基于压阻式和电容式组合的仿生柔性触觉传感阵列

摘要

本发明公开了一种基于压阻式和电容式组合的仿生柔性触觉传感阵列。仿生柔性触觉传感阵列从下至上依次由柔性基底层、电容层、压阻层和表面封装层构成。在传感阵列中同时集成了基于压阻式和电容式两种触觉力敏感构件，压阻式力敏感层层叠在电容式力敏感层上，压阻层空间分辨率为1mm，电容层空间分辨率为2mm。压阻式力敏感层电路为矩阵电路，矩阵电路每个节点上为半月形电极与条形电极，两个电极之间通过PDMS导电橡胶相连。电容式力敏感层电路为矩阵电路，矩阵电路的下层构成电容下极板，上层构成电容上极板，两极板间为具有表面图案的PDMS介电层。压阻层与电容层分别承担静态力与瞬变力的测量，能提高仿生触觉传感阵列的综合性能。

权利要求

1.一种基于压阻式和电容式组合的仿生柔性触觉传感阵列，其特征在于：仿生柔性触觉传感阵列从下至上依次由柔性基底层(1)、电容层(2)、压阻层(3)和表面封装层(4)，四层结构层叠在一起构成；其每层的结构如下：(a) 柔性基底层(1)：从下至上依次由硅片(5)、PDMS柔性基底(6)和PDMS导电橡胶屏蔽层(7)叠在一起构成；

(b)电容层(2)：从下至上依次由其上表面附有Ti/Au电容下电极(9)的第一PI电极衬底(8)、其上表面经图案化为四棱锥小区域(22)的四棱锥介电层(10)和其上表面附有Ti/Au电容上层电极板(12)的第二PI电极衬底(12)叠在一起构成；Ti/Au电容上层电极板(12)电极与Ti/Au电容下电极板(9)电极成正交方向排列，每对相对的Ti/Au电容上、下极板间形成一个电容，每个电容之间均有作为电容介电层的四棱锥小区域(22)，每个电容为一个传感单元，所有电容传感单元形成电容阵列；

(c)压阻层(3)：从下至上依次由PDMS导电橡胶屏蔽层(13)、其上表面附有呈条形分布Ti/Au压阻层下层电极(15)的第三PI电极衬底(14)、其上表面附有相间组成的半月形电极(18)阵列和条形电极(17)阵列的带通孔第四PI电极衬底(16)、半球形导电橡胶层(19)和PDMS保护层(20) 叠在一起构成；半月形电极(18)通过第四PI电极衬底(16)上的PI通孔(21)跟Ti/Au压阻层下层电极(15)电气连通；半球形导电橡胶层(19)上的半球形导电橡胶分别覆盖在各自的半月形电极(18)及条形电极(17)上，使每列条形电极(17)均与各自的半月形电极(18)电气连通；半球形导电橡胶层(19)中的每个导电橡胶为一个传感单元，所有的半球形导电橡胶形成压阻式导电橡胶阵列；

(d) 表面封装层(4)：是上表面为PDMS微型凸台(23)并用PDMS制作成的一层图案化薄膜。

2.根据权利要求1所述的一种基于压阻式和电容式组合的仿生柔性触觉传感阵列，其特征在于：所述的电容层(2)与压阻层(3)空间分辨率之比为2:1，即在相同面积下，电容层的传感单元数量与压阻层传感单元数量之比为1:4。

3.根据权利要求1所述的一种基于压阻式和电容式组合的仿生柔性触觉传感阵列，其特征在于：所述压阻层(3)中的第四PI电极衬底(16)上附着了半月形电极(18)与条形电极(17)的组合。

