[发明专利]柔性三维力传感器及其解耦方法和制作方法

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，旨在设计一种柔性三维力传感器，并提出了柔性三维力传感器的解耦方法和制作方法。

背景技术

柔性三维力传感器在仿生机器人的研发和应用中具有很重要的地位。高精度、高分辨率的柔性三维力传感器可以使得机器人灵敏的感觉到外部的受力情况，进而做出相应的反应，圆满的完成人交予的各项任务，并可以和人进行互动，使得机器人更加智能化和人性化。因此，研究人员为了得到性能优异的柔性三维力传感器，做出了不懈的努力。

目前国内外学者制作的柔性三维力传感器主要有以下两种制作方案：

第一种是柔性三维力传感器中的敏感元件单元是刚性的，利用柔性材料如硅橡胶等作为传递信息的媒介，即在柔性材料内部植入刚性传感器。这种柔性三维力传感器虽然接触面为柔性，但由于触觉传感器本体不为柔性，弯曲变形受到一定限制。

第二种是柔性三维力传感器中的敏感单元虽然是刚性的，但可以靠柔性的组织机构组合而成。如科学家使用网状设计，可以将各类的电子线路嵌入到一张柔软的塑料薄膜上，这种典型的结构形式是利用MEMS工艺制作而成的。该触觉传感器的制造工艺复杂，制造成本高。

发明内容：为了解决以上问题，本专利以柔性导电橡胶为基体，利用基于SU-8+PDMS的UV-LIGA工艺加工出微电极和导线，然后用夹具夹持已定位好的微电极和导线，并放置在已经做好的传感器模腔中，随后注入液态导电橡胶，就可以得到柔性三维力传感器。柔性三维力传感器内部微电极和导线采用了基于SU-8+PDMS的UV-LIGA工艺制作而成，减小了微电极间的距离，使得在一定的导电橡胶内能布置更多的传感器阵列，从而提高传感器的灵敏度和精度。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题就是提供一种柔性三维力传感器及其解耦方法和制作方法。

为解决这个问题，本发明采用以下技术方案：

柔性三维力传感器，包括第一层导线、第二层导线、第三层导线和第四层导线，所述第一层导线、第二层导线、第三层导线和第四层导线，层面间相互平行、各层导线间距相同；所述第一层导线、第二层导线、第三层导线和第四层导线上分别等间距连接多只第一层电极、第二层电极、第三层电极和第四层电极；其中，各相邻层之间的导线垂直排列，相隔层的导线平行排列；所述第一层导线、第一层电极、第二层导线、第二层电极、第三层导线、第三层电极、第四层导线、第四层电极间均填充有导电橡胶；第一层导线、第二层导线、第三层导线和第四层导线均是绝缘导线。

尤其是，所述的柔性三维力传感器，所述每只第一层电极的投影均位于四个第二层电极构成的正方形的中心、也位于四个第三层电极构成的正方形的中心、同时也位于四个第四层电极构成的正方形的中心；第一层导线相互间的间距与第一层电极相互间的间距相同，第二层导线的相互间的间距与第二层电极相互间的间距相同，第三层导线相互间的间距与第三层电极相互间的间距相同，第四层导线相互间的间距与第四层电极相互间的间距相同，并且第一层导线相互之间的间距与各层的层间距相同；

柔性三维力传感器的三维力的解耦方法：选定第一层导线，以其为基点：先检测第二层导线与第一层导线之间的电阻值，由电阻值的变化即可确定Fz的大小；同理检测第三层导线与第一层导线之间的电阻值，由电阻值的变化即可确定Fy的大小；同理检测第四层导线与第一层导线之间的电阻值，由电阻值的变化即可确定Fx的大小；

本发明要解决的另外一个技术问题就是微电极和导线的密度小，间距大，检测的灵敏度和精度低。

为了解决上述问题，本专利采用了基于SU-8+PDMS的UV-LIGA工艺来批量制作微电极和导线，并制作柔性三维力传感器。包括以下步骤：

步骤1基片的预处理

步骤2甩胶

结合IBM提供的SU-8的参数，选用SU-850光刻胶，以250r/min的速度旋转10秒，然后再以1200r/min的速度旋转30秒，完成涂胶，胶厚为100微米；

步骤3前烘

把已经甩胶的基片放在烘箱里进行烘烤，首先在65℃条件下烘烤10分钟，然后加温至95℃烘烤30分钟，最后在烘箱中逐步降到室温即可；

步骤4曝光

利用曝光功率密度为12.6mW/cm2，的光刻机进行曝光，曝光分两步进行，时间分别选为12S，14S；

步骤5SU-8的曝光后烘烤