CN110132460A - 一种基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置。主要由柔性多孔敏感压力传感单元、柔性多孔外壳、柔性电极层、柔性衬底和柔性多孔基底从上到下依次紧密组装构成，柔性多孔外壳底面开有凹槽，柔性多孔基底过盈配合嵌装于凹槽，柔性电极层与外部分析电路相连接；柔性电极层正上方的柔性多孔外壳开有安装孔，柔性多孔敏感压力传感单元通过过盈配合的方式安装到柔性多孔外壳上的安装孔里，柔性多孔敏感压力传感单元底面为针对安装平面的几何形状而设计的凹凸结构，柔性多孔基底底面贴合到外部的安装平面。本发明的优势在于该发明既具有多孔结构杨氏模量小、摩擦系数大等的物理属性，而且该单元底部凹凸结构使得该多孔结构在感知外力时更加敏感。

Description

一种基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置

技术领域

本发明涉及了一种传感装置，特别是涉及了一种基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置。

背景技术

目前，机械手爪作为服务型机器人的重要组成部分，正在逐渐走入人们的日常生产和生活之中，对人类社会发展起着日益重大的影响。

在服务型机器人执行精密的任务过程中，机械手爪是最为主要的执行部件。在机械手爪工作过程中，其指尖之间的压力反馈与柔性保护是机械手爪动作决策与物体保护的基础。也就是说指尖的压力反馈为机械手爪带来了“触觉”，使其从简单的执行装置变为带有感知功能的仿真手。有利于实现了机器人与外界交互的功能。

目前，被广泛使用的包含提高压力敏感度而设计的机械结构形状的传感器多为实体结构，不具有多孔结构。而基于多孔结构的柔性传感器，少有为提高压力敏感度而设计的机械结构形状，从而使得现有的基于多孔结构的柔性传感器规则形的立体结构在传感器工作时的情况下，灵敏度相对较低，不利于一些精密压力的感知。

另一方面，由于硬质传感器以及传统柔性传感器的硬度都比较大，在机械手在抓取易碎或柔性物品时，硬质传感器以及传统柔性传感器就很容易对物体产生一定的损伤。

发明内容

为了解决传统柔性压力传感器压力敏感度较低的问题，以满足关键安装位置对传感精度的要求。本发明提出了一种基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置，可以应用于机械手爪中的压力反馈与柔性保护。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：

本发明主要由柔性多孔敏感压力传感单元、柔性多孔外壳、柔性电极层、柔性衬底和柔性多孔基底从上到下依次紧密组装构成，柔性电极层布置在柔性衬底顶面，柔性衬底为柔性电极层提供载体平面，柔性衬底布置在柔性多孔基底顶面，柔性多孔外壳在柔性电极层上，且柔性多孔外壳底面开有凹槽，柔性多孔基底过盈配合嵌装于凹槽，使得柔性电极层和柔性衬底一起被装夹在柔性多孔外壳和柔性多孔基底之间，柔性电极层的两输出端引出作为电学信号传输通道与外部分析电路相连接；柔性电极层正上方的柔性多孔外壳开有安装孔，柔性多孔敏感压力传感单元通过过盈配合的方式安装到柔性多孔外壳上的安装孔里，柔性多孔敏感压力传感单元底面为针对安装平面的几何形状而设计的凹凸结构，柔性多孔基底底面贴合到外部的安装平面，将柔性敏感压力传感装置固定在安装平面。

所述的柔性多孔敏感压力传感单元是通过将包括但不限于成型好的三聚氰胺海绵浸泡入包括但不限于碳纳米管等含敏感导电材料的溶液中再取出，或将碳纳米管等含敏感导电材料的溶液滴在三聚氰胺海绵上；然后烘干，再用正己烷溶液进行清洗，然后再烘干制成获得。制备获得的柔性多孔敏感压力传感单元具有多孔结构，内部形成了微观丝状导电通路。

外力作用在柔性多孔压力传感单元上可以使单元产生几何形变，继而改变单元内部的微观丝状导电通路数目，引发电阻值的改变。该电阻值的变化，可以反应外界施加在柔性多孔敏感压力传感单元上的力的大小。

本发明的高敏感度是体现在柔性多孔敏感压力传感单元的底部与电极相接触的几何形状为凹凸结构，能够增强多孔结构产生应力集中，使柔性多孔敏感压力传感单元在感受到外力的时候多孔结构尽可能产生较为明显的应力集中的效应，以使得增大柔性多孔敏感压力传感单元的形变量，继而，增大单元内部多孔结构的微观丝状导电通路的改变数目，使得增强电学量的变化，更明显。

