一種全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于人工智能皮膚的全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]人類感知外界力的系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)精巧的系統(tǒng)，人類皮膚對(duì)于作用于其上的應(yīng)力，也即是機(jī)械剌激的感知，主要分為觸覺和壓覺。兩者的感受器不同，觸覺感受器是觸覺小體(分布于真皮淺部的乳頭層)和皮膚內(nèi)圍繞毛囊的神經(jīng)末梢。壓覺感受器是環(huán)層小體(分布于真皮深層的網(wǎng)狀層)。觸覺由輕微的不引起皮膚變形的刺激引起，壓覺則是由能使皮膚發(fā)生變形的刺激引起。作為仿人類皮膚的機(jī)器人智能皮膚，外界力信息感知是一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，機(jī)器人依靠分布于智能皮膚上的力敏傳感器可以精確的感知外部信息，實(shí)現(xiàn)與外界環(huán)境的良好互動(dòng)。
[0003]目前國內(nèi)外已經(jīng)研制出多種用于機(jī)器人皮膚的外界力感知傳感器。金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體壓阻傳感器等廣泛用于壓力檢測，但由于其基于剛性材料，缺乏必要的柔性，不適合在機(jī)器人彎曲表面使用。電容式傳感器應(yīng)用于壓力檢測時(shí)，靈敏度較低，且電容信號(hào)容易受外界因素干擾。Shouher Shirafuji等人介紹了一種基于聚偏氟乙稀(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)證其具備力信息檢測功能，然而基于壓電特性的PVDF只能檢測動(dòng)態(tài)力，缺乏對(duì)靜態(tài)力的感知功能。斯坦福大學(xué)鮑哲南教授研究小組對(duì)兩電極間的柔性填充物進(jìn)行了微結(jié)構(gòu)改造，采用空心球微結(jié)構(gòu)，能非常靈敏地檢測外界壓力，但只能檢測O?1kPa小量程段的應(yīng)力。Yangyong Wang等人介紹了一種彈性基體內(nèi)嵌可拉伸織物傳感器方法，可以實(shí)現(xiàn)IMPa應(yīng)力檢測，但對(duì)于小量程段應(yīng)力檢測靈敏度和精度不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提出一種全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器，旨在提供一種用于智能機(jī)器人人工敏感皮膚的、兼具大小量程段力學(xué)量測定、全柔性、靈敏度高、性能穩(wěn)定、制備工藝簡單的力敏傳感器。
[0005]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器，其特點(diǎn)在于:
[0007]所述全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器是在下柔性基底上，通過層層組裝技術(shù)形成有壓覺感知傳感器和觸覺感知傳感器；所述壓覺感知傳感器和所述觸覺感知傳感器之間通過上柔性基底連接。
[0008]所述觸覺感知傳感器位于所述全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的上層，采用柔性叉指電極結(jié)構(gòu)，以石墨稀/炭黑填充娃橡膠為敏感材料，用于感知觸覺力；
[0009]所述壓覺感知傳感器位于所述全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的下層，采用上下電極結(jié)構(gòu)，以碳納米管/炭黑填充硅橡膠為敏感材料，用于感知壓覺力。
[0010]所述全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的整體結(jié)構(gòu)呈扁半球形。所述全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的信號(hào)線全部從整體扁半球結(jié)構(gòu)內(nèi)部通過，并從底部引出。所述下柔性基底和所述上柔性基底均以聚酰亞胺為材質(zhì)。
[0011]上述全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的制造方法是按如下步驟進(jìn)行:
[0012](I)設(shè)置圓形的上柔性基底2和圓形的下柔性基底4，在所述上柔性基底2上設(shè)置過孔，在所述下柔性基底4的圓心處設(shè)置通孔；
[0013](2)在所述上柔性基底2的上表面蒸鍍?nèi)嵝圆嬷鸽姌O；在所述上柔性基底2的下表面蒸鍍上圓形電極7 ;在所述下柔性基底4的上表面蒸鍍下圓形電極8 ;
[0014](3)將石墨烯、炭黑及硅橡膠混合均勻后注入扁半球形模具后，將扁半球形模具放在上柔性基底2的上表面，使石墨烯、炭黑及硅橡膠的混合物與上柔性基底2的上表面緊密貼合，然后室溫下硫化成型，取下扁半球形模具，即在上柔性基底2的上表面形成石墨烯/炭黑填充娃橡膠1，且石墨稀/炭黑填充娃橡膠I作為敏感材料與上柔性基底2的上表面的柔性叉指電極貼合，構(gòu)成觸覺感知傳感器；
[0015](4)將碳納米管、炭黑及硅橡膠混合均勻后注入中軸線處帶有一細(xì)圓柱的圓臺(tái)形模具，然后室溫下硫化成型，取下圓臺(tái)形模具，即獲得中軸線處帶有一細(xì)圓柱形通孔的圓臺(tái)形碳納米管/炭黑填充硅橡膠3 ;
[0016](5)將碳納米管/炭黑填充硅橡膠3的一面通過導(dǎo)電銀膠與上柔性基底2下表面的上圓形電極7粘接，另一面通過導(dǎo)電銀膠與下柔性基底4下表面的下圓形電極8粘接，構(gòu)成壓覺感知傳感器；
[0017](6)將柔性叉指電極的一側(cè)5通過上柔性基底2上的過孔與上圓形電極7連接后，共同與公共信號(hào)線9相連，將柔性叉指電極的另一側(cè)6與第一信號(hào)線10相連，將下圓形電極8與第二信號(hào)線11相連；
