具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器。由从上至下依次的指纹状表面微凸起、上层电容电极基底、上层电容电极、二维正弦微凸起介电层、下层电容电极和下层电容电极基底层叠而成，指纹状表面微凸起用于接收外部力刺激，上、下层电容电极基底作为结构支撑，上、下层电容电极上的电极极片串联方向呈正交布置，并与二维正弦微凸起介电层三者共同构成传感器的电容主体，在指纹状表面微凸起上表面受到外部力刺激后，通过电容主体感测电容变化并转换获得受力的大小、方向。本发明专利技术解决了传感器对于多维力的高灵敏度实时检测问题，可在对灵敏度要求高的人工假肢、手术机械手等领域应用。

Capacitive tactile sensor with patterned micro structure array

A capacitive tactile sensor having a patterned micro structure array is disclosed. From top to bottom by fingerprint surface micro bulge, followed by upper capacitor electrode substrate, the upper capacitor electrode, a two-dimensional sinusoidal microprotrusion dielectric layer, the lower capacitor electrode and the lower capacitor electrode substrate stacked, fingerprint surface microconvexities for receiving external force, the upper and lower layer capacitor electrode substrate as a support structure. The upper and lower electrode of capacitor electrode pole piece series direction orthogonal arrangement, and two-dimensional sinusoidal microprotrusion dielectric layer three together constitute the main capacitance sensor, the fingerprint surface microconvexities on the surface due to the external force after stimulation by the main capacitance sensing capacitor changes and conversion gain magnitude and direction of force. The invention solves the problems of high sensitivity and real-time detection of the multidimensional force of the sensor, and can be applied in the artificial artificial limb with high sensitivity and the manipulator.

【技术实现步骤摘要】
具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器
本专利技术涉及柔性触觉传感器，尤其是涉及了一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器。技术背景为了使机器人的工作和行为能力尽可能接近人类，能够和人类协同工作，除了需要更精确的运动和操作控制，还需要一套与人类接近的识别感知系统。通常，机器人的控制主要是通过机械部件的空间位置信息或者加之以一定的图像识别信息的不断反馈来完成的。而触觉传感器的出现使其在原有的基础上增加了机械部件与外界环境的接触信息，使得机械部件与控制程序之间的相互反馈更加完善。同时，触觉传感器也在人类和机器人之间搭起了新的人机接口。可见触觉传感器的研究不可或缺。智能假肢是触觉传感器应用的一大领域。传统的假肢对于触觉感知能力的缺失，使其康复效果和残疾修复能力大打折扣。因此触觉传感器对于假肢的触觉感知系统建立具有重大的意义。触觉传感器的引入，可使人工假肢成为患者身体的一部分，在假肢与患者、假肢与环境之间搭建有效的信息交互的渠道，为患者建立触觉感知能力，实现人工假肢的仿生化、智能化。同时，触觉传感器可为手术机械手提供高灵敏度的触觉感知，在微创手术中能够发挥巨大的作用。目前，触觉传感器可以根据其传感机制分为以下几种：电阻式、电容式、压电式、光学式及其他形式的传感器，其中电容式触觉传感器因其良好的灵敏度与空间分辨率、受温度影响小的特点得到了广泛的关注。现有触觉传感器虽种类繁多，但在灵敏度上还未达到微小力精密检测的要求，因此，设计一种具有高灵敏度的传感器十分重要。