所述的成型好的三聚氰胺海绵是通过热压印或者是激光切割的方法将三聚氰胺海绵加工成能够压力感知的立体结构，立体结构形状包括但不仅限于锯齿状。

所述的柔性多孔基底呈矩形但不仅限于矩形。

所述的柔性多孔基底材料包括但不限于三聚氰胺。

所述的柔性衬底呈矩形但不仅限于矩形。

所述的柔性衬底材料包括但不限于聚酰亚胺PI。

所述的柔性电极层采用叉指型结构布置但不仅限于叉指型结构。

所述的柔性电极层材料包括但不限于铜Cu。

所述柔性电极层通过包括但不仅限于喷墨打印等的图案化方法沉积在柔性衬底表面。

所述的柔性多孔外壳呈矩形但不仅限于矩形，其与柔性多孔基底的形状相对应。

所述柔性多孔外壳材料包括但不限于三聚氰胺。

所述柔性多孔外壳作为柔性敏感压力传感装置整体的封装与保护结构，保护内部电极层的正常工作。

同时本发明的柔性多孔材料由于其具备相当小的杨氏模量，所以其相当适合于机械手爪中的压力反馈与柔性保护的应用。同时，极大的摩擦系数也可以在机械手爪上起到相当大的防滑作用。

本发明其有益效果为：

本发明能在感受到外力的时候多孔结构尽可能产生较为明显的应力集中的效应，增大柔性多孔敏感压力传感单元的形变量增大。继而增大单元多孔结构内部的导电通路的改变数目，增强电学量的变化，实现高灵敏度的压力传感检测。

本发明的优势在于该发明既具有多孔结构杨氏模量小、摩擦系数大等的物理属性，而且该单元底部凹凸结构使得该多孔结构在感知外力时更加敏感。

本发明可以安装不同形状、不同敏感导电材料的柔性多孔敏感压力传感单元以适应传感需求。

附图说明

图1为本发明柔性敏感压力传感装置的结构示意图；

图2为本发明柔性敏感压力传感装置的轴测图；

图3为本发明柔性敏感压力传感装置的不同形状的感知单元图。

图4为底部形状为三角锯齿形(如图3a所示)的柔性多孔压力传感单元动态压力测试结果图。

图5为底部形状为半圆形(如图3b所示)的柔性多孔压力传感单元动态压力测试结果图。

图6为底部形状为梯形(如图3c所示)的柔性多孔压力传感单元动态压力测试结果图。

图中：柔性多孔敏感压力传感单元(1)、柔性多孔外壳(2)、柔性电极层(3)、柔性衬底(4)、柔性多孔基底(5)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明具体实施包含柔性多孔基底5、叠放在柔性多孔基底5上的柔性衬底4，柔性电极层3通过图案化方法沉积在柔性衬底4表面，柔性电极层上方有通过过盈配合而安装的柔性多孔外壳2以及通过过盈配合的方式安装到柔性多孔外壳上的安装孔里的柔性多孔敏感压力传感单元1组成一种基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置。具体地，柔性电极层3布置在柔性衬底4顶面，柔性衬底4为柔性电极层3提供载体平面，柔性衬底4布置在柔性多孔基底5顶面，柔性多孔外壳2在柔性电极层3上，且柔性多孔外壳2底面开有凹槽，柔性多孔基底5过盈配合嵌装于凹槽，使得柔性电极层3和柔性衬底4一起被装夹在柔性多孔外壳2和柔性多孔基底5之间，柔性电极层3的两输出端引出作为电学信号传输通道与外部分析电路相连接；柔性电极层3正上方的柔性多孔外壳2开有安装孔，柔性多孔敏感压力传感单元1通过过盈配合的方式安装到柔性多孔外壳2上的安装孔里，柔性多孔敏感压力传感单元1底面为针对安装平面的几何形状而设计的凹凸结构，柔性多孔基底5底面贴合到外部的安装平面，将柔性敏感压力传感装置固定在安装平面。

由于外力的作用会使得柔性多孔敏感压力传感单元1发生几何形变，从而导致柔性多孔敏感压力传感单元1内部的导电通路数目发生改变，进而电阻值发生变化。通过监测柔性多孔敏感压力传感单元1电学参数电阻值的大小可用于检测外力大小。

在安装之前，把柔性电极层3放置在柔性多孔基底5上部，然后使得柔性多孔基底5通过过盈配合的方式安装到柔性多孔外壳2下部，柔性多孔外壳2、柔性衬底4、柔性多孔基底5三者组成三明治形状结构。

