一種全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于傳感技術領域，涉及一種應用于人工智能皮膚的全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器。
【背景技術】
[0002]人類感知外界力的系統是一個結構精巧的系統，人類皮膚對于作用于其上的應力，也即是機械剌激的感知，主要分為觸覺和壓覺。兩者的感受器不同，觸覺感受器是觸覺小體(分布于真皮淺部的乳頭層)和皮膚內圍繞毛囊的神經末梢。壓覺感受器是環層小體(分布于真皮深層的網狀層)。觸覺由輕微的不引起皮膚變形的刺激引起，壓覺則是由能使皮膚發生變形的刺激引起。作為仿人類皮膚的機器人智能皮膚，外界力信息感知是一個必不可少的環節，機器人依靠分布于智能皮膚上的力敏傳感器可以精確的感知外部信息，實現與外界環境的良好互動。
[0003]目前國內外已經研制出多種用于機器人皮膚的外界力感知傳感器。金屬應變片、半導體壓阻傳感器等廣泛用于壓力檢測，但由于其基于剛性材料，缺乏必要的柔性，不適合在機器人彎曲表面使用。電容式傳感器應用于壓力檢測時，靈敏度較低，且電容信號容易受外界因素干擾。Shouher Shirafuji等人介紹了一種基于聚偏氟乙稀(PVDF)的柔性壓電薄膜人工皮膚，安裝于機械手內表面，經可靠抓取目標物實驗，驗證其具備力信息檢測功能，然而基于壓電特性的PVDF只能檢測動態力，缺乏對靜態力的感知功能。斯坦福大學鮑哲南教授研究小組對兩電極間的柔性填充物進行了微結構改造，采用空心球微結構，能非常靈敏地檢測外界壓力，但只能檢測O?1kPa小量程段的應力。Yangyong Wang等人介紹了一種彈性基體內嵌可拉伸織物傳感器方法，可以實現IMPa應力檢測，但對于小量程段應力檢測靈敏度和精度不足。
【發明內容】
[0004]本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提出一種全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器，旨在提供一種用于智能機器人人工敏感皮膚的、兼具大小量程段力學量測定、全柔性、靈敏度高、性能穩定、制備工藝簡單的力敏傳感器。
[0005]本發明為解決技術問題采用如下技術方案:
[0006]本發明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器，其特點在于:
[0007]所述全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器是在下柔性基底上，通過層層組裝技術形成有壓覺感知傳感器和觸覺感知傳感器；所述壓覺感知傳感器和所述觸覺感知傳感器之間通過上柔性基底連接。
[0008]所述觸覺感知傳感器位于所述全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的上層，采用柔性叉指電極結構，以石墨稀/炭黑填充娃橡膠為敏感材料，用于感知觸覺力；
[0009]所述壓覺感知傳感器位于所述全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的下層，采用上下電極結構，以碳納米管/炭黑填充硅橡膠為敏感材料，用于感知壓覺力。
[0010]所述全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的整體結構呈扁半球形。所述全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的信號線全部從整體扁半球結構內部通過，并從底部引出。所述下柔性基底和所述上柔性基底均以聚酰亞胺為材質。
[0011]上述全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的制造方法是按如下步驟進行:
[0012](I)設置圓形的上柔性基底2和圓形的下柔性基底4，在所述上柔性基底2上設置過孔，在所述下柔性基底4的圓心處設置通孔；
[0013](2)在所述上柔性基底2的上表面蒸鍍柔性叉指電極；在所述上柔性基底2的下表面蒸鍍上圓形電極7 ;在所述下柔性基底4的上表面蒸鍍下圓形電極8 ;
[0014](3)將石墨烯、炭黑及硅橡膠混合均勻后注入扁半球形模具后，將扁半球形模具放在上柔性基底2的上表面，使石墨烯、炭黑及硅橡膠的混合物與上柔性基底2的上表面緊密貼合，然后室溫下硫化成型，取下扁半球形模具，即在上柔性基底2的上表面形成石墨烯/炭黑填充娃橡膠1，且石墨稀/炭黑填充娃橡膠I作為敏感材料與上柔性基底2的上表面的柔性叉指電極貼合，構成觸覺感知傳感器；
[0015](4)將碳納米管、炭黑及硅橡膠混合均勻后注入中軸線處帶有一細圓柱的圓臺形模具，然后室溫下硫化成型，取下圓臺形模具，即獲得中軸線處帶有一細圓柱形通孔的圓臺形碳納米管/炭黑填充硅橡膠3 ;
[0016](5)將碳納米管/炭黑填充硅橡膠3的一面通過導電銀膠與上柔性基底2下表面的上圓形電極7粘接，另一面通過導電銀膠與下柔性基底4下表面的下圓形電極8粘接，構成壓覺感知傳感器；
