[发明专利]一种电容型触觉传感器

说明书

本发明涉及一种电容型触觉传感器，包括弹性多孔复合介电层和至少两个电极，所述电极设置于弹性多孔复合介电层的上、下两侧或同一侧，并与弹性多孔复合介电层构成传感器的电容主体；所述弹性多孔复合介电层受压产生弹性变形，并使传感器的电容发生改变；所述弹性多孔复合介电层以不导电的高分子聚合物为基材，掺入复合导电纳米颗粒制备形成多孔结构。所述电极为设置于弹性多孔复合介电层上的导电电极涂层，通过将触觉传感器的各个部分涂层化，实现触觉传感器的快速制备。该传感器制作成本低，制作工艺简单，适应性好。

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种电容型触觉传感器。

背景技术

随着智能传感技术的飞速发展，智能机器人的应用越来越广泛。触觉传感器作为人机交互的重要成员，其发展也十分迅猛。触觉是实现机器人与环境直接作用的必需媒介。近年来，微纳米加工制造新技术和新材料不断涌现，研究人员开发了多种触觉传感器的感知机理和结构形式，包括压阻式、电容式、压电式等。然而现有许多的触觉传感器由于涉及到光刻加工、聚合物微结构加工、磁控溅射等十分复杂的MEMS制作工艺，往往制造成本高，制备工艺复杂，这就导致了整个触觉传感器的制作成本十分高昂，难以实现大规模的生产与应用。此外，触觉传感器难以紧密的贴合在物体表面也是一大亟需解决的问题。现有的柔性触觉传感器往往是采用包裹或是覆盖等方法，固定在物体表面上。由于许多物体的表面属于对于不规则的曲面，即使传感器本身具有一定的柔性，也难以与物体紧密贴合。

专利CN111766010B（申请日期为2020年7月9日，公开日期为2020年10月13日）公开了一种三角形结构的电容式触觉传感器，包括上极板、下极板与电介质。其中，上下极板对应设置，上极板包括三片第一极板，下极板包括三片第二极板，并且第一与第二极板均呈顶角为120°的等腰三角形。由第一极板与第二极板共同构成三个独立的电容，以此来实现对三维力的精确测量与解耦，大大减少了极板数量与电容数量，简化了测量电路。但同时存在以下问题：1)各极板均为刚性，难以布置于曲面上；2)极板布置呈顶角为120°的三角形分布，对于切向力的分辨率不高。

专利CN106706176A（申请日期为2016年11月23日，公开日期为2017年5月24日）公开了一种具有图案化微结构阵列的电容式触觉传感器。该传感器的结构组成从上至下依次为指纹状表面微凸起、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。其中，指纹状表面微凸起用于接收外部力刺激，上下电容电极基底作为支撑结构，上下电极呈正交布置，并与二维正弦微凸起介电层共同构成传感器的电容主体。该专利解决了传感器对于受力的高灵敏度实时检测问题，可应用于对灵敏度要求高的人工假肢、手术机械手等领域。但仍存在以下问题：1)指纹状表面微凸起与二维正弦微凸起高度仅3-5 μm，制备工艺对于精度要求较高，经济效应差；2)传感器大大提高了灵敏度，但这导致了传感器的测量范围很小，限制了传感器的应用。

专利CN111829698A（申请日期为2020年6月18日，公开日期为2020年10月27日）公开了一种基于仿生机理的双层触觉传感器，包括上层压阻式触觉传感器、下层电容式触觉传感器以及中间的硅橡胶隔离层，其中压阻式触觉传感器采用金字塔微结构，电容式触觉传感器采用细孔微针结构。整个传感器包括一个电容式触觉传感器与四个压阻式触觉传感器。该发明将适用于低频响应的压阻式触觉传感器与适用于高频响应的电容式触觉传感器结合为一体，实现了对静态力以及不同频率范围内的动态力的共同检测。将两者感知机理的优势结合起来，弥补了单一类型触觉传感器在稳定性、鲁棒性等方面存在的不足，提高了传感器的性能。其中，金字塔阵列结构提高了压阻式触觉传感器的灵敏度与测量范围，细孔微针结构提高了电容式触觉传感器的重复性与稳定性。但该发明仍存在以下问题：1)该发明中的金字塔阵列结构与细孔微针结构的制备均涉及到光刻工艺、倒模工艺与化学沉积工艺等，工艺流程繁琐且复杂，经济效益较差；2)传感器整体由多层薄膜组装而成，虽然具有一定的柔性，但难以贴合于不规则曲面。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电容型触觉传感器，该传感器制作成本低，制作工艺简单，适应性好。