[发明专利]一种基于复合结构介质层的电容式柔性三维力触觉传感器

说明书

本发明公开了一种基于复合结构介质层的电容式柔性三维力触觉传感器，包括：下柔性衬底、下电容极板、复合结构介质层、绝缘隔离层、上电容极板、上柔性衬底、表面凸起层。上、下电容极板均为2×2排列的四块长方形结构，且上、下电容极板正对面为正方形，复合结构介质层包括介质底层、“田”字型介质墙、以及位于“田”字型四个方形区域内的微圆柱阵列；表面凸起层上具有底面为正方形的长方体凸起，长方体凸起仅部分覆盖上下电容极板的四个正方形正对面。本发明的传感器采用独特的结构设计可以在一定范围内调节力测量范围和灵敏度，减小在对准制备和测量过程中电容极板发生相对平移带来的误差，降低未来阵列化时相邻传感器间的干扰，有利于实际应用。

技术领域

本发明涉及柔性触觉传感器技术领域，特别涉及一种基于复合结构 介质层的电容式柔性三维力触觉传感器。

背景技术

触觉传感器可以通过一定的触碰方式获取物体的接触力信息，并进 一步分析接触力的时间、大小、方向及分布特征，从而实现对物体的形 状、质量、纹理、表面粗糙度等物理特性的感知。为了满足实际应用中 的非平面情况，能够弯曲贴合在曲面上的柔性触觉传感器受到了越来越 多的关注。为了帮助机器人实现交互传感和复杂动作，三维力的检测和解耦成为了一个重要的研究方向。

其中，基于电容原理的柔性触觉传感器因其具有高灵敏度、适合静 态和动态测量的优点而被广泛研究。常规的电容式三维力触觉传感器的 基本结构包含表面凸起、上下电容极板和介质层。

在介质层方面，研究主要集中于结构设计，例如：密歇根大学 Hyung-Kew Lee课题组提出了“田”字型PDMS墙式介质层结构设计， 罗丞曜课题组采用了PDMS立柱结构的介质层设计，合肥工业大学黄英 课题组采用了长方体气腔式介质层设计，浙江大学汪延成课题组提出了 PDMS金字塔阵列结构的介质层设计。以上结构相对于纯介质结构而言， 大大提高了传感器的灵敏度，但尚存在一定的问题，很多研究没有考虑 传感器制备时的对准问题，特别是微结构设计的介质层与电容极板间的 对准。此外，一般而言，由于空气更容易被压缩，介质层结构中空气比 例越高，电容极板初始初始间距相同的电容，其变化灵敏度越高，测量 范围越小。一些介质层结构设计为了提高灵敏度而过度牺牲了测量范 围，甚至使得传感器只能测量15mN范围内的力。

在电容极板的设计方面，瑞士联邦理工学院J A Dobrzynska等了设 计了电容极板为梳齿电极结构的柔性三维力触觉传感器，通过电容极板 的正对面积变化来反映切向力信息，性能较为稳定，但该传感器由于对 准的高要求限制了制备工艺只能采用逐层加工的方式，从而只能选用均 一的纯固体介质层结构，限制了传感器的灵敏度。罗丞曜课题组在不对 称电极设计上提出了许多创新的结构设计，但为了便于对准，器件的空 间分辨率较低，尺寸普遍在8.5mm×8.5mm以上。大多数研究仍采用了 上下正对的正方形结构设计作为电容极板结构，但结构相对复杂的介质 层设计，只能采用逐层制备、集合封装的工艺，在各层贴合对准过程中 上、下电容极板与介质层的对准时的平移误差并没有被充分考虑，并且 在测量过程中，加载切向力时也会带来上、下电容极板的相对平移。

此外，基于电容原理的柔性触觉三维力传感器容易受到环境干扰， 不可避免地存在寄生电容的问题，特别是，在实际应用场景下，加载力 的过程中将引入寄生电容；尤其是当通过导电物体对表面凸起加载力 时，导电物体与电容极板间会产生寄生电容，从而给传感器的测量带来 较大的干扰。

将电容式柔性触觉三维力传感器阵列化后，在对其中一个传感器加 载力时，会对相邻的传感器产生一定的干扰，现有的研究几乎没有考虑 这个问题。

发明内容

针对以上所述的问题，本发明提出了一种易于对准、性能稳定、灵 敏度和测量范围可调节的、具有未来阵列化潜力的基于复合结构介质层 的电容式柔性三维力触觉传感器。

本发明采用的技术方案如下：