[发明专利]金属滴液电极式三维电容触觉传感器

说明书

本发明公开了一种金属滴液电极式三维电容触觉传感器。主要从下至上依次由下极板、电介质层和上极板组合而成，下极板上表面开有四组阵列布置的方形凹槽，每组方形凹槽包括两个直角三角形槽，每个直角三角形槽均置有一个传感电极，每组方形凹槽的两个传感电极构成一组电容单元；上极板上表面加工成半圆球型结构，上极板下表面加工有四个阵列布置的梯形台状槽，电介质层和上极板粘接使得形成密封腔体，四个密封腔体填注有镓铟锡合金液体构成四个传感单元。本发明采用变极板面积的方式替代传统电容传感器改变极板间距的方式，有效提高传感器灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种触觉传感器，尤其是涉及一种金属滴液电极式三维电容触觉传感器。

背景技术

触觉是人类的最重要感觉之一，人类通过触觉感知被接触物体的几何形状、纹理、温度、柔性或者刚度方面的特性。作为机电系统自主控制与生物神经反馈控制之间的连接纽带，人工触觉感知系统常应用于假肢系统，并为底层控制提供外界环境信息，以提高假肢灵巧性。因此，研制高性能的触觉传感器，提高假肢系统与外部环境的相互协调工作能力，是实现假肢手智能化的关键技术。电容传感器因其低功耗、低成本、稳定性高等特点是制作触觉传感器的主要选择之一。

近年来，国内外已开展诸多基于电容传感器的触觉传感器研究，并逐渐应用于智能假肢手的压力功能重建中，但在使用过程中以下重点及难题不断突显：

1)触觉传感器尺寸在微米级别，而传统电容传感器一般通过改变极板间距的方式实现电容量的变化，电容变化区间小，这直接导致触觉传感器的灵敏度较低，在微弱信号的检测中容易被干扰信号湮没。

2)通过柔性材料的使用，触觉传感器的挠曲强度和拉伸性能得到提升，但脆弱的信号导线可靠性问题触觉被忽视，信号导线在反复弯曲和拉伸过程中的断裂是目前触觉传感器失效的主要原因之一。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种金属滴液电极式三维电容触觉传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

主要从下至上依次由下极板、电介质层和上极板组合而成，下极板上表面开有四组阵列布置的方形凹槽，每组方形凹槽包括两个直角三角形槽，两个直角三角形槽以斜边相对间隔布置形成方形凹槽，每个直角三角形槽均置有一个传感电极，每组方形凹槽的两个传感电极构成一组电容单元，八个传感电极两两一组共构成四组电容单元；上极板上表面加工成半圆球型结构，上极板下表面加工有四个阵列布置的梯形台状槽，四个梯形台状槽分别位于四个方形凹槽的正上方；电介质层连接在下极板未开设凹槽的上表面和上极板未开设梯形台状槽的下表面之间，且电介质层和上极板未开设梯形台状槽的下表面粘接使得上极板的梯形台状槽形成密封腔体，四个密封腔体均通过注射成型的方法填注有镓铟锡合金液体，由于镓铟锡合金液体表面张力形成四个金属滴液电极，每个金属滴液电极与下极板各自下方对应的一组电容单元构成一个传感单元，四个金属滴液电极分别与下极板的四组电容单元构成四个传感单元。

每个电容单元的两片传感电极分别做为输入端和输出端，金属滴液电极不连接任何输入输出端，仅起到改变电容单元有效重叠面积的作用。

一组电容单元的两个传感电极经排线引出连接外部信号接收器件。

金属滴液电极在传感单元中起到公共电极的作用，当外力作用于上极板的上表面时，金属滴液电极受到挤压产生形变使得与下方对应的电介质层接触面积发生变化，带动电容单元的电容量随着接触面积变化。

所述的四个密封腔体分别位于四组电容单元的正上方，且密封腔体底部平面面积大于电容单元的有效面积。

所述的下极板以柔性印刷电路板为基底。

所述的电介质层为采用硅橡胶材料制成的薄膜结构。

所述的梯形台状槽的上部水平尺寸小于下部水平尺寸，实际为梯形台结构。