[发明专利]一种差分电容式触觉传感器

说明书

本发明公开了一种差分电容式触觉传感器。所述触觉传感器包括表面凸起层、压力传导连接件、弹性层、上层壳体、上层电容传感单元、中间连接件、下层电容传感单元及下层壳体，其中电容式触觉传感器介电层采用微型四棱台阵列结构。本发明创新性的将两个电容式触觉传感器进行叠加组合，通过中间连接件进行连接，实现了传感器对输入力的差分测量；通过差分结构，减小了单一电容式传感器使用中存在的温度漂移、电磁干扰等问题，提高了传感器的抗干扰能力和灵敏度；电容式触觉传感器的微型四棱台阵列结构使传感器在承受大量程施力后可以快速恢复到初始位置，提高了传感器的稳定性、重复性和量程。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种差分电容式触觉传感器。

背景技术

人类之所以能够方便地操作手、脚等部位，很大程度上归功于皮肤对外部世界触觉的感知。触觉同样也是是机器人感知外部环境的重要信息来，随着机器人技术的发展与触觉感知技术和交互技术的广泛应用，机器人触觉传感技术得到了机器人研发人员的高度关注，为机器人设计一款类似人体皮肤的触觉传感器的需求在不断增加。

近年来，许多国内外的科研机构和高校实验室制作了很多类型的柔性触觉传感器，依据原理不同主要可以分为压阻式、电容式、压电式和其他形式。压阻式触觉传感器可以把压力的变化转换为电阻的阻值变化，具有范围调节容易、响应速度快、灵活性高的特点，但压阻式触觉传感器会发生漂移和滞后现象，动态性能较差。压电式触觉传感器具有结构简单、工作频率高、性能稳定等优点，但也存在噪声大、易受到外界电磁干扰、难以检测静态力的缺点。相比于压阻式和压电式触觉传感器，电容式触觉传感器有着温度稳定性好、动态响应好、可以非接触测量和灵敏度高等优点。在压力测量方面，电容式触觉传感器多采用变极距原理，但对柔性触觉传感器来说，承载较大受力时电容极距变化较大，导致传感器输入输出呈非线性关系。通过传感器结构形成差分电容，可以有效提高传感器的线性度和灵敏度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种差分电容式触觉传感器，具有灵敏度高、测量范围广、重复性好的优点，能减小温度、电磁等环境干扰对传感器的性能影响，并提高传感器的灵敏度。

本发明提供一种差分电容式触觉传感器，包括：表面凸起层、压力传导连接件、弹性层、上层壳体、上层电容传感单元、中间连接件、下层电容传感单元及下层壳体，所述的表面凸起层下表面面积与上层壳体和下层壳体面积一致，上表面比下表面小；所述的压力传导连接件上表面与表面凸起层相连，所述的压力传导连接件下表面带有一个立柱，所述的压力传导连接件的立柱穿过弹性层、上层壳体及上层电容传感单元中央小孔与中间连接件相连；所述的弹性层带有四棱台阵列结构，所述的弹性层下表面与上层壳体相连，所述的弹性层下表面与压力传导连接件相连，所述的弹性层中间有方形小孔供压力传导连接件通过；所述的上层壳体和下层壳体形状大小完全一致，所述的上层壳体中央有一方形小孔供压力传导连接件通过，方形小孔的中心与壳体中心重合；所述的上层电容传感单元和下层电容传感单元结构完全对称，传感单元介电层采用四棱台阵列结构上层电容传感单元与下层电容传感单元通过中间连接件连接；所述的中间连接件形状大小与压力传导连接件对称，所述的中间连接件中间带有方形立柱，通过立柱与压力传导连接件配合连接；

所述的上层电容传感单元由上层上电极板、上层介电层及上层下电极板依次堆叠组合而成；所述的下层电容传感单元主要由下层上电极板、下层介电层及下层下电极板依次堆叠组合而成；

所述的上层下电极板和下层上电极板分别与中间连接件的上下表面连接，压力传导连接件通过中间的长方体立柱将传感器收到的压力传导至中间连接件，并使得其向下带动上层下电极板和下层上电极板位移，此时上层电容传感单元电容量减小，下层电容传感单元电容量增大，形成电容差分。

作为本发明进一步改进，所述的表面凸起层由PDMS聚二甲基硅氧烷材料制作，凸起部分位于整个传感器最上层，用于将传感器外部受力均匀分布到电容极板上。