[發明專利]基于石墨烯泡沫的三維力傳感器

有效

• 申請號: 201711200267.5
• 申請日: 2017-11-27
• 公開（公告）號: CN108007613B
• 公開（公告）日: 2019-08-23
• 發明（設計）人: 呂曉洲;楊嘉怡;李小平
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01L1/04
• 分類號: G01L1/04
• 代理公司: 西安知誠思邁知識產權代理事務所(普通合伙) 61237
• 代理人: 麥春明

本發明公開了一種基于石墨烯泡沫的三維力傳感器，包括大小相同、平行設置的頂層和底層，頂層和底層之間、頂層和底層的四角處均固定設有分隔柱，四個分隔柱構成支撐層；頂層和底層之間的中心位置設有三維移動單元，三維移動單元與頂層連接，三維移動單元的正下方設有正壓力石墨烯泡沫單元，正壓力石墨烯泡沫單元與底層連接，三維移動單元的水平方向四個面外側均設有側石墨烯泡沫單元，側石墨烯泡沫單元的外側設有側石墨烯支撐層，側石墨烯支撐層與底層連接，所述支撐層、側石墨烯支撐層、三維移動單元的材料均為超彈性材料。本發明具有較高的靈敏度與穩定性，能夠解耦三維力，測量單元間沒有串擾。

技術領域

本發明屬于電子器件技術領域，涉及一種基于石墨烯泡沫的三維力傳感器，用于測量仿生機器人與物體之間的三維力。

背景技術

壓力傳感器是利用壓敏材料受壓后的物理形變轉化為電信號的器件，被廣泛應用于醫學、機器人、航空航天和工業生產等領域。當一個壓力作用于物體表面時，在接觸面會受到來自物體內部大小相等方向相反的應力，稱為界面應力。這種壓力按照作用方向可分為兩種，與界面垂直的壓力稱為正壓力(常為一維，記Z向)，與界面平行的壓力稱為剪切力(常為二維，記X向和Y向)。在實際應用中，絕大部分壓力既不垂直于界面，也不平行于界面，而是同時耦合了Z向正壓力、X和Y向剪切力，稱為三維界面壓力。因此，通過三維力傳感器將這種三維界面壓力解耦成一維正壓力和二維剪切力后進行測量，具有極其重要的科學意義和迫切的實用價值。

三維力傳感器在多個領域具有廣泛的潛在應用前景。例如，在醫學工程領域，對于需要使用假肢行走的截肢患者而言，假肢的好壞直接影響到他們的生活，獲得良好的舒適性與移動性是眾多醫生和科研工作者所追求的目標，為了幫助患者改善舒適性，研究截肢表面與假肢接口之間的三維界面應力分布對于改善舒適性具有至關重要的作用。又如，在醫學工程領域，足底三維力的測量被認為是研究步態的關鍵技術，為糖尿病和拇外翻等疾病提供重要的參考數據。再如，在機器人領域，機器人手在實現“抓”和“握”等功能時更是需要三維力的測量。因此，三維力傳感器在醫學、機器人和工業等多個領域具有廣泛的應用前景。

目前三維力傳感器的研究主要有：1.基于壓阻材料的三維力傳感器，如現有技術1(申請號：200410065900.0，名稱：柔性三維力觸覺傳感器，公開日：2006.7.5)由壓敏電阻、處理電路、彈性基底、三維力敏感陣列、柔性填充材料、柔性電路板、彈性保護層構成，能夠測量X軸、Y軸、Z軸的受力，但傳感器無法解耦三維力，傳感器會出現較大誤差。現有技術2(申請號：201210193314.9，名稱：仿人型機器人多指手柔性三維力觸覺傳感器及其三維力，公開日：2012.10.3)由傳力半球層、上下柔性電極層、復合壓阻材料構成，能夠測量正壓力與剪切力，但當正壓力與剪切力同時作用在傳感器時，傳感器無法解耦三維力，傳感器會出現較大誤差。2.基于電容的三維力傳感器，如現有技術3(申請號：201210501846.4，名稱：三維界面應力傳感器，公開日：2013.3.20)公開的傳感器包括驅動電極、中間層、感應電極，能夠通過電容的變化測量三維力的大小，但其易產生雜散電容與耦合電容，并且單元間的串擾會影響該傳感器測量結果，傳感器穩定性較差。又如現有技術4(申請號：201520560274.6，名稱：一種接觸式平行板三維力壓力傳感器，公開日：2015.11.11)公開的傳感器包括控制單元、各方向電容單元組，能夠測量三維力的大小，但其結構無法解耦三維力，且易產生雜散電容與感應電容，傳感器誤差較大、穩定性差。

由上述可見，壓阻式三維力傳感器具有較好的穩定性，但其結構并不能解耦三維力，傳感器誤差較大。電容式三維力傳感器具有較高的靈敏度、柔性與溫度獨立等優點被廣泛采用，但在實際應用中存在雜散電容與耦合電容，測量單元間存在串擾，嚴重影響測量結果，傳感器穩定性較差。

發明內容

為實現上述目的，本發明提供一種基于石墨烯泡沫的三維力傳感器，具有較高的靈敏度與穩定性，能夠解耦三維力，測量單元間沒有串擾，解決了現有技術中三維力傳感器測量誤差大、穩定性差的問題。