[发明专利]一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器

说明书

本发明公开了一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器，包括底板、弹性体、硅基MEMES压力传感器单元、磁体、磁感应线圈阵列；弹性体、硅基MEMES压力传感器单元与磁感应线圈阵列设置于底板；磁体设置于弹性体中。使用硅基MEMS测压单元，无导电复合材料的电阻蠕变和电容式测压单元寄生电容的影响，精度高、稳定性良好；磁感应线圈阵列通过电磁感应产生电信号检测切向力的方向和大小，精度高，响应快，适合于动态力测量和滑动状态的检测。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种硅基MEMS单元结合线圈阵列的柔性多模式触觉传感器。

背景技术

智能化机械产品和智能机器人在工业生产中应用越来越广泛。为了实现模仿高度灵巧的人类操作活动，触觉传感技术近年来得到了越来越多的重视。触觉是机器人获取环境信息的一种重要知觉形式，触觉能够直接感知对象的多种性质特征：包括接触力的大小、柔软性、硬度、弹性、粗糙度、材质等。将触觉传感器嵌入到衣物、配饰甚至皮肤上，可以得到多功能的、便携的可穿戴设备，这些可穿戴设备能够实时提供信息。而柔性触觉传感器技术对于未来智能机器人的发展至关重要，所谓柔性是指触觉传感器的物理特性具有类似于人类皮肤一样的特性，可以覆盖在任意的载体表面测量受力信息，从而感知目标对象的性质特征。柔性触觉传感器技术已成为智能机器人触觉传感器技术领域一研究热点。基于皮肤的可穿戴触觉传感器是指直接层压在机器人表面的触觉监测装置，用以提供连续且准确的测量。与传统的刚性技术不同，在皮肤上层压器件需要保形接触，对于稳定且可重复的测量至关重要。

目前，根据对外界刺激信号的转换与检测原理不同，柔性触觉传感器可主要分为压阻式、电容式、压电式触觉传感器、摩擦自生电式触觉传感器、光学式触觉传感器、电磁式触觉传感器等。但每种传感器都有各自的缺陷，可在同一个传感器中引入多种传感技术，如通过PVDF压电薄膜测量动态力，再通过添加电阻或电容敏感元件，就可以制造出一个既可以感知动态力又可以测量静态力的传感器。目前这种多模式触觉传感器多应用于机器人手爪中。

传统的多模式触觉传感器是压阻式、电容式、压电式触觉传感器、摩擦自生电式触觉传感器、光学式触觉传感器、电磁式触觉传感器等两种或两种以上的组合。

压阻式触觉传感器采用压敏电阻将外界施加的力转换为电阻值的变化，目前常见的柔性触觉传感器多利用导电复合材料的量子隧穿效应，即外界激励下复合材料电阻率的变化，来实现传感器电阻值变化的测量。但这种传感器在恒应力作用下，导电复合材料的电阻会随受力时间的延长而逐渐降低，这种现象称为电阻蠕变，也称为电阻弛豫，且随着时间的延长，电阻率进一步降低，使得压阻式触觉传感器的测试准确度下降。

电容式触觉传感器是通过测量电极极板间的电容值变化来进行触觉力的检测，通过测量传感器上下电极极板间距离的变化，来进行外界机械刺激的检测。但电容式传感器对于输入量变化的输出是非线性且灵敏度偏低，无法忽略寄生电容的影响，因此电容式触觉传感器的检测准确度不高。

压电式触觉传感器压电转换元件是典型的力敏元件，具有自发电和可逆两种重要特性，而且具有体积小、质量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度与信噪比高、性能稳定和几乎不存在滞后等优点。鉴于该传感元件为无源器件，无需考虑电源信号的干扰，因此压电式传感器高度可广泛应用。然而随着时间的推移，压电传感器电压输出值会降低，因此只适合检测动态力，且无法检测外界的动态摩擦机械激励。

除上述常见的传感原理外，还有其他一些类型的触觉信号转换及检测原理，如利用摩擦生电效应制作的一种自供电的柔性触觉传感器，该传感器的敏感元件由两片带有不同摩擦极性的有机/无机薄膜组成，当传感器受压时，两片薄膜相互摩擦产生电荷，将外部机械力转换为可测量的电信号变化，但检测精度不高。

发明内容