柔性压力传感器、制备方法及传感系统、柔性电子皮肤技术方案

本发明专利技术公开了柔性压力传感器、制备方法及传感系统、柔性电子皮肤，包括相对平行设置的第一电极层、第二电极层；设置在所述第一电极层内侧的具有阵列式的第一尖端结构的第一介质层，所述第二电极层内侧设置有具有阵列式的第二尖端结构的第二介质层,柔性压力触觉传感器受压时，所述第一尖端结构被至少两个相邻的所述第二尖端结构挤压，所述第一尖端结构的顶端与所述第二平面激励电极的水平面相触，所述第二尖端结构的顶端悬空。本发明专利技术结构通过材料的改变，介质层结构的设计、布局，使得本发明专利技术克服粘滞效应带来的恢复时间长的缺点，具有了更高的检测灵敏度及更快的响应速度。高的检测灵敏度及更快的响应速度。高的检测灵敏度及更快的响应速度。

【技术实现步骤摘要】
柔性压力传感器、制备方法及传感系统、柔性电子皮肤


[0001]本专利技术涉及压力触觉传感器领域，具体是柔性压力传感器、制备方法及传感系统、柔性电子皮肤。

技术介绍

[0002]近年来，智能机器人应用领域越来越广泛，各种形式的柔性传感器作为智能机器人感知外界环境的方式，其研制及应用受到了国内外学者的广泛关注。随着机器人工业化应用以及一些行业的高精度作业要求，对于机器人的制作要求越来越严苛。因此，柔性压力触觉传感器作为机器人触觉传感器的一个重要分支，国内外学者对其研究便趋于追求更快的响应速度、更高的灵敏度、更宽的检测范围、更高的分辨率、更好的耐用性等。
[0003]目前在国内外柔性压力应变传感器已有一定研究。虽然压力触觉传感器的类型多属于电容式、压阻式、压电式三个方向，工作原理较为简单，但设计一个新颖的结构尤为困难。随着计算机技术、自动化控制技术、传感技术及人工智能的不断发展，机器人在智能制造、体育运动及康复医疗等领域得到广泛应用，并成为长期刚性需求。目前，智能机器人本体正朝着仿生化、自然交互、人机协同等方向发展，柔性应变传感器作为人机交互的重要桥梁，目前对于其压力检测范围、灵敏度的要求越来越高。
[0004]目前国内外传感器主要有三点不足，第一，微小压力传感器很难具有大的检测范围，而在大的触觉压力下传感器失效，限制了传感器的应用场景；第二，高灵敏度传感器经常伴随着复杂而又高成本的制造过程，在制造过程中引入更多的不确定性，进而限制大面积推广应用；第三，传感器依赖于温度等环境变量。

