CN114112159B - 一种基于弹簧状敏感单元的电阻式柔性三维力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弹簧状敏感单元的电阻式柔性三维力传感器，从下至上依次由下电极板层、敏感单元层、上电极板层以及表面凸起层构成；上电极板层包括下柔性衬底和下电极板，上电极板层包括上电极板和上柔性衬底；上电极板和下电极板均包括2×2排列的四块正方形结构，每个正方形结构均通过导线引出；敏感单元层包括2×2排列的四个敏感单元，每个敏感单元包括一个弹簧状结构和圆柱体支撑柱，可以敏感的感知微小力，具有良好的压缩和拉伸性能；表面凸起层正四棱台结构，可以放大微小力使敏感单元形变量变大。本发明的传感器采用独特的三维立体结构可以实现三维力的检测，可以应用于环境监测、机电监测、农业生产、航天军事等领域。

Description

一种基于弹簧状敏感单元的电阻式柔性三维力传感器

技术领域

本发明涉及柔性触觉传感器技术领域，具体涉及一种基于弹簧状敏感单元的电阻式柔性三维力传感器。

背景技术

三维力传感器通过采集压力、振动、位置和温度等信息实现对外界环境或物体的基本特征的感知。在实际应用中为满足非平面物体，通常将柔性三维力传感器粘贴在曲面上以获取更为准确的三维力信息。为了监测环境气象、机器故障、人体体征等信息，三维力传感器受到越来越多的研究学者的关注。

其中，电阻式柔性三维力传感器具有灵敏度高、伸展性强、空间分辨率高、易阵列化等优点，受到广泛关注。常规的电阻式三维力触觉传感器的基本结构包含表面凸起、上下电极板层和中间敏感单元层。电阻式柔性三维力传感器是基于敏感材料所具有的压阻效应来实现三维力检测。压阻效应是指压敏材料在受到外力时自身阻值发生改变的现象。当加载外力时敏感材料的发生形变使得自身阻值发生相应改变。因此，电阻式柔性三维力传感器的研究重点在于敏感材料，如2013年Jeong L Lee等人提出一种电阻式柔性三维力传感器，他们利用聚合物材料SU-8环氧树脂作为接触板和传力柱将加载力传递到四个“桌角”，每个“桌角”内外两侧均有一个Ni-Cr应变计敏感单元，通过采集各个敏感单元的输出实现三维力的检测。

对于电阻式传感器而言，敏感单元既需要满足导电性，又需要对外力感知灵敏。而敏感单元的导电性与其中的导电材料的含量有关，关于聚合物导电材料的导电机理国内外学者已经进行了很长时间的研究，然而众说纷纭百家争辩，目前比较好的解释不同炭黑填充量导电机理的方法是将导电通路理论与量子隧道效应理论相结合。因此，导电粒子的填充量对于敏感单元的导电性能起着至关重要的作用。但是，随着导电粒子填充量的增加，敏感单元的杨氏模量增加，伸缩性减弱，进而影响敏感单元的力敏特性，因此合适的导电粒子填充量决定了敏感单元的性能表现，这需要研究人员不断地进行实验探索。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种基于弹簧状敏感单元的电阻式柔性三维力传感器，具有高度的灵敏性和可延展性，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

一种基于弹簧状敏感单元的电阻式柔性三维力传感器，从下至上依次由下电极板层、敏感单元层、上电极板层以及表面凸起层构成；

下电极板层从下至上包括下柔性衬底和下电极板，上电极板层从下至上包括上电极板和上柔性衬底；上电极板和下电极板均包括2×2排列的四块正方形结构，每个正方形结构均通过导线引出，上电极板中的正方形结构与下电极板中的正方形结构在法向投影重合；

敏感单元层包括2×2排列的四个敏感单元，每个敏感单元包括一个弹簧状结构和圆柱体支撑柱，弹簧状结构粘附在圆柱体支撑柱表面，四个敏感单元的上、下两端通过导电银胶分别与上、下电极板中的四个正方形结构对应粘合，每个敏感单元的中心与对应的正方形结构的中心在法向投影重合；

表面凸起层为正四棱台结构，其中心与上、下电极板的中心在法向投影重合。

进一步地，上、下柔性衬底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯材质。

进一步地，敏感单元中的弹簧状结构是由聚二甲基硅氧烷和炭黑混合而成，聚二甲基硅氧烷中聚二甲基硅氧烷原液与固化剂的质量比为7.5:1～20:1，聚二甲基硅氧烷与炭黑的质量比为10:1～28:1，根据实际需要进行选取。

进一步地，敏感单元中弹簧状结构的螺距为0.1～1.5mm，根据实际需要进行选取。

进一步地，圆柱体支撑柱采用聚二甲基硅氧烷，在制备时聚二甲基硅氧烷原液与固化剂的质量比为10:1～28:1，圆柱体的高度为1mm～10mm，根据实际需要进行选取。

进一步地，表面凸起层材料采用聚二甲基硅氧烷，在制备时，聚二甲基硅氧烷原液与固化剂的质量比为8:1。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明的电阻式柔性三维力传感器具有良好的柔性，可以在保证电极导电性的同时实现弯曲变形，使得传感器可以在曲面上安装，适合实际的应用场景。

