⑸蠈与娙蓦姌O與下層電容電極的所有電極極板均分為四個(gè)部分，從而即將上層電容電極與下層電容電極之間形成的所有平板電容分為四個(gè)部分，每個(gè)部分均連接到一個(gè)外部信號(hào)采集器件來遍歷采集電容值，以此提高采集的效率。

所述上層電容電極與下層電容電極在行方向和列方向上的平板電容的數(shù)量均相同，均包含N行×N列個(gè)平板電容，并以每2行×2列個(gè)平板電容形成一個(gè)多維力檢測單元，多維力檢測單元受到外部力刺激后，其中的四個(gè)平板電容的電容值發(fā)生變化，根據(jù)電容值的變化轉(zhuǎn)換為所受力的大小和方向，從而將外部力刺激引發(fā)的電容變化轉(zhuǎn)換為受力信息，實(shí)現(xiàn)觸覺傳感檢測。

本發(fā)明具有的有益效果是：

(1)利用電容式觸覺傳感器本身良好的靈敏特性與高柔性二維正弦微凸起介電層相結(jié)合，使觸覺傳感器具有高靈敏度，解決了傳感器對于多維力的高靈敏度實(shí)時(shí)檢測問題，可在對靈敏度要求高的人工假肢、手術(shù)機(jī)械手等領(lǐng)域應(yīng)用。

(2)采用具有與人手指尖皮膚相似紋理形貌的傳感器表面微凸起，改善傳感器受外部力刺激時(shí)的受力情況。

(3)以2行×2列個(gè)電容作為一個(gè)多維力檢測單元，將4個(gè)電容的變化轉(zhuǎn)換為所受外力的大小和方向。

(4)電容式觸覺傳感器采用高柔性有機(jī)聚合物制造，使傳感器具備良好的柔性，對曲面裝載具有良好的適應(yīng)性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明分層結(jié)構(gòu)拆分立體圖。

圖2是本發(fā)明指紋狀表面微凸起立體圖。

圖3是本發(fā)明二維正弦微凸起介電層立體圖。

圖4是本發(fā)明上電容電極平面圖及多維力檢測單元分區(qū)圖。

圖5是本發(fā)明下電容電極平面圖及多維力檢測單元分區(qū)圖。

圖6是本發(fā)明上、下層電容電極布置立體圖。

圖7是本發(fā)明單個(gè)多維力檢測單元及檢測原理立體圖。

圖8是本發(fā)明最終形成的電容式觸覺傳感器的剖面圖。

圖9是本發(fā)明最終形成的電容式觸覺傳感器的立體圖。

圖中：1、指紋狀表面微凸起，2、上層電容電極基底，3、上層電容電極，4、二維正弦微凸起介電層，5、下層電容電極，6、下層電容電極基底，7、多維力檢測單元。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1、圖8、圖9所示，本發(fā)明的電容式觸覺傳感器主要是由從上至下依次的指紋狀表面微凸起1、上層電容電極基底2、上層電容電極3、二維正弦微凸起介電層4、下層電容電極5和下層電容電極基底6緊密層疊而成，具備多維力測量能力。

其中如圖1所示，指紋狀表面微凸起1用于接收外部力刺激，上層電容電極基底2、下層電容電極基底6作為結(jié)構(gòu)支撐，上層電容電極3與下層電容電極5上的電極極片串聯(lián)方向呈正交布置，并與二維正弦微凸起介電層4三者共同構(gòu)成傳感器的電容主體，在指紋狀表面微凸起1上表面受到外部力刺激后，通過電容主體感測為電容變化，并進(jìn)而通過電容變化轉(zhuǎn)換獲得所受力的大小、方向。

如圖3所示，微凸起介電層4為具有二維正交正弦波形貌上表面的柔性薄膜。如圖2所示，指紋狀表面微凸起1上表面具有與人手指尖皮膚相近的紋理形貌。圖2中的指紋狀表面微凸起的上表面僅是示意，實(shí)際的指紋狀表面微凸起1上表面應(yīng)是不規(guī)則的形態(tài)。

如圖4、圖5所示，上層電容電極3與下層電容電極5均由多片電極極片間隔陣列排布而成，上層電容電極3電極極片的陣列排布方式和下層電容電極5電極極片的陣列排布方式相同，使得上層電容電極3每一片電極極片與其正下方的下層電容電極5一片電極極片相對應(yīng)形成一平板電容；所有電極極片以相同列方向相串聯(lián)的方式或者相同行方向相串聯(lián)的方式相連接而分為多條電極極板，上層電容電極3的電極極片串聯(lián)方向與下層電容電極5的電極極片串聯(lián)方向相正交(相垂直)。例如上層電容電極3的電極極片以相同列相串聯(lián)的方式布置連接，則下層電容電極5的電極極片以相同行相串聯(lián)的方式布置連接。反之同理。