[0017](6)將柔性叉指電極的一側5通過上柔性基底2上的過孔與上圓形電極7連接后，共同與公共信號線9相連，將柔性叉指電極的另一側6與第一信號線10相連，將下圓形電極8與第二信號線11相連；
[0018]將公共信號線9、第一信號線10和第二信號線11通過碳納米管/炭黑填充硅橡膠3中軸線處的細圓柱形通孔及下柔性基底4圓心處的通孔引出至下柔性基底4底部，用于與信號采集電路相連。
[0019]其中:步驟(3)中石墨稀和炭黑的總質量占娃橡膠質量的6%，石墨稀和炭黑的質量比為1:2。步驟(4)中碳納米管和炭黑的總質量占硅橡膠質量的8%，碳納米管和炭黑的質量比為2:3。
[0020]與已有技術相比，本發明有益效果體現在:
[0021]1、本發明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器與其它單一量程力敏傳感器相比，既能實現小量程段(O?10KPa)的觸覺力的感知，又能實現大量程段(> 10KPa)的壓覺力的測定，提高了小量程段力學量檢測的分辨率和靈敏度，保證了不同量程段測量的精度。
[0022]2、本發明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器整體呈扁半球形狀，與一般上下等截面的結構相比，能夠將頂部外界力均勻地傳遞到下方叉指電極上及下層的壓覺感知傳感器上，提高測量的準確性。
[0023]3、本發明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器以聚酰亞胺為基底，傳感器敏感材料和電極等所有結構均具有很好的柔性，傳感器可實現彎曲變形，能可靠地貼合在機器人皮膚上，實現外界刺激的感知，提高了其表面適應性。
[0024]4、本發明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器制備工藝簡單；與一般上下電極結構的力敏傳感器引線上下分別引出的方式相比，本發明傳感器所有引線統一從底部柔性基底下方引出，避免布線繁瑣、不美觀，便于陣列化結構設計。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的垂直剖面結構圖；
[0026]圖2是本發明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的拆分立體圖；
[0027]圖3是本發明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的電極引線示意圖；
[0028]圖4是本發明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的觸覺感知小量程段電阻-應力關系曲線圖；
[0029]圖5是本發明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的壓覺感知大量程段電阻-應力關系曲線圖；
[0030]圖6是本發明全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器的信號采集、處理電路示意圖；
[0031]圖中標號:1石墨烯/炭黑填充硅橡膠；2上柔性基底；3碳納米管/炭黑填充硅橡膠；4下柔性基底；5柔性叉指電極的一側；6柔性叉指電極的另一側；7上圓形電極；8下圓形電極；9公共信號線；10第一信號線；11第二信號線。
【具體實施方式】
[0032]如圖1和圖2所示，本實施例的全柔性電阻式觸壓覺感知傳感器整體結構呈扁半球狀，便于傳感器各部分均勾感受外力，高度為5mm，底部半徑為10mm，曲率半徑為12.5mm ；包括上層用于感知小量程段外界力的觸覺感知傳感器和下層用于感知大量程段外界力的壓覺感知傳感器；
[0033]觸覺感知傳感器以石墨烯/炭黑填充硅橡膠I作為敏感材料，采用同面叉指電極結構，上柔性基底2上表面的柔性叉指電極作為電極；
[0034]壓覺感知傳感器包括碳納米管/炭黑填充硅橡膠3作為敏感材料，采用上下電極結構，上柔性基底2下表面的上圓形電極7和下柔性基底4上表面的下圓形電極8作為電極；
[0035]基于柔性印刷電路板(FPCB)技術，上柔性基底2和下柔性基底4均選用聚酰亞胺為材質，如圖3所示，上柔性基底上表面的柔性叉指電極的一側5和上柔性基底下表面的上圓形電極7通過在上柔性基底2上設置過孔連接，共同與公共信號線9相連，上柔性基底上表面的柔性叉指電極的另一側6與第一信號線10相連，下柔性基底上表面的下圓形電極8與第二信號線11相連。
[0036]觸覺感知傳感器敏感材料石墨烯/炭黑填充硅橡膠I選用中國科學院成都有機化學有限公司的石墨烯和瑞士 SPC公司的CB3100型炭黑作為混合導電填料，選用中昊晨光化工研究院有限公司的GD401型硅橡膠作為柔性基體。為保證傳感器的靈敏度和穩定性，石墨烯/炭黑混合填料的質量分數為6%，保證在“滲流區”附近，以便受力時利用導電粒子間距變化產生電阻的變化；且兩者質量比為1:2，保證填料分布均勻，形成穩定的力學結構，保證機械性能。石墨烯/炭黑和硅橡膠通過溶液共混法制備，利用3D打印技術打印出一扁半球形模具，將石墨烯/炭黑/硅橡膠注入扁半球形模具，并將上柔性基底2上表面與石墨烯/炭黑/硅橡膠混合物緊密貼合，并在室溫下硫化成型，取出得到石墨烯/炭黑填充硅橡膠1，并能與上柔性基底2上