说明书

基于压阻式和电容式组合的仿生柔性触觉传感阵列

技术领域

[0001] 本发明涉及一种仿生柔性触觉传感阵列，尤其是涉及一种基于压阻式和电容式组合的仿生柔性触觉传感阵列。技术背景

[0002] 皮肤是人体最大的器官，面积约为1.2~2 m2，约占体重的16%，由皮下组织、真皮和表皮构成。皮下组织位于真皮下方，与肌膜等组织相连，由大量的脂肪细胞和粗大结缔组织纤维束组成；真皮位于表皮层下方，由胶原纤维、弹力纤维、网状纤维和基质、细胞等组成；表皮位于皮肤的外面，为角化的复层扁平上皮，绝大部分是角质形成细胞。可以看出，皮肤是一个由多层组织结构、多组成成分构成的复杂系统，其生物力学性能主要是由真皮中胶原纤维和弹性纤维的组织结构以及水分和蛋白质的含量等决定。

[0003] 人体皮肤中具有四种机械刺激感知器，分别为梅克尔触盘（Merkel Disk）、梅氏小体（Meissner’s Corpusde）、拉菲尼小体（Ruffini Ending）、环层小体（Pacinian Corpusde）。这四种机械刺激感知细胞对不同种类的力敏感，梅克尔触盘和梅氏小体位于真皮层浅层，分别对静态力与瞬变力敏感；拉菲尼小体位于真皮层中较深的地方，只对平行于皮肤的切向力敏感；环层小体位于真皮层的深层，对瞬变力与振动非常敏感，其对瞬变力与振动敏感的程度高于梅氏小体。并且这四种机械刺激感知细胞的分布密度并不一样，它们的分布密度关系由大到小分别为：梅氏小体、梅克尔触盘、拉菲尼小体、环层小体。

[0004] 生机电一体化的人工假肢能使截肢患者实现日常生活的自理，为了使人工假肢具有与外界很好的交互能力，必须实现感知功能的重塑。感知功能包括触觉、温度感知、痛觉等等。其中触觉是人体与外界环境接触时的重要感觉，是多种感觉的综合，包括轻触觉、压觉、振动觉等丰富的感知信息。如能把触觉信息进行准确的还原，让人工假肢具有“感觉”，这将是人体运动功能重建的一大进步。

[0005] 此外，随着机器人技术的发展，触觉感知是实现其智能化的基础。机器人的触觉感知是通过触觉敏感构件来识别目标物体或对象的多种物理信息，如接触力的大小、柔软性、硬度、弹性、粗糙度、材质等。近年来，“机器人柔性触觉敏感皮肤”已成为智能机器人触觉传感技术领域新的研究热点，具有感知

[0006] 功能的机器人柔性触觉敏感皮肤可以增强其在各种环境下完成精细、复杂作业的能力，提高机器人系统的作业水平和智能化水平，对高级服务机器人、空间机器人以及危险环境下的精密操作微驱动机器人等都将产生重要的影响。

[0007] 在生物医疗中，外科手术机器人已能完成人体心脏和脑部等重要器官的外科手术。但外科手术机器人系统除了具有显微放大与视觉监控外，对多维接触力信息的检测与感知的需求也日益增大。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于提供一种基于压阻式和电容式组合的仿生柔性触觉传感阵列，具有静态性与动态性俱佳的特点。

[0009] 本发明采用的技术方案是：

[0010] 本发明的仿生柔性触觉传感阵列从下至上依次由柔性基底层、电容层、压阻层和表面封装层，四层结构层叠在一起构成；其每层的结构如下：

[0011] (a) 柔性基底层：从下至上依次由硅片、PDMS（聚二甲基硅氧烷）柔性基底和PDMS导电橡胶屏蔽层叠在一起构成；

[0012] (b)电容层：从下至上依次由其上表面附有Ti/Au电容下电极的第一PI电极衬底、其上表面经图案化为四棱锥小区域的四棱锥介电层和其上表面附有Ti/Au电容上层电极板的第二PI电极衬底叠在一起构成，Ti/Au电容上层电极板电极与Ti/Au电容下电极板电极成正交方向排列，每对相对的Ti/Au电容上、下极板间形成一个电容，每个电容之间均有作为电容介电层的四棱锥小区域，每个电容为一个传感单元，所有电容传感单元形成电容阵列；