如圖4-6所示，上層電容電極3與下層電容電極5在行方向和列方向上的平板電容的數(shù)量均相同，圖中均包含以12行×12列為例，并以每2行×2列個(gè)平板電容形成一個(gè)多維力檢測單元7，多維力檢測單元7受到外部力刺激后，其中的四個(gè)平板電容的電容值發(fā)生變化，根據(jù)電容值的變化轉(zhuǎn)換為所受力的大小和方向，從而將外部力刺激引發(fā)的電容變化轉(zhuǎn)換為受力信息，實(shí)現(xiàn)觸覺傳感檢測。

如圖6所示，具體實(shí)施中，每條電極極板的端部均連接到外部的信號(hào)采集器件中，在上層電容電極3與下層電容電極5的每條電極極板的中間作斷開處理，使得原先每條電極極板分為兩條電極極板，由四角的四個(gè)區(qū)域?qū)⑸蠈与娙蓦姌O3與下層電容電極5的所有電極極板均分為四個(gè)部分，從而即將上層電容電極3與下層電容電極5之間形成的所有平板電容分為四個(gè)部分，每個(gè)部分均連接到一個(gè)外部信號(hào)采集器件來遍歷采集電容值，以此提高采集的效率。

本發(fā)明的工作原理描述如下：

通過控制電路選通相應(yīng)的上層電容電極3、下層電容電極5，觸覺傳感器中的一個(gè)電容被選通接入電容檢測電路中，并屏蔽其余電容。如圖8、圖9所示，當(dāng)觸覺傳感器受到外力作用時(shí)，傳感器受壓而使上層電容電極3、下層電容電極5的間距變小，電容值增大。如圖7所示，通過測量一個(gè)多維力檢測單元7中4個(gè)電容的變化，可以得到這個(gè)單元所受外力的大小和方向。多維力檢測單元7受到外力F作用時(shí)，可將F分解為三個(gè)正交方向上的力：法向力F_z，切向力F_x，切向力F_y。法向力F_z使多維力檢測單元7內(nèi)的四個(gè)電容均受壓，且電極間距減小量相同；切向力F_x使四個(gè)電容中，位于切向力方向上一側(cè)的兩個(gè)電容受壓，且電極間距減小量相同，另外兩個(gè)電容受拉，電極間距增加量相同；切向力F_y則同理。通過控制電路對傳感器中的電容進(jìn)行高速逐個(gè)掃描，隨后經(jīng)由檢測電路測量每一個(gè)電容的值，即可將整個(gè)傳感器中各個(gè)多維力檢測單元7的受力情況檢測出來。

本發(fā)明的實(shí)施例如下：

完成該具有圖案化微結(jié)構(gòu)陣列的電容式觸覺傳感器的制作步驟如下：

(1)采用MEMS微納制造工藝制造上、下層電容電極與基底。其中，基底采用25μm厚的PET薄膜制造，上、下層電容極板以銅為材料通過磁控濺射工藝制造。

(2)采用PEGDA材料，利用3D打印技術(shù)制造二維正弦微凸起介電層與指紋狀表面微凸起。

(3)如圖9所示，將制造好的各層粘貼裝配為觸覺傳感器。經(jīng)檢測，傳感器靈敏度為0.03％/mN。

本發(fā)明的實(shí)施例中的觸覺傳感器各參數(shù)為：總厚度約為200μm、邊長為10mm的正方形，單個(gè)電容為邊長500μm的正方形，多維力檢測單元空間分辨率為800μm。微凸起介電層4中，單個(gè)凸起高度為6～10μm，寬度為65～75μm，介電層的平均厚度為45～50μm。指紋狀表面微凸起1中，單個(gè)凸起高度為3～5μm，寬度為65～75μm，微凸起層的平均厚度為55～60μm。

實(shí)施例按照以上步驟，制造出來的觸覺傳感器的靈敏度達(dá)到0.03％/mN，具有高靈敏度、高柔性的特點(diǎn)，對于人體智能假肢觸覺感知建立具有重大的意義。

本發(fā)明的觸覺傳感器能用作機(jī)器人的“柔性觸覺敏感皮膚”，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，大大提高機(jī)器人的智能化程度。在生物醫(yī)療方面，觸覺傳感器可應(yīng)用于高精度外科手術(shù)機(jī)器人和微創(chuàng)手術(shù)智能器械領(lǐng)域。