[0018]將公共信號(hào)線9、第一信號(hào)線10和第二信號(hào)線11通過碳納米管/炭黑填充硅橡膠3中軸線處的細(xì)圓柱形通孔及下柔性基底4圓心處的通孔引出至下柔性基底4底部，用于與信號(hào)采集電路相連。
[0019]其中:步驟(3)中石墨稀和炭黑的總質(zhì)量占娃橡膠質(zhì)量的6%，石墨稀和炭黑的質(zhì)量比為1:2。步驟(4)中碳納米管和炭黑的總質(zhì)量占硅橡膠質(zhì)量的8%，碳納米管和炭黑的質(zhì)量比為2:3。
[0020]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
[0021]1、本發(fā)明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器與其它單一量程力敏傳感器相比，既能實(shí)現(xiàn)小量程段(O?10KPa)的觸覺力的感知，又能實(shí)現(xiàn)大量程段(> 10KPa)的壓覺力的測定，提高了小量程段力學(xué)量檢測的分辨率和靈敏度，保證了不同量程段測量的精度。
[0022]2、本發(fā)明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器整體呈扁半球形狀，與一般上下等截面的結(jié)構(gòu)相比，能夠?qū)㈨敳客饨缌鶆虻貍鬟f到下方叉指電極上及下層的壓覺感知傳感器上，提高測量的準(zhǔn)確性。
[0023]3、本發(fā)明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器以聚酰亞胺為基底，傳感器敏感材料和電極等所有結(jié)構(gòu)均具有很好的柔性，傳感器可實(shí)現(xiàn)彎曲變形，能可靠地貼合在機(jī)器人皮膚上，實(shí)現(xiàn)外界刺激的感知，提高了其表面適應(yīng)性。
[0024]4、本發(fā)明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器制備工藝簡單；與一般上下電極結(jié)構(gòu)的力敏傳感器引線上下分別引出的方式相比，本發(fā)明傳感器所有引線統(tǒng)一從底部柔性基底下方引出，避免布線繁瑣、不美觀，便于陣列化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的垂直剖面結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖2是本發(fā)明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的拆分立體圖；
[0027]圖3是本發(fā)明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的電極引線示意圖；
[0028]圖4是本發(fā)明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的觸覺感知小量程段電阻-應(yīng)力關(guān)系曲線圖；
[0029]圖5是本發(fā)明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的壓覺感知大量程段電阻-應(yīng)力關(guān)系曲線圖；
[0030]圖6是本發(fā)明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的信號(hào)采集、處理電路示意圖；
[0031]圖中標(biāo)號(hào):1石墨烯/炭黑填充硅橡膠；2上柔性基底；3碳納米管/炭黑填充硅橡膠；4下柔性基底；5柔性叉指電極的一側(cè)；6柔性叉指電極的另一側(cè)；7上圓形電極；8下圓形電極；9公共信號(hào)線；10第一信號(hào)線；11第二信號(hào)線。
【具體實(shí)施方式】
[0032]如圖1和圖2所示，本實(shí)施例的全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器整體結(jié)構(gòu)呈扁半球狀，便于傳感器各部分均勾感受外力，高度為5mm，底部半徑為10mm，曲率半徑為12.5mm ；包括上層用于感知小量程段外界力的觸覺感知傳感器和下層用于感知大量程段外界力的壓覺感知傳感器；
[0033]觸覺感知傳感器以石墨烯/炭黑填充硅橡膠I作為敏感材料，采用同面叉指電極結(jié)構(gòu)，上柔性基底2上表面的柔性叉指電極作為電極；
[0034]壓覺感知傳感器包括碳納米管/炭黑填充硅橡膠3作為敏感材料，采用上下電極結(jié)構(gòu)，上柔性基底2下表面的上圓形電極7和下柔性基底4上表面的下圓形電極8作為電極；
[0035]基于柔性印刷電路板(FPCB)技術(shù)，上柔性基底2和下柔性基底4均選用聚酰亞胺為材質(zhì)，如圖3所示，上柔性基底上表面的柔性叉指電極的一側(cè)5和上柔性基底下表面的上圓形電極7通過在上柔性基底2上設(shè)置過孔連接，共同與公共信號(hào)線9相連，上柔性基底上表面的柔性叉指電極的另一側(cè)6與第一信號(hào)線10相連，下柔性基底上表面的下圓形電極8與第二信號(hào)線11相連。
[0036]觸覺感知傳感器敏感材料石墨烯/炭黑填充硅橡膠I選用中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司的石墨烯和瑞士 SPC公司的CB3100型炭黑作為混合導(dǎo)電填料，選用中昊晨光化工研究院有限公司的GD401型硅橡膠作為柔性基體。為保證傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性，石墨烯/炭黑混合填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，保證在“滲流區(qū)”附近，以便受力時(shí)利用導(dǎo)電粒子間距變化產(chǎn)生電阻的變化；且兩者質(zhì)量比為1:2，保證填料分布均勻，形成穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)，保證機(jī)械性能。石墨烯/炭黑和硅橡膠通過溶液共混法制備，利用3D打印技術(shù)打印出一扁半球形模具，將石墨烯/炭黑/硅橡膠注入扁半球形模具，并將上柔性基底2上表面與石墨烯/炭黑/硅橡膠混合物緊密貼合，并在室溫下硫化成型，取出得到石墨烯/炭黑填充硅橡膠1，并能與上柔性基底2上