[发明专利]实现多轴力检测的柔性触觉传感器

说明书

本发明公开一种实现多轴力检测的柔性触觉传感器。本发明具有用于检测触觉力的电容单元，其输出与所受触觉力相应的电容信号，检测原理是电容式的；下侧的电极绕传感器的中心以圆形排布，类似于钟表上的刻度；下侧电极，还需要与圆环电极构成电极对，应用平板电容原理，输出电容信号。本发明通过将电极排布方式设计为绕中心分布的方式，提高了空间区域的利用面积，增加了传感器检测灵敏度，并获得了一定程度的切向力角度分辨能力。

技术领域

本发明涉及一种触觉传感器，具体是一种实现多轴力检测的柔性触觉传感器。

背景技术

随着社会的发展，人们对生产生活中机器人的要求越来越高。相应的，对机器人上的传感器也有了更高的要求。机器人中最重要的传感器之一，就是触觉传感器。

目前基于不同原理的多轴触觉传感器种类繁多，包括电容式触觉传感器、压阻式触 觉传感器和光学式触觉传感器等。电容式传感器具有动态响应好，精度高等优点，但物理尺寸较大，且易受噪声影响；压阻式传感器具有灵敏度高，空间分辨率高和制造技术 成熟等优点，但其使用时功耗高，稳定性差；光学式传感器具有灵敏度高，响应快等优 点，但多轴检测线性度差，标定困难。

虽然应用硅工艺制成的触觉传感器已经有了较成熟的工艺，研究程度也已经相当高 了，但由于其使用较硬的材料，柔软的手指接触时，总有种硌人的感觉，人机交互能力上差强人意。近年来，随着柔性电子的出现，触觉传感器使用柔性工艺，出现了各式各 样的柔性触觉传感器，很好地解决了硬性触觉传感器的弊端。

研究者们对柔性触觉传感器进行了一系列研究。这些研究主要目的是提高传感器的 多轴检测能力和剪切力方向分辨能力。因为对于触摸而言，要想模拟人手指的功能，多轴力的分辨能力以及剪切力方向的分辨能力是至关重要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供实现多轴力检测的柔性触觉传感器。

一种能够检测多轴力，并分辨水平力施加角度的柔性触觉传感器，具有用于检测触 觉力的电容单元，其输出与所受触觉力相应的电容信号，检测原理是电容式的；下侧的电极绕传感器的中心以圆形排布，类似于钟表上的刻度；下侧电极，还需要与圆环电极 构成电极对，应用平板电容原理，输出电容信号；从上至下具体包括：

凸台，位于器件的中心位置，圆直径0.8～1.2mm，材料为PDMS、PET或PEN等柔性 聚合物。

上基板，置于凸台的下方，其中心与凸台圆心重叠，材料是PDMS、PET或PEN等柔 性聚合物。

上侧圆环电极，中心与凸台圆心重叠，圆环内径为0.75～1.2mm，圆环外径为4～6.5mm， 材料可以是金、银、铜等导电金属。

隔离层，主要作用是保证上下两层电极绝对不会接触，材料为PDMS，为边长6～8mm的正方形，尺寸与上基板一致。

支撑结构，包括中心的支柱与四周的侧壁，支撑结构的中心与凸台圆心重叠，中心支柱圆直径略小于凸台，为0.7～1.1mm，材料为PDMS；中心支柱的边沿与上侧圆环电极 内侧保持一定距离，为50～100um，目的是避免支柱与圆环电极接触，导致电极磨损， 影响性能；侧壁内侧为圆形，离圆环电极外轴0.5～1mm的距离。

电极组合，材料可以是金、银、铜等导电金属；以凸台圆心为圆心，夹角为1～30 度的圆形辐射分布；每个电极长2～2.5mm，宽0.1～0.8mm；电极组合所构成的圆直径为 5～6mm；电极的数量为12～360个，这与电极夹角有关，需要覆盖360度监测范围。

下基板，中心与凸台圆心重叠，为边长6～8mm的正方形，与上基板尺寸一致，材料可以是PDMS、PET和PEN等柔性聚合物。

本发明的有益效果是：