[发明专利]基于柔性触觉电容的三维压力传感器

说明书

本发明提供了一种基于柔性触觉电容的三维压力传感器，其球形接触端头位于柔性上部基底的上方，所述电容上部电极层、极间介质层、电容下部电极层、柔性下部基底层从上到下依次位于三维压力传感器柔性上部基底的下方，所述电容上部电极层位于三维压力传感器柔性上部基底层的下表面，所述韧性支撑圆柱、韧性支撑垫片与极间介质层处于同层、共同构成柔性支架层，其排布为韧性支撑圆柱位于极间介质层四顶角处的间隙区域内，韧性支撑垫片位于极间介质层中心处的间隙区域内；所述传感器可以分别感知施加的法向力、剪切力和拉力，实现较大维度的压力传感，具有较高灵敏度。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其是一种基于柔性触觉电容的三维压力传感器。

背景技术

随着传感器行业的快速发展，柔性三维压力传感器的出现使对仿生皮肤、机器人触觉传感等内容的研究更加方便，其中电容传感器具有温度稳定性好、动态响应好、成本低廉、可以点接触测量且灵敏度高等优点，是三维压力传感应用中最常用的器件之一。电容传感器的容值随极板间隙、电极正对面积和极间介质的影响，而在压力传感研究中，保留较高的电容灵敏度和测量精度、保持传感器的柔性以及测量稳定性是相对矛盾的；同时，在传感测力时能够同时监测剪切力和法向力也是较为困难的。为了解决上述矛盾，研究人员经行了大量研究。

在论文方面，2005年，Lee等人使用PDMS和铜作为衬底和电极材料，他们在硅上脱模PDMS并将上下衬底粘合在一起，只能检测法向力(IEEE MEMS 2005，pp.642-645，2005)。2009年Cheng等人设计了一种新型的压力传感器，该传感器由PDMS材料和FPCB电路板组成。传感电极连接线都在FPCB上实现，而上电极则在PDMS上绘制图案(JMM，vol.19，no.4，2009)。特殊的设计能有效提高可靠性。2008年，Lee等人制作了一种电容压力传感器，使用PDMS和铜作为衬底和电极材料。每个传感器单元有五层：凹凸层、顶电极层、绝缘层、间隔层和底电极层。一个电容由四个电极组成，特殊的结构可以同时测量法向力和剪切力(JMEMS，vol.17，no.4，pp.934-942，2008)。2009年，Kimetal.使用PDMS作为衬底，ITO作为电极来制作触觉传感器(Transducer 2009，pp.1146-1149,2009)。

在专利方面，2014年，中国科学院合肥物质科学研究院潘宏青等人研究了一种可测量法向和切向力的柔性力传感器，有效提高了传感器受力时的电容变化值，显著改善了力测量灵敏度，并申请了中国专利(201410562317.4)；2015年，一种负电阻效应的拉敏型传感器，这种拉力传感器具有结构简单、力学量变化幅度大、使用寿命长、柔性好的优点，并申请了中国专利(201510600916.5)；苏州大学王凤霞等人研究了一种柔性三维力传感器，实现了高灵敏度和受力范围广的传感特性，并申请了中国专利(202110339251.2)。然而，上述专利未能实现在保证传感器柔性、压感使用寿命的同时监测法向力、切向力和拉力的传感功能。

虽然监测法向力和切向力的电容传感已经被广泛的研究，但是目前这种具有柔软度、韧性和透光性，并能同时检测法向力、剪切力和拉力的三维压力传感器的研究还比较缺乏，且采用的成本较高，不利于大规模商业实际应用。

综上所述，如今传感器朝着小型化、柔性化和高精度的方向发展，但目前已有能够实现三维力测量的电容式柔性传感器的发明由于造价高、体积大、难以穿戴集成等问题而使得难以大规模使用，这也在一定程度上限制了柔性电容传感器的广泛应用；同时，要兼顾柔性(可穿戴性)、韧性(使用寿命)、高精度和低成本也有一定技术挑战性，因此亟待设计出一款性能更为优异的传感器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于柔性触觉电容的三维压力传感器。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：