2.本发明的电阻式柔性三维力传感器中上下电极板为正方形，在四个水平方向的边缘上留有一定的余量面积，可以减小在对准制备过程中敏感单元电气连接不好带来的误差，并且本发明的电极板引线排布较为简单，具有未来阵列化的潜力。

3.本发明的电阻式柔性三维力传感器采用弹簧状结构制作的敏感单元，可以通过改变螺旋状结构的螺距，圆柱体支撑柱的直径等参数可以调节传感器的测量量程和灵敏度。

4.本发明的电阻式柔性三维力传感器的表面凸起设计可以使传感器对微小振动感知更加灵敏。

附图说明

图1为本发明中电阻式柔性三维力传感器的结构分层示意图；

其中，1-下柔性衬底；2-下电极板；3-敏感单元；4-圆柱体支撑柱；5-上电极板；6-上柔性衬底；7-表面凸起层；

图2为本发明中上、下电极板层结构示意图；

其中，图(a)为下电极板层的示意图；图(b)为上电极板层的透视示意图；图(c)为上、下电极板层在封装时的相对位置关系的俯视示意图；

图3是本发明中敏感单元的示意图；

图4是本发明中上下电极板层和敏感单元层的俯视透视图

图5是本发明中表面凸起层的结构示意图；

图6是本发明中表面凸起层相对于上下电极板与圆柱体支撑柱的位置关系俯视透视图；

图7是本发明中电阻式柔性三维力传感器的工作原理示意图；

其中，图(a)为未加载力时的传感器示意图；图(b)为加载法向力时的传感器示意图；图(c)为加载切向力时的传感器示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

如图1所示，一种基于弹簧状敏感单元的电阻式柔性三维力传感器从下至上依次由下电极板层、敏感单元层、上电极板层以及表面凸起层7构成。

其中，如图2(a)所示，下电极板层从下至上包括下柔性衬底1和下电极板2，如图2(b)所示，上电极板层从下至上包括上电极板5和上柔性衬底6；如图2(c)所示，反映了电阻式柔性三维力传感器的上、下电极板分布情况；上电极板5和下电极板2结构相同，均包括2×2排列的四块正方形结构，且每个正方形结构都通过导线引出，上电极板中的正方形结构与下电极板中的正方形结构在法向投影重合；

具体地，上、下柔性衬底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯材质。

如图3所示，敏感单元层包括四个2×2排列的四个敏感单元3，每个敏感单元3包括一个弹簧状结构和圆柱体支撑柱4，采用直写式3D打印技术将弹簧状结构打印在圆柱体支撑柱4表面，四个敏感单元3的上、下两端通过导电银胶分别与上、下电极板中的四个正方形结构对应粘合，形成电气相通；如图4所示，每个敏感单元3的中心与对应的正方形结构中心在法向投影上重合；弹簧状结构均可根据需要调节其尺寸和间距等参数，以调节传感器的灵敏度和测量范围。

具体地，敏感单元3中的弹簧状结构是由聚二甲基硅氧烷和炭黑混合而成，聚二甲基硅氧烷中聚二甲基硅氧烷原液与固化剂的质量比为7.5:1～20:1，聚二甲基硅氧烷与炭黑的质量比为10:1～28:1，根据实际需要进行选取；弹簧状结构的螺距为0.1～1.5mm，根据实际需要进行选取。此结构可以敏感的感知微小力，具有良好的压缩和拉伸性能。

具体地，电极板相对于敏感单元3沿水平四个方向(即沿着﹢x、﹣x、﹢y、﹣y方向)均设有一定的面积余量；例如，敏感单元围成的圆柱体直径为1mm，电极板中四个正方形结构边长为1.5mm，便于弹簧状结构与上、下电机连接，形成电气相通。

具体地，圆柱体支撑柱4是通过在模具中灌入配比为15:1的聚二甲基硅氧烷原液与固化剂制备而成，圆柱体的直径为1mm，高度为2mm。

如图5所示，表面凸起层7为正四棱台结构，其下底面呈正方形，且仅覆盖四个电极板；如图6所示，表面凸起层7的中心分别和上、下电极板的中心在法向投影上重合；表面凸起层7用于放大微小力使敏感单元形变量变大

具体地，本实施例中设置四棱台的高度为1.5mm，该设计在将传感器阵列化时可以在一定程度上减少相邻传感器间的干扰，并且能增加传感器对微小力的感知能力，有利于实际应用；表面凸起层材料采用聚二甲基硅氧烷，在制备时，聚二甲基硅氧烷原液与固化剂的质量比为8:1。