[0013] (c)压阻层：从下至上依次由PDMS导电橡胶屏蔽层、其上表面附有呈条形分布Ti/Au压阻层下层电极的第三PI电极衬底、半球形导电橡胶层、其上表面附有相间组成的半月形电极阵列和条形电极阵列的带通孔第四PI电极衬底和PDMS保护层叠在一起构成；半月形电极通过第四PI电极衬底上的PI通孔跟Ti/Au压阻层下层电极电气连通；半球形导电橡胶层上的半球形导电橡胶分别覆盖在各自的半月形电极及条形电极上，使每列条形电极均与各自的半月形电极电气连通；半球形导电橡胶层中的每个导电橡胶为一个传感单元，所有的半球形导电橡胶形成压阻式导电橡胶阵列；

[0014] (d)表面封装层：是上表面为PDMS微型凸台并用PDMS制作成的一层图案化薄膜。

[0015] 所述的电容层与压阻层空间分辨率之比为2:1，即在相同面积下电容层的传感单元数量与压阻层传感单元数量之比为1:4。

[0016] 所述压阻层中的第四PI电极衬底上附着了半月形电极与条形电极的组合。

[0017] 本发明具有的有益效果是：

[0018] (1)基于简约化设计的理念，本发明选择了感知细胞环层小体以及梅克尔触盘作为仿生对象。电容层主要模仿的是人体皮肤中的环层小体，这种感知细胞是人体皮肤中对瞬变力及振动最敏感的细胞；而导电橡胶压阻层主要模仿的是梅克尔触盘，其特征是对静态力敏感而对瞬变力不敏感。本触觉传感阵列把适合于测量静态力的压阻式导电橡胶，与适合于测量瞬变力及微小振动的电容集成在一个触觉传感阵列中，能满足静态力与瞬变力的测量要求，具有良好的综合性能。

[0019] (2)本仿生触觉传感阵列的制造过程中使用了微接触印刷技术，微接触印刷技术在印刷微小金属电路以及制造微纳三维结构上有其独特的优势，能实现大面积高效率的生产，且能用于印刷曲面上的电路。

[0020] (3)模仿感知细胞环层小体以及梅克尔触盘的分布密度和分布深度，把电容层置于压阻层的下面，且电容层的空间分辨率与压阻层的空间分辨率之比为1:2，这样的设计更能发挥仿生学的优势，为触觉传感阵列的优化提供指导。

[0021] (4)使用了微接触印刷的方法在电容层的PDMS介电层表面制造了表面图案，使电容的形变能力大大增强，增强其敏感程度。

[0022] (5)该柔性触觉传感阵列的压阻层与电容层采用分离电路控制，能减小干扰，并且电容层被PDMS导电橡胶屏蔽层包围，能最大限度地减小压阻层以及外界对其的干扰。