柔性多孔敏感压力传感单元1底部几何结构呈锯齿状，但不仅限于锯齿状结构；其整体几何形状能通过过盈配合的方式装配进安装孔中。在安装时，只需将柔性多孔敏感压力传感单元1的几何形状塞入安装孔即可，装配完成后，柔性多孔敏感压力传感单元1与底部柔性电极层3略微接触。

柔性衬底4上的柔性电极层3呈叉指结构，每个电极含有3个叉指结构交叉排列，电极以及外部的单片机分析电路通过欧姆定律监测柔性多孔敏感压力传感单元1的阻值。然后将信号发送至外部的计算机分析设备，从而进行反馈和相应动作策略的实施。

安装后非按压情况下，柔性多孔敏感压力传感单元1与柔性电极层3略微接触；

按压下，柔性多孔敏感压力传感单元1发生弹性形变，受按压力作用向按压力的方向发生压缩，柔性多孔敏感压力传感单元1内部导电通路数目发生改变，同时柔性多孔压力传感单元1与柔性电极层3接触面积增大，引发两电极之间的阻值发生变化。

具体实施的装置底部的柔性衬底4上的柔性电极层3可通过但不仅限于喷墨打印等图案化方法沉积与柔性衬底4连接成一体，柔性电极层3的端口处可接单片机等分析电路。

具体实施的装置的柔性多孔敏感压力传感单元1是通过将包括但不限于三聚氰胺海绵浸泡入包括但不限于碳纳米管等含敏感导电材料的溶液中后取出，或将碳纳米管等含敏感导电材料的溶液滴在海绵上；然后烘干，再用正己烷溶液进行清洗，然后再烘干制得。

使用本装置时述柔性多孔基底5不具有感知功能的下表面，贴合待检测区域，柔性多孔敏感压力传感单元1感知外力的大小。

柔性多孔敏感压力传感单元1的对压力的感知精度与压力感知范围可通过改变敏感导电材料种类、浓度或者是改变柔性多孔敏感压力传感单元1的结构的方式加以改变。杨氏弹性模量的调节可通过向敏感导电材料溶液中加入聚二甲基硅氧烷PDMS不同比例的预聚物：固化剂，来调节柔性多孔敏感压力传感单元1的杨氏模量。

制成所述的柔性多孔基底5的材料为柔性材料，柔性材料包括但不限于聚对苯二甲酸类塑料(PET)；柔性多孔敏感压力传感单元1的材料包括但不限于三聚氰胺；敏感导电材料包括但不仅限于碳纳米管；柔性电极层3所用材料包含但不限于铜(Cu)；柔性多孔基底5与柔性多孔外壳2的材料包括但仅不限于三聚氰胺。

如图2所示，本发明在柔性多孔基底5、叠放在在柔性多孔基底5上的柔性衬底4，柔性电极层3通过图案化方法沉积在柔性衬底4表面，柔性电极层上方有通过过盈配合而安装的柔性多孔外壳2以及通过过盈配合的方式安装到柔性多孔外壳上的安装孔里的柔性多孔敏感压力传感单元1安装在一起后形成完整的基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置，其轴测图如图2所示。

如图3所示，本发明的柔性多孔敏感压力传感单元1装配到柔性多孔外壳2上的过程只与安装孔与柔性多孔敏感压力传感单元1的几何形状尺寸有关，而与柔性多孔敏感压力传感单元1底部的有利于压力感知的敏感形状无关。那么，所以可以采用不同形状的柔性多孔敏感压力传感单元1如：a三角锯齿形，b双半圆形，c梯形或是其他更加复杂的有利于压力感知的结构。

如图3a～图3c所示，分别为三角锯齿形、双半圆形、双梯形。

实施例1

本0.1N～1N的往复循环力加载试验的试验条件为：拉压试验机以100mm/min的速度对柔性多孔压力传感单元1进行拉压试验，该试验作用到传感单元上的最小压力为0.1N，最大压力为1N。测量电阻为柔性多孔敏感压力传感单元1底部结构的电阻。

针对0.1N～1N的往复循环力加载实验，采用三角锯齿形状如图3a所示的柔性多孔压力传感单元1。该试验的传感检测结果如图4所示：电阻变化比例(变化电阻最大值与实验过程中的最低电阻的比值)为7倍，结果如图5所示；采用双半圆形状如图3b所示的柔性多孔压力传感单元1。该试验的传感检测结果如图6所示：电阻变化比例(变化电阻最大值与实验过程中的最低电阻的比值)为2.5倍；采用三棱柱体形状如图3c所示的柔性多孔压力传感单元1。该试验的传感检测结果如图6所示：电阻变化比例(变化电阻与静态电阻的比值)为1.7倍。

