一種三維力電容式觸覺傳感器單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于觸覺傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三維力電容式觸覺傳感器單 JL〇
【背景技術(shù)】
[0002] 觸覺是智能機(jī)器人作業(yè)環(huán)境信息感知的重要組成部分，與視覺、聽覺等感知信息 相比，在機(jī)器人精密裝配自主作業(yè)系統(tǒng)中，其在可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面往往具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)， 受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用價(jià)值日益明顯。觸覺 感知主要特征包括接觸力的分布及大小、滑覺、振動(dòng)、溫度等，反映機(jī)械手指與目標(biāo)間的接 觸狀態(tài)，為機(jī)器人完成自主作業(yè)規(guī)劃和精確控制提供足夠信息支撐。
[0003] 針對(duì)傳感器敏感單元陣列特性，國(guó)內(nèi)外專家進(jìn)行了不少嘗試和探索。從觸覺機(jī)理、 觸覺傳感材料、觸覺信息獲取、觸覺圖像識(shí)別以及傳感器實(shí)用化等方面進(jìn)行了大量的研宄， 由此產(chǎn)生了很多新型傳感器，其中電容式觸覺傳感器在智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)中具有很高的實(shí) 用價(jià)值。目前觸覺傳感器按照其敏感材料、感知機(jī)理大致可分為六種：機(jī)械式、壓阻式、電 容式、壓電式、壓磁式和光電式。機(jī)械式傳感器是由外力引起機(jī)械位移，但是其空間分辨率 受到限制且結(jié)構(gòu)復(fù)雜；壓阻式傳感器是利用單晶硅體材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成 的，其具有很好的負(fù)載能力且動(dòng)態(tài)范圍寬，同時(shí)也存在遲滯，彈性材料性能需要優(yōu)化，單調(diào) 響應(yīng)非線性的缺點(diǎn)；電容式傳感器原理為兩平行板極間彈性介質(zhì)層受壓變形是容量變化， 有動(dòng)態(tài)范圍寬、線性響應(yīng)和堅(jiān)固耐用的優(yōu)點(diǎn)和介電性易受溫度影響及易受噪音干擾的缺 點(diǎn)；壓電式傳感器利用對(duì)敏感元件施加壓力時(shí)其兩端會(huì)產(chǎn)生電壓的原理，如PVDF薄膜，其 動(dòng)態(tài)范圍寬和形狀裁剪方便，但是其只能感應(yīng)動(dòng)態(tài)力；壓磁式傳感器將作用力的變化轉(zhuǎn)化 成傳感器導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率變化并輸出電信號(hào)，有輸出功率大、信號(hào)強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)，但易 受散場(chǎng)和噪音影響；光電式傳感器用彈性體變形法調(diào)制光波，使壓力轉(zhuǎn)換為光圖像，擁有高 分辨率、無電氣干擾、信號(hào)處理電路可遠(yuǎn)離傳感器等優(yōu)點(diǎn)，但性能對(duì)彈性體依賴較強(qiáng)且存在 滯后。
[0004] 目前為提高靈敏度和線性度，克服電源電壓、環(huán)境溫度變化等外界條件影響，電容 式觸覺傳感器常采用差動(dòng)式或梳齒狀結(jié)構(gòu)。差動(dòng)式結(jié)構(gòu)在測(cè)量正壓力時(shí)可以發(fā)揮其獨(dú)特的 優(yōu)勢(shì)，但在測(cè)量切向力的時(shí)候存在有一定的局限性；梳齒狀結(jié)構(gòu)在測(cè)量切向力時(shí)能發(fā)揮其 信息冗余的優(yōu)勢(shì)，但在正壓力檢測(cè)時(shí)存有一定的缺陷，且其結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。
[0005] 如中國(guó)專利號(hào)為201010512715. 7的電容性傳感器，提出了一種電容性傳感器放 大器電路，并沒有涉及到電容傳感器單元的結(jié)構(gòu)；如中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?01180069443. 0 的力傳感器，通過識(shí)別檢測(cè)環(huán)的彈性變形的方式及大小可以檢測(cè)作用力或力矩的方向及 大小，但是其檢測(cè)部分的電容元件結(jié)構(gòu)不夠優(yōu)化，靈敏度不夠高；如中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?20130406920. 9的電容式壓力傳感器，在高溫環(huán)境下，布置在探測(cè)器本體遠(yuǎn)端部處的電容式 傳感器檢測(cè)壓力的大小，并且通過并聯(lián)電容的方式來減小由溫度變化所引起的誤差，壓力 傳感器不能檢測(cè)三維方向上的力的大小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了提高電容式傳感器的靈敏度并減少維間耦合程度，本實(shí)用新型的目的是提供 一種三維力電容式觸覺傳感器單元，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種三維力電容式觸覺傳感器單元，包括相 粘接的驅(qū)動(dòng)電極、介電薄膜和固定基板，所述介電薄膜設(shè)置于驅(qū)動(dòng)電極和固定基板之間，所 述固定基板邊沿均設(shè)有梯形電極，所述固定基板在中心處設(shè)有等位環(huán)，所述等位環(huán)內(nèi)設(shè)有 圓形電極，所述介電薄膜包括一個(gè)蓋合圓形電極的法向薄膜和四個(gè)蓋合梯形電極的切向薄 膜，所述四個(gè)切向薄膜以兩兩對(duì)稱的排布方式設(shè)于介電薄膜的四邊上。