附图说明

[0023] 图1是本发明分层结构拆分立体图；

[0024] 图2是本发明带硅基底的柔性基底层剖面图；

[0025] 图3是本发明电容层分层结构拆分立体图；

[0026] 图4是本发明压阻层分层结构拆分立体图；

[0027] 图5是本发明压阻层上层电极PI衬底平面图；

[0028] 图6是本发明压阻层上层电极层平面图；

[0029] 图7是本发明PDMS半球状导电橡胶安装结构示意图；

[0030] 图8是本发明表面封装平面图；

[0031] 图9是本发明的柔性触觉传感阵列立体图。

[0032] 图中：1、柔性基底层，2、电容层，3、压阻层，4、表面封装层，5、硅片，6、PDMS柔性基底，7、PDMS导电橡胶屏蔽层，8、第一PI电极衬底，9、Ti/Au电容下极板，10、四棱锥介电层，11、第二PI电极衬底，12、Ti/Au电容上极板，13、PDMS导电橡胶屏蔽层，14、第三PI电极衬底，15、Ti/Au压阻层下层电极，16、第四PI电极衬底，17、条形电极，18、半月形电极，19、半球形导电橡胶层，20、PDMS保护层，21、PI通孔，22、四棱锥小区域，23、表层PDMS微凸台。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0034] 如图1所示，是本发明的分层结构拆分立体图，仿生柔性触觉传感阵列从下至上依次由柔性基底层1、电容层2、压阻层3和表面封装层4，四层结构层叠在一起构成；其每层的结构如下：

[0035] (a) 如图2所示柔性基底层1：从下至上依次由硅片5、PDMS柔性基底6和PDMS导电橡胶屏蔽层7叠在一起构成。

[0036] (b) 如图3所示电容层2：从下至上依次由其上表面附有Ti/Au电容下电极9的第一PI电极衬底8、其上表面经图案化为四棱锥小区域22的四棱锥介电层10和其上表面附有Ti/Au电容上层电极板12的第二PI电极衬底12叠在一起构成；Ti/Au电容上层电极板12电极与Ti/Au电容下电极板9电极成正交方向排列，每对相对的Ti/Au电容上、下极板间形成一个电容，每个电容之间均有作为电容介电层的四棱锥小区域22，每个电容为一个传感单元，所有电容传感单元形成电容阵列。

[0037] (c) 如图4所示压阻层3：从下至上依次由PDMS导电橡胶屏蔽层13、其上表面附有呈条形分布Ti/Au压阻层下层电极15的第三PI电极衬底14、半球形导电橡胶层19、其上表面附有相间组成的半月形电极18阵列和条形电极17阵列（如图6所示）的带通孔第四PI电极衬底16（如图5所示）和PDMS保护层20叠在一起构成；半月形电极18通过第四PI电极衬底16上的PI通孔21跟Ti/Au压阻层下层电极15电气连通；如图7所示，半球形导电橡胶层19上的半球形导电橡胶分别覆盖在各自的半月形电极18及条形电极17上，使每列条形电极17均与各自的半月形电极18电气连通；半球形导电橡胶层19中的每个导电橡胶为一个传感单元，所有的半球形导电橡胶形成压阻式导电橡胶阵列。

[0038] (d) 如图8所示表面封装层4：是上表面为PDMS微型凸台23并用PDMS制作成的一层图案化薄膜。

[0039] 所述的电容层2与压阻层3空间分辨率之比为2:1，即在相同面积下，电容层的传感单元数量与压阻层传感单元数量之比为1:4。

[0040] 所述压阻层3中的第四PI电极衬底16上附着了半月形电极18与条形电极17的组合。

[0041] 本发明的传感阵列为总厚度约为0.5mm、边长为10mm的矩形，其中电容层包含敏感单元5×5个，压阻层包含敏感单元10×10个，即电容层空间分辨率为2mm，压阻层空间分辨率为1mm，此分辨率已完全能满足人工假肢的仿生皮肤要求。完成该压阻式和电容式组合仿生柔性触觉传感阵列的制作步骤如下：

[0042] （1）准备普通单抛硅片5作为柔性器件的刚性载体；将Sylgard 184 PDMS预聚物与固化剂以10:1（质量比）混合、搅匀、抽真空去除气泡，用旋涂的方法在刚性硅片5上涂覆50μm的PDMS柔性基底6，用热板或加热炉保温固化。

[0043] （2）将Sylgard 184 PDMS预聚物与固化剂按一定比例混合，添加纳米导电颗粒，混合、搅匀、抽真空去除气泡，用旋涂的方法在PDMS柔性基底6上涂覆10μm的上述的带导电颗粒的PDMS，用热板或加热炉保温固化形成导电橡胶屏蔽层7。

