[实用新型]一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器

说明书

技术领域

本实用新型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。

背景技术

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。

实用新型内容

为了弥补现有技术中的缺失，本实用新型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。

本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型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。

本实用新型具有的有益效果是：