一種微小型觸覺傳感元件及其制備方法
【專利說明】一種微小型觸覺傳感元件及其制備方法
[0001]
技術領域
[0002]本發明涉及一種微小型觸覺傳感元件及其制備方法，該觸覺傳感元件主要應用于機器人觸感皮膚的技術領域。
【背景技術】
[0003]隨著科技的進步和工業生產中對機器人觸感要求的逐步提高，機器人皮膚技術得到迅速發展。
[0004]特開2002-236059號所記載的觸壓檢出的觸覺傳感器，是線圈和電容器串聯的LC共振回路。在線圈受到觸壓的時候，線圈的電感L發生變化，LC串聯回路的共振頻率也就發生變化，這里的LCR串聯回路的共振頻率能夠被檢波裝置檢測出來，成為觸感判斷的識別依據。
[0005]然而，這類觸覺傳感器不僅構造相對復雜，而且只有當線圈的電感L發生變化時才能引起共振頻率變化，而對于施加給觸覺傳感器微弱觸壓的情況，線圈的電感L幾乎沒有變化，相對應的也就無法弓I起共振頻率的明顯變化，所以這類觸覺傳感器存在檢出感度低的固有缺陷。
[0006]特開2005-49331所記載的傳感元件使用二重旋卷微碳彈簧，觸壓檢出的觸覺傳感器是LCR共振回路，但由于構成二重旋卷微碳彈簧的兩根碳絲緊密地旋卷在一起，幾乎象圓微管狀一樣，他們的伸縮性等物性很有限，構成觸覺傳感元件的時候對于所施加的觸壓不能產生充分的變形，也會導致感度不夠；而且二重旋卷微碳彈簧和基體樹脂混合的時候，其一是分散不夠充分，其二是圓筒狀的線圈里面殘留氣泡，故也存在著機械和電氣性能受限的問題。此外，還有一種高彈性的二重旋卷微碳彈簧，其雖然兩根碳絲以比較大的螺距旋卷，但是形態不夠規則，所以信號穩定性受限，對信號穩定性有高要求的情況下不適用。
【發明內容】
[0007]針對【背景技術】中所提及的問題，本發明提出一種微小型觸覺傳感元件及其制備方法，目的在于提供電氣性能良好、感度高的觸覺傳感元件方案，在機器人皮膚等高敏度傳感應用領域帶來革新性發展。
[0008]本發明之微小型觸覺傳感元件，包括
主體，該主體是基體樹脂和一重旋卷微碳彈簧的復合物，所述一重旋卷微碳彈簧于基體樹脂內取向排列，并沿著其彈簧軸以一定的彈簧直徑和螺距規則地旋卷；
一對電極，與所述主體固化一體。
[0009]于本發明的一個或多個實施例當中，所述一重旋卷微碳彈簧的碳絲直徑為0.05-2微米，螺徑為0.1-50微米，螺距為0.1-50微米。
[0010]于本發明的一個或多個實施例當中，所述一重旋卷微碳彈簧的碳絲直徑為0.2-1.5微米，螺徑為1-10微米，螺距為0.25-5微米。
[0011 ] 于本發明的一個或多個實施例當中，所述一重旋卷微碳彈簧的添加量占主體總質量的 0.1-10%。
[0012]于本發明的一個或多個實施例當中，所述一對電極平行放置，而所述一重旋卷微碳彈簧的取向為與所述一對電極相垂直的方向，或為與所述一對電極相垂直的方向有小于或等于15度夾角的方向。
[0013]本發明之微小型觸覺傳感元件的制備方法，包括以下步驟:
步驟a、在石墨基板上培育生長一重旋卷微碳彈簧，并滿足碳絲直徑為0.05-2微米，螺徑為0.1-50微米，螺距為0.1-50微米;
所述一重旋卷微碳彈簧生長過程:將含有鐵、錫、硫的礦物負載至多孔催化劑載體上，在氮氣環境下控制反應溫度在600?900°C，通入碳氫化合物和氫氣形成微納米碳源，生長而成；
