專利名稱：一種觸覺傳感器及其制作方法
技術領域：
本發明屬于機電一體化技術領域，特別涉及一種應用于機電一體化測量技術的觸覺傳感器，還涉及其制作方法。
背景技術：
觸覺是接觸、沖擊、壓迫等機械刺激感覺的綜合。觸覺傳感器是一種測量自身敏感面與外界物體相互作用參數(觸覺、壓覺、力覺、滑覺、熱覺等)的裝置，敏感面包含很多觸覺敏感元，并以陣列的形式排列。觸覺傳感器可以用來進行曲面分布式接觸測量、形狀辨識、表面高度起伏判別、主動觸覺感知等。
傳統觸覺傳感器受到材料與工藝的限制，一直難于商品化。硅、金屬等硬質材料缺乏柔順性，是傳統觸覺傳感器難以和人類皮膚相比的一個主要原因，因此選擇柔性材料制作觸覺傳感器倍受關注。
河北工業大學岳宏，李鐵軍等人在1997年1月申請的專利號為97203692.X的實用新型專利中，提供了一種具有填充電流變流體(ERF)泡沫墊的機器人觸覺傳感器，該觸覺傳感器由三層組成上層是帶有條型導電橡膠電極的硅橡膠層，這是由特殊工藝，按設計要求制成的整體橡膠薄膜；中間層是充滿ERF的聚胺脂泡沫墊，這一層將作為上下電極形成的電容器的介電材料；傳感器的第三層是帶有行電極的印刷電路板。硅橡膠層上的條形導電橡膠電極與印刷電路板上的每行電極在空間上垂直排列，每個交叉處形成一個電容作為一個敏感單元。
填充電流變流體的泡沫墊在電場的作用下易于變形，與物體接觸后，根據其電容信號的變化，可以識別物體表面形狀，從而抓握準確。該傳感器與物體的接觸面為柔性面，能夠在較小的接觸力下產生較大變形，但是其基底材料為硬質的印刷電路板，因此不易貼附于彎曲表面進行測量。由于導電橡膠電極層采用特殊工藝制成，制作難度較大，難以實現批量生產，其空間分辨率也受到一定限制，該傳感器的空間分辨率為2.5mm。
發明內容
本發明為了克服現有觸覺傳感器的硬質襯底不能貼附于彎曲表面測量、制作難度較大、空間分辨率低等不足，將微機電系統(MEMS)工藝與柔性材料結合起來，提出了一種柔性開關式微觸覺傳感器以及制作這樣一種觸覺傳感器的簡單、高效率、低成本的方法。
本發明提出的觸覺傳感器包括觸覺接觸層1、間隔層2、襯底層3、行電極4和列電極5。觸覺接觸層1、間隔層2、襯底層3均采用柔性聚合物材料制成，觸覺接觸層1上表面有微型凸臺陣列。每一個微型凸臺是傳感器與被測物體接觸的一個敏感點。間隔層2位于觸覺接觸層1與襯底層3之間，它并不是一個連續層，而是在與觸覺接觸層1上表面的微型凸臺對應的位置上形成空腔陣列。微型凸臺的周邊可以有凹環結構，從而使微型凸臺更容易產生變形，提高敏感度。
在觸覺接觸層1與間隔層2的直接接觸面上有若干不相交排列的行電極4，在襯底層3與間隔層2的直接接觸面上有若干不相交排列的列電極5，行電極4和列電極5在空間位置上相互交錯，每個交叉處形成一個開關敏感單元。行電極4和列電極5的交叉處位置與觸覺接觸層1上表面的微型凸臺位置對應，其中行電極4和列電極5的每個交叉處部分分別作為每個開關單元的上、下電極，為了提高敏感度，行電極4和列電極5通常不是等寬的條形，而是作為上、下電極的交叉處部分比別的部分要略寬。
作為本發明一項優選方案，所述的觸覺彈性層的材料為硅橡膠或聚酰亞胺的任意一種。
作為本發明一項優選方案，所述的間隔層的材料為硅橡膠或聚酰亞胺的任意一種。
作為本發明一項優選方案，所述的襯底層的材料為硅橡膠或聚酰亞胺的任意一種。
