[发明专利]一种柔性多维力传感器、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种柔性多维力传感器、制备方法及其应用。柔性多维力传感器包括自上而下设置的封装层、屏蔽层、曲面结构层、摩擦层、电极层和基底层；所述曲面结构层包括设置在中央的柔性曲面结构部、围绕该柔性曲面结构部设置的柔性支撑部和涂覆于柔性曲面结构部凸起表面上的感应电极；所述柔性支撑部与摩擦层连接，该柔性支撑部的高度满足使得所述柔性曲面结构部的凸起最大处与所述摩擦层相切；所述柔性支撑部、柔性曲面结构部与摩擦层之间围成空腔；所述电极层包括至少2个间隔设置的扇形电极，该些至少2个扇形电极构成的图形与所述柔性曲面结构部的投影大小相同。本申请通过对各个扇形电极输出电信号的分析，可对多维力进行解耦与传感。

技术领域

本发明属于柔性电子领域，更具体地，涉及一种柔性多维力传感器、制备方法及其应用。

背景技术

随着科技与社会的不断发展，机器人的应用领域得到极大的扩展，包括科研、工业自动化、医疗、信息安全、家庭服务等。机器人传感系统是实现机器人与外界进行信息交换的主要窗口，强大的传感系统将帮助机器人更好地实现环境感知与人机交互。机器人电子皮肤作为一种重要的机器人传感手段，在机器人传感系统中占有非常大的比例。总体来说，电子皮肤是一种利用传感技术、微机电技术和新材料技术，能够模仿生物皮肤感知、调节、保护等功能的电子装置或系统，它本质上是一个或多个传感器，通过电子系统重塑人体皮肤的属性。

传统的机器人电子皮肤通常需要额外的电源供应，这就造就了相应的成本与空间问题。近年来随着自驱动传感技术的发展，例如压电、摩擦发电等技术越来越多地在机器人电子皮肤上得到应用，这类电子皮肤无需额外能源供应，在传感过程中就能够产生能源，提供足够的工作能量。

目前受限于电子皮肤的传感原理，机器人力学电子皮肤的研究多集中于单一方向作用力的传感，而对于日常生活中常见的多维力缺乏传感能力。

另外，近10年来，随着支撑技术的不断发展，机器人电子皮肤的柔性、可拉伸性、压力灵敏度、规模尺寸和空间分辨率等性能取得了快速发展和突破。但是柔性电子技术是硬质电子技术的继承与发展，因此也大量采用了传统的半导体工艺，但是一些柔性材料对传统工艺的适应性并不好，所以改进柔性材料的制造工艺十分必要，以实现在很大程度上提升传感器的灵敏度与制造成功率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性多维力传感器、制备方法及其应用，其目的在于通过结构的改进，利用摩擦发电的传感原理实现机器人电子皮肤传感器传感三维力的功能。同时通过合理的材料选择与工艺设计，使柔性三维力传感器具备良好的可拉伸与传感灵敏度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种柔性多维力传感器，包括自上而下设置的封装层、屏蔽层、曲面结构层、摩擦层、电极层和基底层；

所述曲面结构层包括设置在中央的柔性曲面结构部、围绕该柔性曲面结构部设置的柔性支撑部和涂覆于柔性曲面结构部凸起表面上的感应电极；所述柔性支撑部与摩擦层连接，该柔性支撑部的高度满足使得所述柔性曲面结构部的凸起最大处与所述摩擦层相切；所述柔性支撑部、柔性曲面结构部与摩擦层之间围成空腔；

所述电极层包括至少2个间隔设置的扇形电极，该些至少2个扇形电极构成的图形与所述柔性曲面结构部的投影大小相同。

优选地，所述柔性曲面结构部为以垂直于球体直径的方向截取的部分球体，该截取的部分球体不超过整个球体的一半。

优选地，所述整个球体的半径为10.6-50.7毫米。

优选地，所述至少2个扇形电极为至少2个全等对称设置的扇形电极。

优选地，所述柔性多维力传感器的厚度为1200微米-2000微米。

优选地，所述柔性曲面结构部、所述柔性支撑部、所述摩擦层、所述封装层、所述基底层的材料为PDMS、Eco-flex、TPU、POE、EVA或EPDM。