[发明专利]基于石墨烯泡沫的三维力传感器

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯泡沫的三维力传感器，包括大小相同、平行设置的顶层和底层，顶层和底层之间、顶层和底层的四角处均固定设有分隔柱，四个分隔柱构成支撑层；顶层和底层之间的中心位置设有三维移动单元，三维移动单元与顶层连接，三维移动单元的正下方设有正压力石墨烯泡沫单元，正压力石墨烯泡沫单元与底层连接，三维移动单元的水平方向四个面外侧均设有侧石墨烯泡沫单元，侧石墨烯泡沫单元的外侧设有侧石墨烯支撑层，侧石墨烯支撑层与底层连接，所述支撑层、侧石墨烯支撑层、三维移动单元的材料均为超弹性材料。本发明具有较高的灵敏度与稳定性，能够解耦三维力，测量单元间没有串扰。

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，涉及一种基于石墨烯泡沫的三维力传感器，用于测量仿生机器人与物体之间的三维力。

背景技术

压力传感器是利用压敏材料受压后的物理形变转化为电信号的器件，被广泛应用于医学、机器人、航空航天和工业生产等领域。当一个压力作用于物体表面时，在接触面会受到来自物体内部大小相等方向相反的应力，称为界面应力。这种压力按照作用方向可分为两种，与界面垂直的压力称为正压力(常为一维，记Z向)，与界面平行的压力称为剪切力(常为二维，记X向和Y向)。在实际应用中，绝大部分压力既不垂直于界面，也不平行于界面，而是同时耦合了Z向正压力、X和Y向剪切力，称为三维界面压力。因此，通过三维力传感器将这种三维界面压力解耦成一维正压力和二维剪切力后进行测量，具有极其重要的科学意义和迫切的实用价值。

三维力传感器在多个领域具有广泛的潜在应用前景。例如，在医学工程领域，对于需要使用假肢行走的截肢患者而言，假肢的好坏直接影响到他们的生活，获得良好的舒适性与移动性是众多医生和科研工作者所追求的目标，为了帮助患者改善舒适性，研究截肢表面与假肢接口之间的三维界面应力分布对于改善舒适性具有至关重要的作用。又如，在医学工程领域，足底三维力的测量被认为是研究步态的关键技术，为糖尿病和拇外翻等疾病提供重要的参考数据。再如，在机器人领域，机器人手在实现“抓”和“握”等功能时更是需要三维力的测量。因此，三维力传感器在医学、机器人和工业等多个领域具有广泛的应用前景。

目前三维力传感器的研究主要有：1.基于压阻材料的三维力传感器，如现有技术1(申请号：200410065900.0，名称：柔性三维力触觉传感器，公开日：2006.7.5)由压敏电阻、处理电路、弹性基底、三维力敏感阵列、柔性填充材料、柔性电路板、弹性保护层构成，能够测量X轴、Y轴、Z轴的受力，但传感器无法解耦三维力，传感器会出现较大误差。现有技术2(申请号：201210193314.9，名称：仿人型机器人多指手柔性三维力触觉传感器及其三维力，公开日：2012.10.3)由传力半球层、上下柔性电极层、复合压阻材料构成，能够测量正压力与剪切力，但当正压力与剪切力同时作用在传感器时，传感器无法解耦三维力，传感器会出现较大误差。2.基于电容的三维力传感器，如现有技术3(申请号：201210501846.4，名称：三维界面应力传感器，公开日：2013.3.20)公开的传感器包括驱动电极、中间层、感应电极，能够通过电容的变化测量三维力的大小，但其易产生杂散电容与耦合电容，并且单元间的串扰会影响该传感器测量结果，传感器稳定性较差。又如现有技术4(申请号：201520560274.6，名称：一种接触式平行板三维力压力传感器，公开日：2015.11.11)公开的传感器包括控制单元、各方向电容单元组，能够测量三维力的大小，但其结构无法解耦三维力，且易产生杂散电容与感应电容，传感器误差较大、稳定性差。

由上述可见，压阻式三维力传感器具有较好的稳定性，但其结构并不能解耦三维力，传感器误差较大。电容式三维力传感器具有较高的灵敏度、柔性与温度独立等优点被广泛采用，但在实际应用中存在杂散电容与耦合电容，测量单元间存在串扰，严重影响测量结果，传感器稳定性较差。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供一种基于石墨烯泡沫的三维力传感器，具有较高的灵敏度与稳定性，能够解耦三维力，测量单元间没有串扰，解决了现有技术中三维力传感器测量误差大、稳定性差的问题。