[发明专利]水下触觉传感器和其制备方法

说明书

本发明公开了一种水下触觉传感器和其制备方法。水下触觉传感器包括柔性电路板，包括柔性基板，所述柔性基板的表面上分布有叉指电极；弹性体层，与所述柔性电路板含有所述叉指电极的表面结合，并覆盖所述叉指电极；在所述弹性体层的面对所述叉指电极表面上设置若干弹性体凸起，且在所述弹性体层与柔性电路板相结合面之间形成有由所述弹性体凸起分布而形成的若干通道，所述通道穿过所述叉指电极所含的叉指条电极表面，且与外界相通。本发明水下触觉传感器具有良好的轻薄和柔性特点，其所含的通道直接与环境流体相通，在环境流体环境中水下触觉传感器的内部和外部不会出现水压差，从而在大范围的压力变化或水下深度上具有高的传感分辨率和精度。

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种水下触觉传感器和其制备方法。

背景技术

触觉是人类对外界环境的基本感知能力，依赖于皮肤上的多重敏感单元，我们通过触摸感知物体的体积、纹理以及软硬程度，甚至可以分辨温度、湿度的变化。其中，压力感知是触觉的重要形式。柔性压力传感器能够模拟人类皮肤的压力感知功能，具备高灵敏度、高柔性及轻薄的特点，同时由于其柔软的特性，具备良好的贴敷效果。近年来在可穿戴健康检测、智能机器人、智慧医疗、人机交互、工业物联网等领域展现出重要的研究意义。目前触觉传感器的应用场景多为空气环境，关于水下的柔性触觉传感研究甚少。

与空气相比，水下环境的复杂给触觉传感器的应用带来了困难，然而，这并不能代表水下场景不需要触觉感知。相反的，触觉传感对于水下环境来说具有重要的价值。例如潜水员在水下的健康检测，水肺潜水是一项不断发展的运动，同时也存在诸多风险甚至可能危及生命，比如气压性创伤、减压病和溺水等。监测心率、血压、脉搏波等参数对于判断、预警潜水过程中的风险十分重要。

水下机器人目前已较为广泛的应用于海洋勘探、捕捞、水下考古等工业操作中，而克服水下环境带来的困难是其最具挑战性的任务之一。大多数深海操作系统通过安装在机器人上的摄像机来监控，然而水下光线极差、视野模糊等问题给任务执行带来挑战。

目前水下传感系统的设计面临如下困难：首先，水对于电子元器件存在安全隐患，极易发生漏水、短路等问题，水下传感器的封装是一大问题。目前最为常用的是将整个传感器系统用硅胶等软材料包裹并固化，可以起到防水效果、且不会对其测试造成明显的影响。然而整体封装会增加传感器的体积、降低其柔性，封装过程也有可能对传感器特性造成影响。

其次，在水下环境中，水压会随着水深的增加而逐渐增大，当水深达到10m时，水压可以达到10⁵pa，相当于一个大气压，此时接触压力的测量变得困难，会大大降低测试的准确性，平衡水压也是目前水下传感器必须要解决的。

在静水压力基线相当高的情况下，可能会给检测微小的压力变化带来潜在的问题，这就要求电子采集系统具有极高的测量分辨率和高信噪比(SNR)要求。水下机器人的触觉传感受水压影响很大，为了补偿作用在皮肤上的静水压力，设计由流体隔开的聚合物超弹性膜和静电电容传感器网络。同时电缆和电线将信息和电源传输给机器人的所有执行器，也完全设计在油中，以补偿外部水下压力。这种设计方式使传感器体积更为庞大，为测试带来不便。

现有的水下压力传感器大多为压阻式和压电式传感器，其中仿鱼侧线开发的传感器结构已得到广泛关注。大多数鱼类都存在侧线结构，即一系列神经丘。神经丘是一种流量传感元件，被淹没在一个类似管道的结构中，并通过一系列管道孔暴露在外部流中。连续气孔之间的压力差在位于气孔之间的神经丘中产生信号，从而进行压力梯度感知、反映水流情况、水压情况。这种侧线结构可以帮助鱼类分辨周围物体速度体积、在黑暗中巡航、寻找猎物。传感器结构由柔性可变形薄膜、电极以及应变片组成，具有很高的灵敏度和分辨率，通过外接一个管道连通水下，起到低通滤波器的作用，使腔压设置为直流水压，实现各个单元之间压力平衡。同时，压阻式传感器电阻会受到温度影响，检测噪音较高，在大压力时候灵敏度迅速降低；而压电式传感器只对动态压力产生响应，测量的是压力的变化量，不能直接检测静态压力。