由于該觸覺傳感器的各層都是采用柔性材料制成，因此當傳感器受到力的作用時，上下電極之間的間距減小，每個開關敏感單元的受力大小不同，上下電極的接觸與否也不同。通過掃描電路對每個開關敏感單元進行行列掃描，得到每個單元不同的通斷信號，從而反映物體的表面凹凸形貌。
本發明提出的觸覺傳感器的具體工藝步驟為(1)在基底上刻蝕出凹坑陣列；(2)在已刻蝕出凹坑陣列的基底上制作犧牲層；(3)在犧牲層上涂敷柔性材料，固化，形成觸覺接觸層1；(4)在觸覺接觸層1上旋涂光刻膠，曝光，顯影，然后濺射金屬，制作行電極4；(5)去除犧牲層，將整體柔性薄膜從基片上分離；(6)在另一片基底上制作犧牲層；(7)涂敷柔性材料，固化，形成襯底層3；(8)在襯底層3上旋涂光刻膠，曝光，顯影，然后濺射金屬，制作列電極5；(9)再涂敷柔性材料，將列電極5覆蓋住，固化，形成間隔層2；(10)刻蝕柔性材料，形成空腔，露出列電極5；
(11)將整體柔性薄膜從基片上分離；(12)將步驟(5)和步驟(11)分離下來的上下兩部分柔性薄膜結構對準，然后粘合在一起。
本發明的有益效果是由于本發明將柔性材料與MEMS加工工藝結合起來，制成的觸覺傳感器厚度很薄，具有很好的柔性和彈性，類似人的真實皮膚，可以貼附于任意曲面進行測量。MEMS加工技術使傳感器尺寸縮小，空間分辨率可以達到1.5mm，甚至更小，并可得到一個清晰、銳利的接觸面圖像邊界；該觸覺傳感器結構簡單，增強了檢測和使用過程的魯棒性，并且可以進行批量生產，降低了成本。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1本發明提出的觸覺傳感器單元剖視圖；圖28×8的觸覺傳感器俯視圖；圖3圖2的A-A向剖視圖；圖4圖3的B-B向剖視圖；圖5圖3的C-C向剖視圖；圖67×10的帶有圓形凸臺且凸臺周邊有環形凹環的觸覺傳感器俯視圖；圖7帶有圓形凸臺且凸臺周邊有環形凹環的觸覺傳感器單元剖視圖；圖8本發明提出的觸覺傳感器的制作流程圖。
圖中1-觸覺接觸層 2-間隔層 3-襯底層 4-行電極 5-列電極具體實施方式
實施例一參見圖2、圖3、圖4、圖5，本實施例是一個含8×8個敏感單元陣列的柔性開關式微觸覺傳感器，包括觸覺接觸層1、間隔層2、襯底層3。觸覺接觸層1和襯底層3的材料都是硅橡膠，間隔層2的材料是聚酰亞胺。觸覺接觸層1上表面帶有8×8的微型凸臺陣列，每一個微型凸臺是傳感器與被測物體接觸的一個敏感點。間隔層2位于觸覺接觸層1與襯底層3之間，它在與觸覺接觸層1上表面微型凸臺對應的位置上形成一個8×8的空腔陣列。
在觸覺接觸層1與間隔層2的直接接觸面上有8行平行排列的行電極4，在襯底層3與間隔層2的直接接觸面上有8列平行排列的列電極5，行電極4和列電極5在空間位置上垂直排列，每個交叉處形成一個開關敏感單元。行電極4和列電極5的交叉處位置與觸覺接觸層1上表面的微型凸臺位置對應，其中行電極4的每個交叉處部分作為每個開關單元的上電極，列電極5的每個交叉處部分作為每個開關單元的下電極，需要指出的是，為了提高敏感度，行電極4和列電極5不是等寬的條形，而是作為上、下電極的交叉處部分比別的部分要略寬。
