[實用新型]一種基于壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列

有效

• 申請號: 201220053801.0
• 申請日: 2012-02-20
• 公開（公告）號: CN202442824U
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 梁觀浩;梅德慶;汪延成;戴宇;陳子辰
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14;G01L1/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林懷禹

技術領域

本實用新型涉及一種仿生柔性觸覺傳感陣列，尤其是涉及一種基于壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列。

技術背景

皮膚是人體最大的器官，面積約為1.2~2?m²，約占體重的16%，由皮下組織、真皮和表皮構成。皮下組織位于真皮下方，與肌膜等組織相連，由大量的脂肪細胞和粗大結締組織纖維束組成；真皮位于表皮層下方，由膠原纖維、彈力纖維、網狀纖維和基質、細胞等組成；表皮位于皮膚的外面，為角化的復層扁平上皮，絕大部分是角質形成細胞。可以看出，皮膚是一個由多層組織結構、多組成成分構成的復雜系統，其生物力學性能主要是由真皮中膠原纖維和彈性纖維的組織結構以及水分和蛋白質的含量等決定。

人體皮膚中具有四種機械刺激感知器，分別為梅克爾觸盤（Merkel?Disk）、梅氏小體（Meissner’s?Corpusde）、拉菲尼小體（Ruffini?Ending）、環層小體（Pacinian?Corpusde）。這四種機械刺激感知細胞對不同種類的力敏感，梅克爾觸盤和梅氏小體位于真皮層淺層，分別對靜態力與瞬變力敏感；拉菲尼小體位于真皮層中較深的地方，只對平行于皮膚的切向力敏感；環層小體位于真皮層的深層，對瞬變力與振動非常敏感，其對瞬變力與振動敏感的程度高于梅氏小體。并且這四種機械刺激感知細胞的分布密度并不一樣，它們的分布密度關系由大到小分別為：梅氏小體、梅克爾觸盤、拉菲尼小體、環層小體。

生機電一體化的人工假肢能使截肢患者實現日常生活的自理，為了使人工假肢具有與外界很好的交互能力，必須實現感知功能的重塑。感知功能包括觸覺、溫度感知、痛覺等等。其中觸覺是人體與外界環境接觸時的重要感覺，是多種感覺的綜合，包括輕觸覺、壓覺、振動覺等豐富的感知信息。如能把觸覺信息進行準確的還原，讓人工假肢具有“感覺”，這將是人體運動功能重建的一大進步。?

此外，隨著機器人技術的發展，觸覺感知是實現其智能化的基礎。機器人的觸覺感知是通過觸覺敏感構件來識別目標物體或對象的多種物理信息，如接觸力的大小、柔軟性、硬度、彈性、粗糙度、材質等。近年來，“機器人柔性觸覺敏感皮膚”已成為智能機器人觸覺傳感技術領域新的研究熱點，具有感知

功能的機器人柔性觸覺敏感皮膚可以增強其在各種環境下完成精細、復雜作業的能力，提高機器人系統的作業水平和智能化水平，對高級服務機器人、空間機器人以及危險環境下的精密操作微驅動機器人等都將產生重要的影響。

在生物醫療中，外科手術機器人已能完成人體心臟和腦部等重要器官的外科手術。但外科手術機器人系統除了具有顯微放大與視覺監控外，對多維接觸力信息的檢測與感知的需求也日益增大。

發明內容

本實用新型的目的在于提供一種基于壓阻式和電容式組合的仿生柔性觸覺傳感陣列，具有靜態性與動態性俱佳的特點。

本實用新型采用的技術方案是：

本實用新型的仿生柔性觸覺傳感陣列從下至上依次由柔性基底層、電容層、壓阻層和表面封裝層，四層結構層疊在一起構成；其每層的結構如下：

(a)?柔性基底層：從下至上依次由硅片、PDMS（聚二甲基硅氧烷）柔性基底和PDMS導電橡膠屏蔽層疊在一起構成；

(b)電容層：從下至上依次由其上表面附有Ti/Au電容下電極的第一PI電極襯底、其上表面經圖案化為四棱錐小區域的四棱錐介電層和其上表面附有Ti/Au電容上層電極板的第二PI電極襯底疊在一起構成，Ti/Au電容上層電極板電極與Ti/Au電容下電極板電極成正交方向排列，每對相對的Ti/Au電容上、下極板間形成一個電容，每個電容之間均有作為電容介電層的四棱錐小區域，每個電容為一個傳感單元，所有電容傳感單元形成電容陣列；

(c)壓阻層：從下至上依次由PDMS導電橡膠屏蔽層、其上表面附有呈條形分布Ti/Au壓阻層下層電極的第三PI電極襯底、半球形導電橡膠層、其上表面附有相間組成的半月形電極陣列和條形電極陣列的帶通孔第四PI電極襯底和PDMS保護層疊在一起構成；半月形電極通過第四PI電極襯底上的PI通孔跟Ti/Au壓阻層下層電極電氣連通；半球形導電橡膠層上的半球形導電橡膠分別覆蓋在各自的半月形電極及條形電極上，使每列條形電極均與各自的半月形電極電氣連通；半球形導電橡膠層中的每個導電橡膠為一個傳感單元，所有的半球形導電橡膠形成壓阻式導電橡膠陣列；

?(d)表面封裝層：是上表面為PDMS微型凸臺并用PDMS制作成的一層圖案化薄膜。

所述的電容層與壓阻層空間分辨率之比為2:1，即在相同面積下電容層的傳感單元數量與壓阻層傳感單元數量之比為1:4。