技术实现思路
为了弥补现有技术中的缺失，本专利技术的目的在于提供一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器，具有高灵敏度特点。本专利技术采用的技术方案是：本专利技术的电容式触觉传感器主要是由从上至下依次的指纹状表面微凸起、上层电容电极基底、上层电容电极、二维正弦微凸起介电层、下层电容电极和下层电容电极基底紧密层叠而成，具备多维力测量能力。其中，指纹状表面微凸起用于接收外部力刺激，上层电容电极基底、下层电容电极基底作为结构支撑，上层电容电极与下层电容电极上的电极极片串联方向呈正交布置，并与二维正弦微凸起介电层三者共同构成传感器的电容主体，在指纹状表面微凸起上表面受到外部力刺激后，通过电容主体感测为电容变化，并进而通过电容变化转换获得所受力的大小、方向。所述上层指纹状表面微凸起、电容电极基底、二维正弦微凸起介电层、下层电容电极基底均采用具备良好柔性的材料，具体可采用有机聚合物制造。所述微凸起介电层为具有二维正交正弦波形貌上表面的柔性薄膜，单个凸起高度6～10μm，宽度65～75μm，介电层的平均厚度55～60μm，使得能增强传感器对于多维力检测的灵敏度。二维正交正弦波形貌上表面是指上表面沿相正交的两个方向的截面均为正弦波形状。所述的指纹状表面微凸起上表面具有与人手指尖皮肤相近的纹理形貌，单个凸起高度3～5μm，宽度65～75μm，微凸起层的平均厚度45～50μm，使得能接收外部力刺激并改善受力情况。所述上层电容电极与下层电容电极均由多片电极极片间隔阵列排布而成，上层电容电极电极极片的阵列排布方式和下层电容电极电极极片的阵列排布方式相同，使得上层电容电极每一片电极极片与其正下方的下层电容电极一片电极极片相对应形成一平板电容；所有电极极片以相同列方向相串联的方式或者相同行方向相串联的方式相连接而分为多条电极极板，上层电容电极的电极极片串联方向与下层电容电极的电极极片串联方向相正交(相垂直)。具体实施中，每条电极极板的端部均连接到外部的信号采集器件中，在上层电容电极与下层电容电极的每条电极极板的中间作断开处理，使得原先每条电极极板分为两条电极极板，由四角的四个区域将上层电容电极与下层电容电极的所有电极极板均分为四个部分，从而即将上层电容电极与下层电容电极之间形成的所有平板电容分为四个部分，每个部分均连接到一个外部信号采集器件来遍历采集电容值，以此提高采集的效率。所述上层电容电极与下层电容电极在行方向和列方向上的平板电容的数量均相同，均包含N行×N列个平板电容，并以每2行×2列个平板电容形成一个多维力检测单元，多维力检测单元受到外部力刺激后，其中的四个平板电容的电容值发生变化，根据电容值的变化转换为所受力的大小和方向，从而将外部力刺激引发的电容变化转换为受力信息，实现触觉传感检测。本专利技术具有的有益效果是：(1)利用电容式触觉传感器本身良好的灵敏特性与高柔性二维正弦微凸起介电层相结合，使触觉传感器具有高灵敏度，解决了传感器对于多维力的高灵敏度实时检测问题，可在对灵敏度要求高的人工假肢、手术机械手等领域应用。(2)采用具有与人手指尖皮肤相似纹理形貌的传感器表面微凸起，改善传感器受外部力刺激时的受力情况。(3)以2行×2列个电容作为一个多维力检测单元，将4个电容的变化转换为所受外力的大小和方向。(4)电容式触觉传感器采用高柔性有机聚合物制造，使传感器具备良好的柔性，对曲面装载具有良好的适应性。附图说明图1是本专利技术分层结构拆分立体图。图2是本专利技术指纹状表面微凸起立体图。图3是本专利技术二维正弦微凸起介电层立体图。图4是本专利技术上电容电极平面图及多维力检测单元分区图。图5是本专利技术下电容电极平面图及多维力检测单元分区图。图6是本专利技术上、下层电容电极布置立体图。图7是本专利技术单个多维力检测单元及检测原理立体图。图8是本专利技术最终形成的电容式触觉传感器的剖面图。图9是本专利技术最终形成的电容式触觉传感器的立体图。图中：1、指纹状表面微凸起，2、上层电容电极基底，3、上层电容电极，4、二维正弦微凸起介电层，5、下层电容电极，6、下层电容电极基底，7、多维力检测单元。