[发明专利]一种柔性力传感器、柔性力/磁场复合传感器及机器人

说明书

本发明公开了一种柔性力传感器、柔性力/磁场复合传感器及机器人，本发明柔性力传感器的柔性外壳内设有离电压力电容器和柔性绝缘层，离电压力电容器的数量为两个，柔性绝缘层夹持布置于两个离电压力电容器之间，两个离电压力电容器两者构成差分电容，当两个离电压力电容器压力平衡时差分电容输出零电容差值，当两个离电压力电容器压力不平衡时差分电容输出为正值或负值的非零电容差值，非零电容差值以正值或负值表示压力的方向；柔性力/磁场复合传感器包括前述柔性力传感器和TMR磁敏感单元；机器人包括前述传感器。本发明具有响应速度快、灵敏度高、线性度高的优点，可实现压力的大小、方向检测，可广泛应用于机器人或生物载体的触觉交互。

技术领域

本发明涉及机器人或生物载体触觉应用技术，具体涉及一种柔性力传感器、柔性力/磁场复合传感器及机器人。

背景技术

近年来，柔性力传感器受到了广泛关注，并在医疗监测、可穿戴电子、人机交互等领域展现出广阔的应用前景。柔性力传感器可以分为压阻、电容、压电、摩擦电四种主要体制，其中电阻式柔性力传感器受活性层材料导电路径破坏-重构机制的影响，响应速度较慢，且目前电阻式的高灵敏度一般在低压力区间。电容式柔性压力传感器相对于电阻式制造工艺简单，功耗低，在kHz频谱内测得的单位面积电容值在数十至数百pF/cm²之间，容易受到寄生电容的影响，信噪比较低，极大地影响了传感器精度，且整体工作范围内线性区间分段。压电和摩擦电体制通过合理设计后具备自供能的优势，且响应时间较快，但普遍存在稳定性的问题，长期应用于可能会出现测量信号漂移的现象。李儒雅等人基于离子膜设计了一种新型的电容式柔性压力传感器，通过双电层电容(EDL)效应，将界面电容值提升至数μF/cm²，抑制了寄生电容的影响，提高了器件灵敏度，但是仍然存在线性度和工作范围较低的问题。

集成力和磁信号感知功能的复合柔性传感器能够结合触觉和非接触交互模式，德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心的Jin Ge等人通过集成柔性衬底GMR和PDMS压阻元件构成能够同时感应压力和磁场信号的复合柔性传感器[A Ge,Jin,et al,A bimodalsoft electronic skin for tactile and touchless interaction in real time,Nature communications,10.1,pp.1-10,2019]，由于GMR相对于TMR传感器磁阻变化率较低，导致灵敏度及磁场分辨率不高，此外受PDMS 电阻敏感材料灵敏度较低、响应较慢的问题，目前仅能应用在显示屏非接触/接触式交互上。中国科技大学Jiaqi Xu等人[Flexible,self-powered,magnetism/pressure dual-mode sensor based on magnetorheologicalplastomer,Composites Science and Technology,183,107820,2019]，澳门大学QianZhou等人[Tilted magnetic micropillars enabled dual-mode sensor for tactile/touchless perceptions,Nano Energy,78,105382,2020]分别提出了基于压阻敏感元件和磁流变体的柔性力/磁复合传感器，但该种复合传感器磁场分辨率仅为mT量级，且压力灵敏度较低、线性度较差，仅仅能够用于手写字母判读、非接触式盲文磁场识别。

综上所述，目前的柔性力/磁复合传感器受限于压力响应慢、灵敏度较低、线性度差；磁传感器磁场分辨率低，很难应用于高灵敏力/磁信号探测。因此急需设计出一种高灵敏柔性力 /磁复合传感器，能够应用于更多复杂场景，例如人机交互界面中的复杂操作(脉冲传感、语音识别、手指触摸、压力映射和动态跟踪)；应用于无菌环境下进行非接触式外科手术；贴附于小鼠、鱼类等生物体表面实现周围目标动态压力和空间磁场探测；此外还可以集成在机器人表面，支持其感知外界力/磁信号，用于探测或自身运动状态监测。

发明内容