上电极板5中的四个正方形结构分别与四个敏感单元以及下电极板中的四个正方形结构构成四个电阻单元R11、R12、R21、R22。

如图7所示，反映了本发明中电阻式柔性三维力传感器的工作原理。任意一个三维力可分解为一个法向分量和两个互相垂直的切向分量。图7(a)表示未加载力时的传感器状态。如图7(b)所示，当在表面凸起上加载法向力时，圆柱体支撑柱被压缩，使得呈弹簧状结构的敏感单元受压，根据导电通路理论与量子隧道效应理论，传感器的四个电阻的值增加，且由于结构的对称性，电阻值增加量相同。如图7(c)所示，当在表面凸起层上加载切向力时，圆柱体支撑柱沿着力加载方向发生不同的变化：靠近施力一侧的圆柱体支撑柱发生拉伸，使得处于该侧的两个输出电阻减小，而远离施力一侧的圆柱体支撑柱发生压缩，使得处于该侧的两个电阻增加。具体地，当加载+x方向的切向力时，R11、R21对应的圆柱体支撑柱被拉伸，电阻值随之增大，R12、R22对应的圆柱体支撑柱被压缩，电阻值随之减小；当加载-x方向的切向力时，R11、R21对应的圆柱体支撑柱被压缩，电阻值随之减小，R12、R22对应的圆柱体支撑柱被拉伸，电阻值随之增大；当加载+y方向的切向力时，R11、R12对应的圆柱体支撑柱被压缩，电阻值随之减小，R21、R22对应的圆柱体支撑柱被拉伸，电阻值随之增大；当加载-y方向的切向力时，R11、R12对应的圆柱体支撑柱被拉伸，电阻值随之增大，R21、R22对应的圆柱体支撑柱被压缩，电阻值随之减小。采用一个简单的运放电路，R11～R22电阻值的变化ΔR1～ΔR4可以通过测量力传感单元上电压信号的变化ΔVR1～ΔVR4获得，而电压信号的变化ΔVR1～ΔVR4与压力有良好的线性关系，因此，x、y、z方向上的力Fx、Fy、Fz可以通过如下线性变换关系得到：

其中，Fx、Fy、Fz分别是力F在x,y,z轴上的分力，A_{i j}为第i行第j列的变换系数，ΔVR1～ΔVR4分别为四个敏感单元的电压信号的变化值。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于弹簧状敏感单元的电阻式柔性三维力传感器，其特征在于，从下至上依次由下电极板层、敏感单元层、上电极板层以及表面凸起层构成；

所述下电极板层从下至上包括下柔性衬底和下电极板，所述上电极板层从下至上包括上电极板和上柔性衬底；所述上电极板和下电极板均包括2×2排列的四块正方形结构，每个正方形结构均通过导线引出，上电极板中的正方形结构与下电极板中的正方形结构在法向投影重合；

所述敏感单元层包括2×2排列的四个敏感单元，每个敏感单元包括一个弹簧状结构和圆柱体支撑柱，所述弹簧状结构粘附在圆柱体支撑柱表面，四个敏感单元的上、下两端通过导电银胶分别与上、下电极板中的四个正方形结构对应粘合，每个敏感单元的中心与对应的正方形结构的中心在法向投影重合；

所述表面凸起层为正四棱台结构，其中心与上、下电极板的中心在法向投影重合；

所述敏感单元中的弹簧状结构是由聚二甲基硅氧烷和炭黑混合而成，聚二甲基硅氧烷中聚二甲基硅氧烷原液与固化剂的质量比为7.5:1～20:1，聚二甲基硅氧烷与炭黑的质量比为10:1～28:1；所述敏感单元中弹簧状结构的螺距为0.1～1.5mm；

上电极板中的四个正方形结构分别与四个敏感单元以及下电极板中的四个正方形结构构成四个电阻单元R11、R12、R21、R22；当在表面凸起上加载法向力时，圆柱体支撑柱被压缩，使得呈弹簧状结构的敏感单元受压，根据导电通路理论与量子隧道效应理论，传感器的四个电阻的值增加，且由于结构的对称性，电阻值增加量相同；当在表面凸起层上加载切向力时，圆柱体支撑柱沿着力加载方向发生不同的变化：靠近施力一侧的圆柱体支撑柱发生拉伸，使得处于该侧的两个输出电阻减小，而远离施力一侧的圆柱体支撑柱发生压缩，使得处于该侧的两个电阻增加。

2.根据权利要求1所述的一种基于弹簧状敏感单元的电阻式柔性三维力传感器，其特征在于，所述上、下柔性衬底采用聚对苯二甲酸乙二醇酯材质。

3.根据权利要求1所述的一种基于弹簧状敏感单元的电阻式柔性三维力传感器，其特征在于，所述圆柱体支撑柱采用聚二甲基硅氧烷，在制备时聚二甲基硅氧烷原液与固化剂的质量比为10:1～28:1，圆柱体的高度为1mm～10mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于弹簧状敏感单元的电阻式柔性三维力传感器，其特征在于，所述表面凸起层材料采用聚二甲基硅氧烷，在制备时，聚二甲基硅氧烷原液与固化剂的质量比为8:1。