CN109870254B - 一种高灵敏度的电容式滑触觉传感器 - Google Patents
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Abstract
一种高灵敏度的电容式滑触觉传感器，涉及滑触觉传感器。设有触头层、上层电极、介质层、下层电极和基底层；所述触头层顶部为凸起结构，触头层底部与上层电极电路贴合，上层电极的上下底面积大小及形状与触头层顶部的凸起结构上表面一致，且均位于电容式滑触觉传感器中心；介质层采用纳米纤维膜，介质层的上下表面与上层电极和下层电极及触头层底部、基底层顶部接触；基底层上表面设有呈对称十字分布4个电极，传感器触头受到物体接触滑动时，4个电极对应电容值产生变化；纳米纤维膜具有空间弹性，能敏锐地感知正向力的施加；在受到侧向力时，纳米纤维膜表面具有较高的自由能，有利于相对滑动，提升侧向力的检测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及滑触觉传感器，尤其是涉及纳米纤维为介电层的一种高灵敏度的电容式滑触觉传感器。
背景技术
随着柔性传感器的蓬勃发展，传感器不仅要具备触觉感知的基本能力，还要能够准确地获取空间三维力的信息，因此对滑动信息的检测在触觉传感领域占据着愈加重要的位置。电容式传感器以其零温漂、结构简单以及容易实现大面积制造等优点获得普遍青睐。但是目前现有柔性滑触觉传感器依然受到量程小、灵敏度低等问题的困扰。
现有技术中，密歇根大学Lee H K等人[Lee H K,Chung J,Chang S I,etal.Normal and Shear Force Measurement Using a Flexible Polymer Tactile SensorWith Embedded Multiple Capacitors[J].Journal of MicroelectromechanicalSystems,2008,17(4):934-942.]以空气为介电层利用PDMS的柔性支撑机构，将四个铜电极嵌入PDMS基材的方式感知空间三维力，具备较高灵敏度，但量程较小。东京大学Noda K等人[Noda K,Matsumoto K,Shimoyama I.Stretchable tri-axis force sensor usingconductive liquid.Sensors&Actuators A Physical,2014,215(16):123-129.]引入微流道技术，创造性地采用导电流体作为电极，器件具有良好的稳定性以及拉伸性能，但是灵敏度较低。中国专利CN103954382B公开一种变介质式电容柔性三维力触觉传感器，电容极板均位于同一平面，结构简单，FPCB布线较为方便，但灵敏度较低。
发明内容
本发明目的在于针对目前柔性滑触觉传感器量程小和滑觉灵敏度低的问题，提供用具有空间疏松结构及表面高自由能的纳米纤维膜来提升滑觉灵敏度，为之后解决相应问题提供解决方案，充分利用纳米纤维膜空间疏松、纤维间易形变、高表面自由能，具有较高灵敏度和较大量程，结构简单、工艺方法易实现的一种高灵敏度的电容式滑触觉传感器。
本发明设有触头层、上层电极、介质层、下层电极和基底层；所述触头层顶部为凸起结构，触头层底部与上层电极电路贴合，上层电极的上下底面积大小及形状与触头层顶部的凸起结构上表面一致，且均位于电容式滑触觉传感器中心；介质层采用纳米纤维膜，介质层的上下表面与上层电极和下层电极及触头层底部、基底层顶部接触；基底层上表面设有呈对称十字分布4个电极，传感器触头受到物体接触滑动时，4个电极对应电容值产生变化；纳米纤维膜具有空间弹性，能敏锐地感知正向力的施加；在受到侧向力时，纳米纤维膜表面具有较高的自由能，有利于相对滑动，提升侧向力的检测灵敏度。
