[实用新型]一种基于压阻式和电容式组合的仿生柔性触觉传感阵列

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种仿生柔性触觉传感阵列，尤其是涉及一种基于压阻式和电容式组合的仿生柔性触觉传感阵列。

技术背景

皮肤是人体最大的器官，面积约为1.2~2 m²，约占体重的16%，由皮下组织、真皮和表皮构成。皮下组织位于真皮下方，与肌膜等组织相连，由大量的脂肪细胞和粗大结缔组织纤维束组成；真皮位于表皮层下方，由胶原纤维、弹力纤维、网状纤维和基质、细胞等组成；表皮位于皮肤的外面，为角化的复层扁平上皮，绝大部分是角质形成细胞。可以看出，皮肤是一个由多层组织结构、多组成成分构成的复杂系统，其生物力学性能主要是由真皮中胶原纤维和弹性纤维的组织结构以及水分和蛋白质的含量等决定。

人体皮肤中具有四种机械刺激感知器，分别为梅克尔触盘（Merkel Disk）、梅氏小体（Meissner’s Corpusde）、拉菲尼小体（Ruffini Ending）、环层小体（Pacinian Corpusde）。这四种机械刺激感知细胞对不同种类的力敏感，梅克尔触盘和梅氏小体位于真皮层浅层，分别对静态力与瞬变力敏感；拉菲尼小体位于真皮层中较深的地方，只对平行于皮肤的切向力敏感；环层小体位于真皮层的深层，对瞬变力与振动非常敏感，其对瞬变力与振动敏感的程度高于梅氏小体。并且这四种机械刺激感知细胞的分布密度并不一样，它们的分布密度关系由大到小分别为：梅氏小体、梅克尔触盘、拉菲尼小体、环层小体。

生机电一体化的人工假肢能使截肢患者实现日常生活的自理，为了使人工假肢具有与外界很好的交互能力，必须实现感知功能的重塑。感知功能包括触觉、温度感知、痛觉等等。其中触觉是人体与外界环境接触时的重要感觉，是多种感觉的综合，包括轻触觉、压觉、振动觉等丰富的感知信息。如能把触觉信息进行准确的还原，让人工假肢具有“感觉”，这将是人体运动功能重建的一大进步。 

此外，随着机器人技术的发展，触觉感知是实现其智能化的基础。机器人的触觉感知是通过触觉敏感构件来识别目标物体或对象的多种物理信息，如接触力的大小、柔软性、硬度、弹性、粗糙度、材质等。近年来，“机器人柔性触觉敏感皮肤”已成为智能机器人触觉传感技术领域新的研究热点，具有感知

功能的机器人柔性触觉敏感皮肤可以增强其在各种环境下完成精细、复杂作业的能力，提高机器人系统的作业水平和智能化水平，对高级服务机器人、空间机器人以及危险环境下的精密操作微驱动机器人等都将产生重要的影响。

在生物医疗中，外科手术机器人已能完成人体心脏和脑部等重要器官的外科手术。但外科手术机器人系统除了具有显微放大与视觉监控外，对多维接触力信息的检测与感知的需求也日益增大。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于压阻式和电容式组合的仿生柔性触觉传感阵列，具有静态性与动态性俱佳的特点。

本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型的仿生柔性触觉传感阵列从下至上依次由柔性基底层、电容层、压阻层和表面封装层，四层结构层叠在一起构成；其每层的结构如下：

(a) 柔性基底层：从下至上依次由硅片、PDMS（聚二甲基硅氧烷）柔性基底和PDMS导电橡胶屏蔽层叠在一起构成；

(b)电容层：从下至上依次由其上表面附有Ti/Au电容下电极的第一PI电极衬底、其上表面经图案化为四棱锥小区域的四棱锥介电层和其上表面附有Ti/Au电容上层电极板的第二PI电极衬底叠在一起构成，Ti/Au电容上层电极板电极与Ti/Au电容下电极板电极成正交方向排列，每对相对的Ti/Au电容上、下极板间形成一个电容，每个电容之间均有作为电容介电层的四棱锥小区域，每个电容为一个传感单元，所有电容传感单元形成电容阵列；

(c)压阻层：从下至上依次由PDMS导电橡胶屏蔽层、其上表面附有呈条形分布Ti/Au压阻层下层电极的第三PI电极衬底、半球形导电橡胶层、其上表面附有相间组成的半月形电极阵列和条形电极阵列的带通孔第四PI电极衬底和PDMS保护层叠在一起构成；半月形电极通过第四PI电极衬底上的PI通孔跟Ti/Au压阻层下层电极电气连通；半球形导电橡胶层上的半球形导电橡胶分别覆盖在各自的半月形电极及条形电极上，使每列条形电极均与各自的半月形电极电气连通；半球形导电橡胶层中的每个导电橡胶为一个传感单元，所有的半球形导电橡胶形成压阻式导电橡胶阵列；

 (d)表面封装层：是上表面为PDMS微型凸台并用PDMS制作成的一层图案化薄膜。

所述的电容层与压阻层空间分辨率之比为2:1，即在相同面积下电容层的传感单元数量与压阻层传感单元数量之比为1:4。