步驟b、成型用的澆注模中預埋設有一對電極，將從石墨基板上切割下來的一重旋卷微碳彈簧裝在該澆注模上，并將一重旋卷微碳彈簧沿軸向兩端拉伸固定，所述一重旋卷微碳彈簧的彈簧長度取0.05-2毫米；
步驟C、于澆注模中加入基體樹脂和硬化劑，調制放置5-8小時，固化成型制得成品。
[0014]于本發明的一個或多個實施例當中，所述一重旋卷微碳彈簧的添加量占主體總質量的 0.1-10%。
[0015]于本發明的一個或多個實施例當中，所述基體樹脂的JISA硬度要求在15-50的范圍。
[0016]于本發明的一個或多個實施例當中，所述的基體樹脂可采用硅樹脂、聚氨酯或環氧樹脂。
[0017]于本發明的一個或多個實施例當中，所述澆注模為金屬注模，其規格為
1mm氺1mm氺3mm。
[0018]本發明與現有技術相比，其優越性體現在:應用取向后的一重旋卷碳微彈簧和基體樹脂的復合物作為觸覺傳感元件的電容器，使用本發明觸覺傳感元件的觸覺傳感器可以做成小尺寸而保持高感度、信號穩定，質量輕、機械和電氣性能優良，特別適用于內創手術等尖端醫療器械領域與仿生機器人領域。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明之一重旋卷微碳彈簧的掃描電子顯微圖。
[0020]圖2為本發明之微小型觸覺傳感元件的結構示意圖。
[0021]圖3為一重旋卷微碳彈簧取向排列下的檢波信號圖例。
[0022]圖4為一重旋卷微碳彈簧非取向排列下的檢波信號圖例。
【具體實施方式】
[0023]如下結合附圖，對本申請方案作進一步描述:
如圖1-2所示，一種微小型觸覺傳感元件，包括
主體1，該主體I由基體樹脂11和一重旋卷微碳彈簧12的復合物，所述一重旋卷微碳彈簧12于基體樹脂I內取向排列，并沿著其彈簧軸以一定的彈簧直徑和螺距規則地旋卷； 一對電極2，與所述主體I固化一體。
[0024]其中，所述微碳彈簧可于以下優選范圍內實施:
所述微碳彈簧的碳絲直徑為0.2-1.5微米，螺徑為1-10微米，螺距為0.25-5微米。
[0025]所述一重旋卷微碳彈簧12的添加量占主體I總質量的0.1-10%。
[0026]所述一對電極2平行放置，而所述一重旋卷微碳彈簧12的取向為與所述一對電極2相垂直的方向，或為與所述一對電極2相垂直的方向有小于或等于15度夾角的方向。
[0027]上述方案中所指的基體樹脂11是一種電介質，具有靜電容，起電容器的作用。基體樹脂11可以是硅樹脂，聚氨酯，環氧樹脂，如聚苯乙烯和熱塑性彈性體的共聚物、苯乙烯共聚物樹脂和熱塑性彈性體、Kuraray公司的Septon樹脂、大日本油墨化學(株)的液體環氧樹脂 EXA-5850-150 等。
[0028]而選用的一重旋卷微碳彈簧比緊密二重旋卷微碳彈簧螺距大，微小的觸壓都能產生形變，無論從哪個方向來的都會產生變形，由此產生LCR共振回路中的L、C、R、Ζ、Θ的變化，特別是沿著彈簧軸的方向的形變產生的電氣參數變化最大，從而能夠檢出形變量。同等條件下，一重旋卷微碳彈簧的觸覺傳感器的感度是二重旋卷微碳彈簧的觸覺傳感器的1.5?200倍。而且，使用取向的一重旋微碳彈簧的觸覺傳感器的最小檢出值是二重旋卷微碳彈簧的觸覺傳感器的1.2?1000倍。
[0029]—種微小型觸覺傳感元件的制備方法，包括以下步驟:
步驟a、在石墨基板上培育生長一重旋卷微碳彈簧12，并滿足碳絲直徑為0.05-2微米，螺徑為0.1-50微米，螺距為0.1-50微米；
所述一重旋卷微碳彈簧12生長過程:將含有鐵、