所述介质层可采用PI、PVA、PVDF等不同类型的纳米纤维膜；所述纳米纤维膜的层数可至少为2层。
所述触头层与基底层为同一材料，电容式滑触觉传感器最后封装所用材料与触头层及基底层保持一致。
所述上层电极和下层电极可采用微纳制造技术制得，如溅射和氧等离子刻蚀等多种工艺相结合的方式。
与现有技术相比，本发明具有较高灵敏度、较大量程等特点，还有成本低，制作工艺简单，可靠性高等多方面优势。
附图说明
图1为本发明结构拆分立体示意图。
图2为本发明中线剖面图。
图3为具体实例结构拆分立体示意图。
图4为具体实例阵列示意图。
在图1～4中，各标记为：1、触头层；2、上层电极；3、纳米纤维膜；4、下层电极；5、基底层；6、电阻式敏感单元；7、柔性桥体结构。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1和2所示，本发明实施例设有触头层1、上层电极2、介质层3、下层电极4和基底层5；所述触头层1顶部为凸起结构，触头层1的底部与上层电极2电路贴合，上层电极2的上下底面积大小及形状与触头层1顶部的凸起结构上表面一致，且均位于电容式滑触觉传感器中心；介质层3采用PVDF纳米纤维膜，纳米纤维膜的上下表面与上层电极2和下层电极4及触头层1底部、基底层5顶部接触；基底层5上表面设有呈对称十字分布4个电极。
如图3和4所示，一种应用于电容-电阻复合式滑触觉传感器，包括：3mm×3mm×1mm正方形凸起结构和5mm×5mm×0.5mm封装结构的触头层1、厚50μm上层电极2、70μm厚的双层纳米纤维膜(组成介质层3)、厚50μm下层电极4和5mm×5mm×1mm基底层5，所述触头层1顶部为凸起结构，底部与上层电极2电路贴合，上层电极2上下底面积大小及形状与凸起结构的上表面一致，且均位于传感器的中心；介质层3采用PVDF纳米纤维膜，纳米纤维膜的上下表面与上层电极2和下层电极4及触头层1底部、基底层5顶部接触；基底层5上表面设有呈对称十字分布四个电极电路，传感器表面受到物体接触与滑动时，4个电极对应电容值发生变化，感应受力大小。电阻式敏感单元6位于底层中心，主要用于提升正向力的感知灵敏度。本发明的技术方案主要采用微纳加工制造技术，触头层及基底层的制作可采用微纳压印的方式，纳米纤维层的制作可采用静电纺丝工艺，上层电极和下层电极可采用溅射和氧等离子刻蚀等多种工艺结合的方式制得，电阻式敏感单元6可采用气浮喷印或韦森堡直写等方式制造，其墨水可为石墨烯、碳纳米管等敏感材料。最后通过柔性桥体结构7实现多个传感器互连，形成阵列结构，桥体结构可为具有一定拉伸性能的屈曲结构，阵列可实现大面积制造。
Claims (4)
1.一种电容式滑触觉传感器，其特征在于设有触头层、上层电极、介质层、下层电极和基底层；所述触头层顶部为凸起结构，触头层底部与上层电极电路贴合，上层电极的上下底面积大小及形状与触头层顶部的凸起结构上表面一致，且均位于电容式滑触觉传感器中心；介质层采用纳米纤维膜，介质层的上表面与上层电极和触头层底部接触，介质层的下表面与下层电极和基底层顶部接触；基底层上表面设有呈对称十字分布4个电极，传感器表面触头受到物体接触与滑动时，4个电极对应电容发生变化；
所述介质层采用PI、PVA、PVDF不同类型的纳米纤维膜；所述纳米纤维膜的层数至少为2层。
2.如权利要求1所述一种电容式滑触觉传感器，其特征在于所述触头层与基底层为同一材料，电容式滑触觉传感器最后封装所用材料与触头层及基底层保持一致。
3.如权利要求1所述一种电容式滑触觉传感器，其特征在于所述上层电极和下层电极采用微纳制造技术制得。
4.如权利要求3所述一种电容式滑触觉传感器，其特征在于所述微纳制造技术为溅射和氧等离子刻蚀。
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