同时，该实验有另外两组单元形状相同的对照组。三组内的三个形状的灵敏度排序均为：三角形灵敏度>半圆形灵敏度>梯形灵敏度。

由此可以说明，在动态压力施加条件下，不同几何底部形状的传感单元具有不同的灵敏度特性。因此，本发明基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置可以通过改变底部形状来改变单元的灵敏度。

实施例2

由于不同形状的柔性多孔压力传感单元1底部形状结构具有不同的灵敏度特性，所以在不同的应用场景中可以采用不同的底部形状结构。

针对机械灵巧手表面的传感单元，可采用三角锯齿形状如图3a所示的柔性多孔压力传感单元1。其在灵敏度方面相对优异，适宜于应用于机械灵巧手等精准操作机械中。

针对人机交互机器人表面的传感阵列，可采用梯形形状如图3c所示的柔性多孔压力传感单元1。其对于外力变化相对不敏感，防止在人机交互过程中，因传感器过于敏感而产生的误报警问题。同时，不同底部形状的单元由于形状因素的影响，杨氏模量也互不相同，抵御外界冲击的能力也不相同。

由于柔性多孔敏感压力传感单元装配到柔性多孔基底上的过程只与安装孔与柔性多孔敏感压力传感单元的几何形状尺寸有关，而与柔性多孔敏感压力传感单元底部的形状以及导电材料无关。那么，在综合考虑不同形状、不同敏感导电材料柔性多孔敏感压力传感单元的加工成本以及传感精度之后，本发明可以安装不同形状、不同敏感导电材料的柔性多孔敏感压力传感单元以适应传感需求。

Claims (9)

1.一种基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置，其特征在于：

主要由柔性多孔敏感压力传感单元(1)、柔性多孔外壳(2)、柔性电极层(3)、柔性衬底(4)和柔性多孔基底(5)从上到下依次紧密组装构成，柔性电极层(3)布置在柔性衬底(4)顶面，柔性衬底(4)为柔性电极层(3)提供载体平面，柔性衬底(4)布置在柔性多孔基底(5)顶面，柔性多孔外壳(2)在柔性电极层(3)上，且柔性多孔外壳(2)底面开有凹槽，柔性多孔基底(5)过盈配合嵌装于凹槽，使得柔性电极层(3)和柔性衬底(4)一起被装夹在柔性多孔外壳(2)和柔性多孔基底(5)之间，柔性电极层(3)的两输出端引出与外部分析电路相连接；柔性电极层(3)正上方的柔性多孔外壳(2)开有安装孔，柔性多孔敏感压力传感单元(1)通过过盈配合的方式安装到柔性多孔外壳(2)上的安装孔里，柔性多孔敏感压力传感单元(1)底面为针对安装平面的几何形状而设计的凹凸结构，柔性多孔基底(5)底面贴合到外部的安装平面，将柔性敏感压力传感装置固定在安装平面。

2.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置，其特征在于：所述的柔性多孔敏感压力传感单元(1)是通过将包括但不限于成型好的三聚氰胺海绵浸泡入包括但不限于碳纳米管等含敏感导电材料的溶液中再取出，或将碳纳米管等含敏感导电材料的溶液滴在三聚氰胺海绵上；然后烘干，再用正己烷溶液进行清洗，然后再烘干制成获得。

3.根据权利要求2所述的一种基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置，其特征在于：所述的成型好的三聚氰胺海绵是通过热压印或者是激光切割的方法将三聚氰胺海绵加工成立体结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置，其特征在于：所述的柔性多孔基底(5)、柔性衬底(4)和柔性多孔外壳(2)呈矩形但不仅限于矩形。

5.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置，其特征在于：所述的柔性多孔基底(5)和柔性多孔外壳(2)材料包括但不限于三聚氰胺。

6.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置，其特征在于：所述的柔性衬底(4)材料包括但不限于聚酰亚胺(PI)。

7.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置，其特征在于：所述的柔性电极层(3)采用叉指型结构布置但不仅限于叉指型结构。

8.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置，其特征在于：所述的柔性电极层(3)材料包括但不限于铜(Cu)。

9.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构的柔性敏感压力传感装置，其特征在于：所述柔性电极层(3)通过包括但不仅限于喷墨打印等的图案化方法沉积在柔性衬底(4)表面。