[发明专利]一种全柔性电阻式触压觉感知传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于传感技术领域，涉及一种应用于人工智能皮肤的全柔性电阻式触压觉感知传感器。

背景技术

人类感知外界力的系统是一个结构精巧的系统，人类皮肤对于作用于其上的应力，也即是机械剌激的感知，主要分为触觉和压觉。两者的感受器不同，触觉感受器是触觉小体(分布于真皮浅部的乳头层)和皮肤内围绕毛囊的神经末梢。压觉感受器是环层小体(分布于真皮深层的网状层)。触觉由轻微的不引起皮肤变形的刺激引起，压觉则是由能使皮肤发生变形的刺激引起。作为仿人类皮肤的机器人智能皮肤，外界力信息感知是一个必不可少的环节，机器人依靠分布于智能皮肤上的力敏传感器可以精确的感知外部信息，实现与外界环境的良好互动。

目前国内外已经研制出多种用于机器人皮肤的外界力感知传感器。金属应变片、半导体压阻传感器等广泛用于压力检测，但由于其基于刚性材料，缺乏必要的柔性，不适合在机器人弯曲表面使用。电容式传感器应用于压力检测时，灵敏度较低，且电容信号容易受外界因素干扰。Shouher Shirafuji等人介绍了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)的柔性压电薄膜人工皮肤，安装于机械手内表面，经可靠抓取目标物实验，验证其具备力信息检测功能，然而基于压电特性的PVDF只能检测动态力，缺乏对静态力的感知功能。斯坦福大学鲍哲南教授研究小组对两电极间的柔性填充物进行了微结构改造，采用空心球微结构，能非常灵敏地检测外界压力，但只能检测0～10kPa小量程段的应力。Yangyong Wang等人介绍了一种弹性基体内嵌可拉伸织物传感器方法，可以实现1MPa应力检测，但对于小量程段应力检测灵敏度和精度不足。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提出一种全柔性电阻式触压觉感知传感器，旨在提供一种用于智能机器人人工敏感皮肤的、兼具大小量程段力学量测定、全柔性、灵敏度高、性能稳定、制备工艺简单的力敏传感器。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明全柔性电阻式触压觉感知传感器，其特点在于：

所述全柔性电阻式触压觉感知传感器是在下柔性基底上，通过层层组装技术形成有压觉感知传感器和触觉感知传感器；所述压觉感知传感器和所述触觉感知传感器之间通过上柔性基底连接。

所述触觉感知传感器位于所述全柔性电阻式触压觉感知传感器的上层，采用柔性叉指电极结构，以石墨烯/炭黑填充硅橡胶为敏感材料，用于感知触觉力；

所述压觉感知传感器位于所述全柔性电阻式触压觉感知传感器的下层，采用上下电极结构，以碳纳米管/炭黑填充硅橡胶为敏感材料，用于感知压觉力。

所述全柔性电阻式触压觉感知传感器的整体结构呈扁半球形。所述全柔性电阻式触压觉感知传感器的信号线全部从整体扁半球结构内部通过，并从底部引出。所述下柔性基底和所述上柔性基底均以聚酰亚胺为材质。

上述全柔性电阻式触压觉感知传感器的制作方法是按如下步骤进行：

(1)设置圆形的上柔性基底2和圆形的下柔性基底4，在所述上柔性基底2上设置过孔，在所述下柔性基底4的圆心处设置通孔；

(2)在所述上柔性基底2的上表面蒸镀柔性叉指电极；在所述上柔性基底2的下表面蒸镀上圆形电极7；在所述下柔性基底4的上表面蒸镀下圆形电极8；

(3)将石墨烯、炭黑及硅橡胶混合均匀后注入扁半球形模具后，将扁半球形模具放在上柔性基底2的上表面，使石墨烯、炭黑及硅橡胶的混合物与上柔性基底2的上表面紧密贴合，然后室温下硫化成型，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/炭黑填充硅橡胶1，且石墨烯/炭黑填充硅橡胶1作为敏感材料与上柔性基底2的上表面的柔性叉指电极贴合，构成触觉感知传感器；

(4)将碳纳米管、炭黑及硅橡胶混合均匀后注入中轴线处带有一细圆柱的圆台形模具，然后室温下硫化成型，取下圆台形模具，即获得中轴线处带有一细圆柱形通孔的圆台形碳纳米管/炭黑填充硅橡胶3；

(5)将碳纳米管/炭黑填充硅橡胶3的一面通过导电银胶与上柔性基底2下表面的上圆形电极7粘接，另一面通过导电银胶与下柔性基底4下表面的下圆形电极8粘接，构成压觉感知传感器；

(6)将柔性叉指电极的一侧5通过上柔性基底2上的过孔与上圆形电极7连接后，共同与公共信号线9相连，将柔性叉指电极的另一侧6与第一信号线10相连，将下圆形电极8与第二信号线11相连；