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图1、图8、图9所示，本专利技术的电容式触觉传感器主要是由从上至下依次的指纹状表面微凸起1、上层电容电极基底2、上层电容电极3、二维正弦微凸起介电层4、下层电容电极5和下层电容电极基底6紧密层叠而成，具备多维力测量能力。其中如图1所示，指纹状表面微凸起1用于接收外部力刺激，上层电容电极基底2、下层电容电极基底6作为结构支撑，上层电容电极3与下层电容电极5上的电极极片串联方向呈正交布置，并与二维正弦微凸起介电层4三者共同构成传感器的电容主体，在指纹状表面微凸起1上表面受到外部力刺激后，通过电容主体感测为电容变化，并进而通过电容变化转换获得所受力的大小、方向。如图3所示，微凸起介电层4为具有二维正交正弦波形貌上表面的柔性薄膜。如图2所示，指纹状表面微凸起1上表面具有与人手指尖皮肤相近的纹理形貌。图2中的指纹状表面微凸起的上表面仅是示意，实际的指纹状表面微凸起1上表面应是不规则的形态。如图4、图5所示，上层电容电极3与下层电容电极5均由多片电极极片间隔阵列排布而成，上层电容电极3电极极片的阵列排布方式和下层电容电极5电极极片的阵列排布方式相同，使得上层电容电极3每一片电极极片与其正下方的下层电容电极5一片电极极片相对应形成一平板电容；所有电极极片以相同列方向相串联的方式或者相同行方向相串联的方式相连接而分为多条电极极板，上层电容电极3的电极极片串联方向与下层电容电极5的电极极片串联方向相正交(相垂直)。例如上层电容电极3的电极极片以相同列相串联的方式布置连接，则下层电容电极5的电极极片以相同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器，其特征在于：所述电容式触觉传感器主要是由从上至下依次的指纹状表面微凸起(1)、上层电容电极基底(2)、上层电容电极(3)、二维正弦微凸起介电层(4)、下层电容电极(5)和下层电容电极基底(6)紧密层叠而成，指纹状表面微凸起(1)用于接收外部力刺激，上层电容电极基底(2)、下层电容电极基底(6)作为结构支撑，上层电容电极(3)与下层电容电极(5)上的电极极片串联方向呈正交布置，并与二维正弦微凸起介电层(4)三者共同构成传感器的电容主体，在指纹状表面微凸起(1)上表面受到外部力刺激后，通过电容主体感测为电容变化，进而转换获得所受力的大小、方向。

【技术特征摘要】
1.一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器，其特征在于：所述电容式触觉传感器主要是由从上至下依次的指纹状表面微凸起(1)、上层电容电极基底(2)、上层电容电极(3)、二维正弦微凸起介电层(4)、下层电容电极(5)和下层电容电极基底(6)紧密层叠而成，指纹状表面微凸起(1)用于接收外部力刺激，上层电容电极基底(2)、下层电容电极基底(6)作为结构支撑，上层电容电极(3)与下层电容电极(5)上的电极极片串联方向呈正交布置，并与二维正弦微凸起介电层(4)三者共同构成传感器的电容主体，在指纹状表面微凸起(1)上表面受到外部力刺激后，通过电容主体感测为电容变化，进而转换获得所受力的大小、方向。2.根据权利要求1所述的一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器，其特征在于：所述上层指纹状表面微凸起(1)、电容电极基底(2)、二维正弦微凸起介电层(4)、下层电容电极基底(6)均采用具备良好柔性的材料。3.根据权利要求1所述的一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器，其特征在于：所述微凸起介电层(4)为具有二维正交正弦波形貌上表面的柔性薄膜，单个凸起高度6～10μm，宽度65～75μm，介电层的平均厚度55～60μm，使得能增强传感器对于多维力检测的灵敏度。4.根据权利要求1所述的一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器，其特征在于：所述的指纹状表面微凸起(1)上表面具有与人手指尖皮肤相近的纹理形貌，单个凸起高度3～5μm，宽度65～75μm，微凸起层的平均厚度45～5...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪延成，朱凌锋，梅德庆，童俊伟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33