[发明专利]一种可控预应力的智能材料基触觉传感器及制造方法

说明书

本发明公开了一种可控预应力的智能材料基触觉传感器及制造方法。传感器主要由圆形凸台层、封装层、智能聚合物结构层、敏感层、上电极层、基底层和下电极层自上而下依次叠层而成，基底层中设有若干个过孔，上电极层和下电极层之间通过过孔连接，上电极层外接电路，圆形凸台、智能单元和敏感单元的数量和排布位置分布相同且对齐，方法包括制作智能聚合物结构层、制作导电电阻网络、制作封装传感器，利用光或热刺激智能单元，智能单元发生形变后对敏感单元施加预应力。本发明利用结构化的形状记忆材料对传感器单元施加局部可控的预压缩，有效减少死区范围，极大提高了柔性传感器阵列在非结构化场景中对低压力信号的检测能力。

技术领域

本发明属于智能机器人领域的一种柔性触觉传感器，尤其是涉及了一种可控预应力的智能材料基触觉传感器及制造方法。

背景技术

作为21世纪的重点研究领域之一，智能机器人是一个庞大而复杂的系统性工程，触觉传感器作为智能机器人与环境交互过程中的数据采集终端，是实现智能机器人对复杂环境变化做出反馈行为的核心环节，一直是机器人领域的重点研究方向。柔性触觉传感器可以良好贴合于复杂曲面，适应于智能机器人在非结构化的复杂环境中采集信号的需求，可以检测压力、温度、滑移等多维度多物理量的信号，具有非常广阔的应用前景。

当前的柔性触觉传感器的重点研究方向之一是实现高性能高精度以及极端条件下的信号检测。压阻式传感器得益于其稳定的信号特征以及简单的结构与电路要求成为触觉传感器设计原理的首选，但是对于常规压阻原理的触觉传感器而言，在零点附近的微小信号检测一直是一个巨大的挑战，工程应用上常取传感器检测量程的10％作为有效数据的起始点。压阻式传感器在零点附近的检测“死区”问题一方面减小了传感器的有效检测量程，另一方面也剥夺了传感器对于微小信号的检测能力。此外，压阻式的柔性触觉传感器在存在上述问题的同时还需要应对复杂的非结构工况，因此往往需要结合传感器的位置布局综合确定信号检测范围，对压阻传感单元的实际工作范围提出了客制化的需求。现有技术缺少一种

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种可控预应力的形状记忆聚合物基柔性触觉传感阵列及制造方法。本发明针对电阻式柔性触觉传感器普遍存在的零点附近检测死区问题，利用结构化的形状记忆材料对传感器单元施加局部可控的预压缩，有效减少死区范围，极大提高了柔性传感器阵列在非结构化场景中对低压力信号的检测能力。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种可控预应力的智能材料基触觉传感器：

主要由圆形凸台层、封装层、智能聚合物结构层、敏感层、上电极层、基底层和下电极层自上而下依次叠层而成，基底层中设有若干个过孔，上电极层和下电极层之间通过过孔连接，上电极层外接电路；

圆形凸台层和智能聚合物结构层上设置有相互配合的凸起结构，敏感层设置和凸起结构配合的敏感单元，通过圆形凸台层、智能聚合物结构层和敏感层之间的配合在受压情况下能够使敏感单元的预应力发生变化，通过调控各个敏感单元预应力的大小，从而调控各个敏感单元的量程和检测范围，进而实现传感器在各个工作环境下的信号检测。

所述的圆形凸台层主要由若干个圆形凸台以矩形阵列紧密排布形成，智能聚合物结构层主要由若干个智能单元以矩形阵列紧密排布形成，敏感层主要由若干个敏感单元以矩形阵列间隔排布形成，圆形凸台、智能单元和敏感单元的数量和排布位置分布相同且对齐，圆形凸台和智能单元分别设置在封装层上表面和下表面的中间，敏感单元的上、下表面分别与智能单元和上电极层接触。

所述的上电极层和下电极层中分别设有设有第一圆形电极和第二圆形电极，各个第一圆形电极之间通过第一电极线连接，各个第二圆形电极之间通过第二电极线连接，第一圆形电极和第二圆形电极的数量相同，下电极层中的每个圆形电极经基底层中的过孔与敏感层中各自对应的一个敏感单元连接，上电极层中的电极线外接电路，上电极层中的各个圆形电极的上表面均设有敏感单元。