[0044] （3）在导电橡胶屏蔽层7上旋涂一层厚10μm的第一PI电极衬底8，用热板或加热炉保温固化；在第一PI电极衬底8上沉积10nm的Ti和200nm的Au，运用基于PDMS软印章的微接触印刷方法制造Ti/Au电容下极板9；然后在电极上旋涂一层厚度为4μm的PI作为保护层，用热板或加热炉保温固化。

[0045] （4）在与四棱锥介电层10互补的硅模具上浇上PDMS溶液，把硅片5连带整个传感阵列反过来倒扣在硅模具上，施加一定的压力并用加热炉保温固化，然后剥离，形成四棱锥介电层10的结构。

[0046] （5）先在另一块新的硅片上旋涂一层厚度为10μm的第二PI电极衬底11，用热板或加热炉保温固化后剥离硅片，对第二PI电极衬底11表面进行氧等离子活化处理，然后覆盖在四棱锥介电层10上，作为Ti/Au电容上极板12的支撑。

[0047] （6）在第二PI电极衬底11上沉积10nm的Ti和200nm的Au，运用基于PDMS软印章的微接触印刷方法制造Ti/Au电容上极板12；然后在电极上旋涂一层厚度为4μm的PI作为保护层。

[0048] （7）将Sylgard 184 PDMS预聚物与固化剂按一定比例混合，添加纳米导电颗粒，混合、搅匀、抽真空去除气泡，用旋涂的方法在第6步的PI保护层上涂覆10μm的上述的带导电颗粒的PDMS，用热板或加热炉保温固化形成导电橡胶屏蔽层13。

[0049] （8）在导电橡胶屏蔽层13上旋涂一层厚10μm的第三PI电极衬底14，用热板或加热炉保温固化；在第三PI电极衬底14上沉积10nm的Ti和200nm的Au，运用基于PDMS软印章的微接触印刷方法制造Ti/Au压阻层下层电极15。

[0050] （9）在Ti/Au压阻层下层电极15上旋涂一层4μm的第四PI电极衬底16，用热板或加热炉保温固化后用二氧化碳激光仪在第四PI电极衬底16上打PI通孔21，使得Ti/Au压阻层下层电极15的一部分（通孔部分）暴露出来。

[0051] （10）在第四PI电极衬底16上沉积10nm的Ti和200nm的Au，运用基于PDMS软印章的微接触印刷方法制造条形电极17和半月形电极18，其中半半月形电极18与Ti/Au压阻层下层电极15电气连通。

[0052] （11）将Sylgard 184 PDMS预聚物与固化剂按一定比例混合，添加纳米导电颗粒，配制成压力敏感的PDMS导电橡胶溶液；使用点胶机在条形电极17、半月形电极18上制造半球形的PDMS导电橡胶层19；进行用热板或加热炉保温固化。

[0053] （12）在半球形导电橡胶层19上浇铸PDMS溶液，把导电橡胶覆盖起来，厚度不能高过导电橡胶顶端4μm。为了达到这个4μm的目标，可以在浇铸PDMS溶液的时候不完全覆盖导电橡胶，等浇铸部分用热板或加热炉保温固化之后再用旋涂的方法继续往上覆盖PDMS，通过控制匀胶机的旋转速度精确控制PDMS的高度，最终形成PDMS保护层20。

[0054] （13）在硅模具上做出带有凹洞的结构，在上面浇铸PDMS溶液，用热板或加热炉保温固化后剥离，制成带有表层PDMS微凸台23的PDMS表面封装4，对PDMS表面封装4下表面进行氧等离子活化后粘在PDMS保护层20上。

[0055] 只要把传感阵列从硅板5上剥离，整个传感阵列就制造完成了，如图9所示。这样，制造出来的传感阵列具有良好的静动态性能，无论是对于瞬间的触碰还是持续受力的挤压，传感阵列均能良好地获取触觉信息。