[0008] 優(yōu)選的，所述驅(qū)動(dòng)電極上設(shè)有驅(qū)動(dòng)電極扇形孔。
[0009] 優(yōu)選的，所述四個(gè)切向薄膜依次連接，兩個(gè)切向薄膜連接后與法向薄膜形成介電 薄膜扇形孔。
[0010] 優(yōu)選的，所述介電薄膜扇形孔與驅(qū)動(dòng)電極上對(duì)應(yīng)位置的驅(qū)動(dòng)電極扇形孔形狀相 同。
[0011] 優(yōu)選的，所述的驅(qū)動(dòng)電極與圓形電極是分隔開的。
[0012] 優(yōu)選的，所述驅(qū)動(dòng)電極、梯形電極、等位環(huán)、圓形電極的材質(zhì)均為銅或鋁。
[0013] 優(yōu)選的，所述介電薄膜的材質(zhì)為PDMS、PET或硅橡膠中的一種，厚度為Iym~ 20um〇
[0014] 優(yōu)選的，所述等位環(huán)和圓形電極之間設(shè)有絕緣層。
[0015] 優(yōu)選的，所述四個(gè)切向薄膜的寬度比梯形電極的寬度窄0.Imm~1mm。
[0016] 眾所周知，平行板電容的電容值與兩極板間的正對(duì)面積成正比，跟極板的垂直距 離d成反比。平行板電容器電容公式如下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種三維力電容式觸覺傳感器單元，包括相粘接的驅(qū)動(dòng)電極、介電薄膜和固定基板， 所述介電薄膜設(shè)置于驅(qū)動(dòng)電極和固定基板之間，其特征在于：所述固定基板邊沿均設(shè)有梯 形電極，所述固定基板在中心處設(shè)有等位環(huán)，所述等位環(huán)內(nèi)設(shè)有圓形電極，所述介電薄膜包 括一個(gè)蓋合圓形電極的法向薄膜和四個(gè)蓋合梯形電極的切向薄膜，所述四個(gè)切向薄膜以兩 兩對(duì)稱的排布方式設(shè)于介電薄膜的四邊上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力電容式觸覺傳感器單元，其特征在于：所述驅(qū)動(dòng)電極 上設(shè)有驅(qū)動(dòng)電極扇形孔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維力電容式觸覺傳感器單元，其特征在于：所述四個(gè) 切向薄膜依次連接，兩個(gè)切向薄膜連接后與法向薄膜形成介電薄膜扇形孔。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維力電容式觸覺傳感器單元，其特征在于：所述介電薄膜 扇形孔與驅(qū)動(dòng)電極上對(duì)應(yīng)位置的驅(qū)動(dòng)電極扇形孔形狀相同。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力電容式觸覺傳感器單元，其特征在于：所述的驅(qū)動(dòng)電 極與圓形電極是分隔開的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力電容式觸覺傳感器單元，其特征在于：所述驅(qū)動(dòng)電極、 梯形電極、等位環(huán)、圓形電極的材質(zhì)均為銅或鋁。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力電容式觸覺傳感器單元，其特征在于：所述介電薄膜 的材質(zhì)為PDMS、PET或硅橡膠中的一種，厚度為Iym~20ym。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力電容式觸覺傳感器單元，其特征在于：所述等位環(huán)和 圓形電極之間設(shè)有絕緣層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力電容式觸覺傳感器單元，其特征在于：所述四個(gè)切向 薄膜的寬度均比梯形電極的寬度窄〇?Imm~Imm0
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種三維力電容式觸覺傳感器單元，包括相粘接的驅(qū)動(dòng)電極、介電薄膜和固定基板，介電薄膜設(shè)置于驅(qū)動(dòng)電極和固定基板之間，固定基板邊沿均設(shè)有梯形電極，固定基板在中心處設(shè)有等位環(huán)，等位環(huán)內(nèi)設(shè)有圓形電極，介電薄膜包括一個(gè)蓋合圓形電極的法向薄膜和四個(gè)蓋合梯形電極的切向薄膜，四個(gè)切向薄膜以兩兩對(duì)稱的排布方式設(shè)于介電薄膜的四邊上。本實(shí)用新型的扇形孔減小電極間的接觸面積，可提高檢測(cè)電容的相對(duì)靈敏度且能降低維間耦合程度，等位環(huán)可以改善電極外邊緣處的電場(chǎng)畸變，有效減小邊緣效應(yīng)的影響。
【IPC分類】G01L5-16, G01L1-14
【公開號(hào)】CN204495495
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520168618
【發(fā)明人】許玉云, 許德章, 葛維東, 董躍龍
【申請(qǐng)人】安徽工程大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年3月24日