技术实现思路
r/>[0005]本专利技术的目的在于提供柔性压力传感器、制备方法及传感系统、柔性电子皮肤，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种高灵敏度电容式柔性压力触觉传感器，包括：
[0008]相对平行设置的第一电极层、第二电极层；
[0009]设置在所述第一电极层内侧的具有阵列式的第一尖端结构的第一介质层，所述第二电极层内侧设置有具有阵列式的第二尖端结构的第二介质层,柔性压力触觉传感器受压时，所述第一尖端结构被至少两个相邻的所述第二尖端结构挤压，所述第一尖端结构的顶端与所述第二平面激励电极的水平面相触，所述第二尖端结构的顶端悬空。
[0010]作为本专利技术进一步的方案：所述第一电极层包括第一平面激励电极，以及设置在所述第一平面激励电极上顶面的第一柔性衬底；所述第二电极层包括第二平面激励电极，以及设置在所述第二平面激励电极下底面的第二柔性衬底，所述第一平面激励电极、第二平面激励电极相对平行设置；所述第一介质层设置在所述第一平面激励电极内侧，所述第二介质层设置在所述第二平面激励电极内侧。
[0011]作为本专利技术进一步的方案：所述第一柔性衬底、第二柔性衬底大小尺寸一致，其均采用硅橡胶薄膜材料。
[0012]作为本专利技术进一步的方案：所述第一平面激励电极、第二平面激励电极采用碳纳米管和共聚酯制得的复合材料，所述第一平面激励电极、第二平面激励电极大小尺寸一致。
[0013]作为本专利技术进一步的方案：所述第一尖端结构的边沿为锯齿状。
[0014]作为本专利技术进一步的方案：所述第一电极层、第二电极层上各有一根导线引出。
[0015]作为本专利技术进一步的方案：柔性压力触觉传感器受压时，所述第一尖端结构被至少四个相邻的所述第二尖端结构挤压。
[0016]作为本专利技术进一步的方案：所述第一尖端结构、第二尖端结构采用弹性材料制成，所述第一尖端结构、第二尖端结构为金字塔形、三棱锥形、四棱锥形、圆锥形中任一种。
[0017]作为本专利技术进一步的方案：所述第一尖端结构大于所述第二尖端结构，所述第一尖端结构、第二尖端结构均为实心结构，所述第一尖端结构等距排列设置在所述第一电极层上，所述第二尖端结构等距排列设置在所述第二电极层上。
[0018]作为本专利技术进一步的方案：所述第一尖端结构与第二尖端结构的高之比为1.5～10:1。
[0019]作为本专利技术进一步的方案：所述第一尖端结构的顶端与第二电极层的内侧水平面采用硅橡胶粘粘固定。
[0020]一种如上述所述的高灵敏度电容式柔性压力触觉传感器的制备方法，具有以下步骤：
[0021]基于3D打印技术，打印出电极模具，按照0.05wt％的质量比，使碳纳米管分散在异丙醇中，倒入共聚酯预聚合溶液，再注入电极模具中，将含有碳纳米管的共聚酯预聚合溶液60℃真空干燥箱中固化1小时后，将其从模具剥离，形成碳纳米管和共聚酯的第一平面激励电极、第二平面激励电极；
[0022]基于3D打印技术，打印出第一尖端结构、第二尖端结构模具；
[0023]将PDMS(聚二甲基硅氧烷)主剂和PDMS固化剂以10:1的体积比进行配比，放入真空烘箱中抽真空20min去除PDMS中的气泡，将PDMS混合物分别注入两类尖端结构模具中，静置2h后覆盖上制备好的激励电极层，再放入真空干燥箱中75℃固化2h，待其固化后脱模，制得的携激励电极层的第一介质层、第二介质层；
[0024]将两块带有介质层的平面激励电极，沿着边缘口对齐合拢，在第一平面激励电极、第二平面激励电极外侧涂上一层硅橡胶薄膜制得第一柔性衬底、第二柔性衬底。
[0025]一种柔性压力触觉传感装置，包括传感装置壳体，以及设置在所述传感装置壳体内如上述任一项所述的高灵敏度电容式柔性压力触觉传感器。
[0026]一种柔性电子皮肤，该柔性电子皮肤设置有上述任一项所述的高灵敏度电容式柔性压力触觉传感器。
[0027]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0028](1)本专利技术通过两块平行的平面激励电极构成一个空间立体电容，平面激励电极是由共聚酯与碳纳米管复合导电材料构成的，可与PDMS材料的粘滞固定，尖端传感器柔性，平面激励电极上设置的两种尺寸的尖端结构，在施加压力时，极板间距变小，且上下尖端结构充分接触，排出间隙里空气，电容的介电常数变大，这种空间立体分布的电容优良性能使
得本专利技术相较于传统的压力传感器，具有迟滞低、灵敏度高、应变范围广及更快的响应速度。
[0029](2)本专利技术基于特殊的介质层的设计、布局，相较于传统的电容结构，在相同作用力下，金字塔结构具有响应快、灵敏度高等优良特性；应用于机械手，区别于单层金字塔结构，该传感器双层结构更加稳定，操作容错性较高；应用于电子皮肤，区别于传统双层结构，该传感器初始应变仅单层金字塔变形，故初始灵敏度较高，能更好更快感知信号；相较于电阻型的压力触觉传感器，本产品迟滞小，线性度高，信号直观反映实际情况。
[0030](3)本专利技术的制备工艺，是基于3D打印技术、流体成型工艺和自组装工艺，整体制备流程简单、易操作，适于大批量制作；同时，采用PDMS、共聚酯、碳纳米管及硅橡胶，制备材料价格低廉，更能应用于实际制作中。
[0031](4)本专利技术的整体结构为柔性材料，相比于传统的刚性压力传感器，具有更广泛的应用领域，包含但不限于智能机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度电容式柔性压力触觉传感器，其特征在于，包括：相对平行设置的第一电极层(1)、第二电极层(2)；设置在所述第一电极层(1)内侧的具有阵列式的第一尖端结构(311)的第一介质层(31)，所述第二电极层(21)内侧设置有具有阵列式的第二尖端结构(321)的第二介质层(32),柔性压力触觉传感器受压时，所述第一尖端结构(311)被至少两个相邻的所述第二尖端结构(321)挤压，所述第一尖端结构(311)的顶端与所述第二平面激励电极(21)的水平面相触，所述第二尖端结构(321)的顶端悬空。2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电容式柔性压力触觉传感器，其特征在于，所述第一电极层(1)包括第一平面激励电极(11)，以及设置在所述第一平面激励电极(11)上顶面的第一柔性衬底(12)；所述第二电极层(2)包括第二平面激励电极(21)，以及设置在所述第二平面激励电极(21)下底面的第二柔性衬底(22)，所述第一平面激励电极(11)、第二平面激励电极(21)相对平行设置；所述第一介质层(31)设置在所述第一平面激励电极(11)内侧，所述第二介质层(32)设置在所述第二平面激励电极(21)内侧。3.根据权利要求2所述的一种高灵敏度电容式柔性压力触觉传感器，其特征在于，所述第一平面激励电极(11)、第二平面激励电极(21)采用碳纳米管和共聚酯制得的复合材料，所述第一平面激励电极(11)、第二平面激励电极(21)大小尺寸一致。4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电容式柔性压力触觉传感器，其特征在于，所述第一尖端结构(311)的边沿为锯齿状。5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电容式柔性压力触觉传感器，其特征在于，柔性压力触觉传感器受压时，优选地，所述第一尖端结构(311)被四个相邻的所述第二尖端结构(321)挤压。6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度电容式柔性压力触觉传感器，其特征在于，所述第一尖端结构(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘俊，毛善安，郭小辉，洪玮强，邱雷，李典武，季芬芬，王威，韩磊，王科，郑满莹，苏雅鑫，程园，施婧，
申请(专利权)人：合肥艾创微电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：