參見圖8，該柔性開關式微觸覺傳感器的具體工藝步驟為(1)采用各向異性濕法刻蝕的方法在用作基底的硅片上刻蝕出8×8的方形凹坑，參見8(a)；(2)在已刻蝕的硅片上通過熱氧化形成二氧化硅犧牲層，參見8(b)；(3)在二氧化硅犧牲層上旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)，固化形成觸覺接觸層1，參見8(c)；(4)在觸覺接觸層1上旋涂光刻膠，曝光，顯影，然后濺射銅，制作行電極4；用丙酮去除觸覺接觸層1上的光刻膠，露出行電極4，參見8(d)；(5)將制作好的硅片放在氫氟酸中浸泡幾分鐘，然后把硅片上的整體結構從硅片上分離，參見8(e)；(6)在另一片用作基底的硅片上旋涂光刻膠，曝光，參見8(f)；(7)在已曝光過的光刻膠上旋涂PDMS，固化形成襯底層3，參見8(g)；(8)在襯底層3上旋涂光刻膠，曝光，顯影，然后濺射銅，制作列電極5；用丙酮將襯底層3上的光刻膠去掉，露出列電極5，參見8(h)；(9)旋涂PDMS，將列電極5覆蓋住，固化，形成間隔層2，參見8(i)；(10)在間隔層2上旋涂光刻膠，曝光，顯影，用等離子體刻蝕出空腔，露出列電極5，參見8(j)；(11)將制作好的硅片放在丙酮中浸泡幾分鐘，然后把硅片上的整體結構從硅片上分離，參見8(k)；(12)將步驟(5)和步驟(11)分離下來的上下兩部分柔性薄膜結構對準，然后粘合在一起，參見8(l)。
實施例二參見圖6、圖7，本實施例是一個含7×10個敏感單元陣列的柔性開關式微觸覺傳感器，包括觸覺接觸層1、間隔層2、襯底層3。觸覺接觸層1、間隔層2和襯底層3的材料都是聚酰亞胺。觸覺接觸層1上表面帶有7×10的微型凸臺陣列，每一個微型凸臺是傳感器與被測物體接觸的一個敏感點。間隔層2位于觸覺接觸層1與襯底層3之間，它在與觸覺接觸層1上表面微型凸臺對應的位置上形成一個7×10的空腔陣列。每個微型凸臺的周邊有一圈凹環，該凹環結構使微型凸臺更容易產生變形，從而提高敏感度。
在觸覺接觸層1與間隔層2的直接接觸面上有7行平行排列的行電極4，在襯底層3與間隔層2的直接接觸面上有10列平行排列的列電極5，行電極4和列電極5在空間位置上成30度交角菱形排列，每個交叉處形成一個開關敏感單元。行電極4和列電極5的交叉處位置與觸覺接觸層1上表面的微型凸臺位置對應，其中行電極4的每個交叉處部分作為每個開關單元的上電極，列電極5的每個交叉處部分作為每個開關單元的下電極。
參見圖8，該柔性開關式微觸覺傳感器的具體工藝步驟為(1)采用各向同性濕法刻蝕的方法在用作基底的玻璃片上刻蝕出7×10的圓形凹坑，參見8(a)；(2)在已刻蝕的玻璃片上旋涂光刻膠，圖形化，參見8(b)；(3)在已圖形化上的光刻膠上旋涂聚酰亞胺，固化形成觸覺接觸層1，參見8(c)；(4)在觸覺接觸層1上旋涂光刻膠，曝光，顯影，然后濺射鉑，制作行電極4；用丙酮將觸覺接觸層1上的光刻膠去掉，露出行電極4，參見8(d)；(5)將制作好的玻璃片放在丙酮中浸泡幾分鐘，然后把玻璃片上的整體結構從玻璃片上分離，參見8(e)；(6)在另一片用作基底的玻璃片上旋涂光刻膠，曝光，參見8(f)；(7)在已曝光過的光刻膠上旋涂聚酰亞胺，固化形成襯底層3，參見8(g)；(8)在襯底層3上旋涂光刻膠，曝光，顯影，然后濺射鉑，制作列電極5；用丙酮將襯底層3上的光刻膠去掉，露出列電極5，參見8(h)；(9)旋涂聚酰亞胺，將列電極5覆蓋住，固化，形成間隔層2，參見8(i)；(10)在間隔層2上旋涂光刻膠，曝光，顯影；采用濕法刻蝕的方法，將聚酰亞胺刻蝕出空腔，露出列電極5，參見8(j)；(11)將制作好的玻璃片放在丙酮中浸泡幾分鐘，然后把玻璃片上的整體結構從玻璃片上分離，參見8(k)；(12)將步驟(5)和步驟(11)分離下來的上下兩部分柔性薄膜結構對準，然后粘合在一起，參見8(l)。
權利要求
1.一種觸覺傳感器，包括觸覺接觸層(1)、間隔層(2)、襯底層(3)、行電極(4)和列電極(5)，其特征在于觸覺接觸層(1)、間隔層(2)、襯底層(3)均采用柔性聚合物材料制成，觸覺接觸層(1)上表面有微型凸臺陣列；間隔層(2)位于觸覺接觸層(1)與襯底層(3)之間，在與觸覺接觸層(1)上表面的微型凸臺對應的位置上形成空腔陣列；在觸覺接觸層(1)與間隔層(2)的直接接觸面上有若干不相交排列的行電極(4)，在襯底層(3)與間隔層(2)的直接接觸面上有若干不相交排列的列電極(5)，行電極(4)和列電極(5)在空間位置上相互交錯，行電極(4)和列電極(5)的交叉處位置與觸覺接觸層1上表面的微型凸臺位置對應。
2.根據利用權利要求1所述的一種觸覺傳感器，其特征在于所述的微型凸臺的周邊有凹坑結構。
3.根據利用權利要求1所述的一種觸覺傳感器，其特征在于所述的觸覺彈性層(1)的材料為硅橡膠或聚酰亞胺的任意一種。
4.根據利用權利要求1所述的一種觸覺傳感器，其特征在于所述的間隔層(2)的材料為聚酰亞胺。
5.根據利用權利要求1所述的一種觸覺傳感器，其特征在于所述的襯底層(3)的材料為硅橡膠或聚酰亞胺的任意一種。
6.根據權利要求1-7所述的任意一種觸覺傳感器，其特征在于所述的行電極(4)和列電極(5)在兩者交叉處部分比別的部分要略寬。
7.一種制備權利要求1所述觸覺傳感器的方法，其特征在于包括下述步驟(a)在基底上刻蝕出凹坑陣列；(b)在已刻蝕出凹坑陣列的基底上制作犧牲層；(c)在犧牲層上涂敷柔性材料，固化，形成觸覺接觸層(1)；(d)在觸覺接觸層(1)上旋涂光刻膠，曝光，顯影，然后濺射金屬，制作行電極(4)；(e)去除犧牲層，將整體柔性薄膜從基片上分離；(f)在另一片基底上制作犧牲層；(g)涂敷柔性材料，固化，形成襯底層(3)；(h)在襯底層(3)上旋涂光刻膠，曝光，顯影，然后濺射金屬，制作列電極(5)；(i)再涂敷柔性材料，將列電極(5)覆蓋住，固化，形成間隔層(2)；(j)刻蝕柔性材料，形成空腔，露出列電極(5)；(k)將整體柔性薄膜從基片上分離；(l)將步驟(e)和步驟(k)分離下來的上下兩部分柔性薄膜結構對準，然后粘合在一起。
全文摘要
本發明公開了一種觸覺傳感器及其制作方法，包括觸覺接觸層1、間隔層2、襯底層3，各層均采用柔性材料制成。觸覺接觸層1上方帶有微型凸臺陣列。間隔層2位于觸覺接觸層1與襯底層3之間，在與微型凸臺對應的位置上形成空腔陣列。在觸覺接觸層1，襯底層3與間隔層2的直接接觸面上分別有若干平行排列的行電極4和列電極5，行電極和列電極在空間位置上垂直排列，每個交叉處為一個開關敏感單元。每個單元的受力大小不同時，產生不同的通斷信號反映物體的表面凹凸形貌。該觸覺傳感器解決了現有觸覺傳感器結構復雜、不易貼附于彎曲表面進行測量、空間分辨率低的缺點，制成的傳感器為全柔性，且結構簡單、分辨率高、易于批量生產。
文檔編號B81C1/00GK1966394SQ20061010495
公開日2007年5月23日 申請日期2006年11月23日 優先權日2006年11月23日
發明者馬炳和, 苑偉政, 王艷 申請人:西北工業大學