[發明專利]一種基于壓電薄膜的柔性觸覺傳感器及其信號處理系統

有效

• 申請號: 201810856921.6
• 申請日: 2018-07-31
• 公開（公告）號: CN109141696B
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 曾濤;趙程;陳昊;李麗琛;付棲勇;張剛華;吳寒西子
• 申請（專利權）人: 上海材料研究所
• 主分類號: G01L1/16
• 分類號: G01L1/16
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 林君如

本發明涉及一種基于壓電薄膜的柔性觸覺傳感器及其信號處理系統，該柔性觸覺傳感器包括金屬基板以及從內到外依次設置于金屬基板兩面的壓電薄膜、柔性體和防護層，金屬基板的兩面均設置有金屬電極和凸起，柔性體設有齒狀結構層。與現有技術相比，本發明通過凸起在彈性的作用下使壓電薄膜不斷產生振動，傳感信號得到重復，通過柔性體的齒結構層使壓電薄膜可以第一時間接觸到傳感信號，降低了信號的滯后性，同時提高了感知功能，能夠準確的識別壓力大小與方位，量程0?1800kpa，涵蓋了人機交互的整個范圍，信號處理系統具有良好的穩定性與靈敏度，能夠為智能機器人提供及時、準確的外界觸覺和壓覺信息，對于智能機器人的研究具有重要意義。

技術領域

本發明涉及壓電式觸覺傳感器技術領域，尤其是涉及一種基于壓電薄膜的柔性觸覺傳感器及其信號處理系統。

背景技術

壓電材料是實現機械能與電能之間轉換的重要的功能材料。

常用的壓電陶瓷材料具有壓電性能優良、介電損耗低和機電藕合系數大等優點，被廣泛應用于壓電換能器、傳感器等方面。

基于壓電陶瓷的壓電薄膜擁有獨一無二的特性，作為一種動態應變傳感器，非常適合應用于人體皮膚表面或植入人體內部的生命信號監測。一些薄膜元件靈敏到足以隔著外套探測出人體脈搏。

當拉伸或彎曲一片壓電聚偏氟乙烯PVDF高分子膜(壓電薄膜)，薄膜上下電極表面之間就會產生一個電信號(電荷或電壓)，并且同拉伸或彎曲的形變成比例。一般的壓電材料都對壓力敏感，但對于壓電薄膜來說，在縱向施加一個很小的力時，橫向上會產生很大的應力，而如果對薄膜大面積施加同樣的力時，產生的應力會小很多。因此，壓電薄膜對動態應力非常敏感。

壓電薄膜很薄，質輕，非常柔軟，可以無源工作，因此可以廣泛應用于醫用傳感器，尤其是需要探測細微的信號時。顯然，該材料的特點在供電受限的情況下尤為突出，而且壓電薄膜極其耐用，可以經受數百萬次的彎曲和振動。

壓電薄膜之所以即能探測非常微小的物理信號又能感受到大幅度的活動，是因為PVDF膜的壓電響應在相當大的動態范圍內都是線性的多數情況下，只要能明顯區分目標信號和噪聲的帶寬，細小的目標信號都可以通過過濾器采集到。

目前現有的觸覺傳感器雖分辨率較高但量程普遍較小，僅能測量十幾牛甚至只是幾牛的壓力，壓覺傳感器能夠測量幾兆帕的壓力，但在小量程段測量精度不足。

觸覺傳感器有助于檢測材料質量和重建觸覺感知。從而，它可在未知環境中為精細操縱，路徑規劃和障礙物避免提供可靠數據。隨著人機交互的應用越來越多，觸覺傳感器需要具備較好的柔性。

目前研究出的柔性傳感器主要是基于柔性基底制備的，還不能完全像人類皮膚一樣彎曲及富有彈性。

目前市面上急需要根據觸壓覺傳感結構特點設計一種高效、可靠的傳感信號提取系統，消除各傳感單元間的交叉干擾，提高傳感信號的提取速率與穩定性。

最后是成本問題，低成本、耐磨損、具有高重復性和低滯后性的傳感器才能夠成功進入市場。

因此，針對上述缺陷，迫切需要尋找一種新的觸覺傳感器及其信號處理系統，以獲量程高、精度高、柔性好、低成本、耐磨損、具有高重復性和低滯后性的觸覺傳感器。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種量程高、精度高、柔性好、低成本、耐磨損、具有高重復性和低滯后性的基于壓電薄膜的柔性觸覺傳感器以及具有高效、可靠的信號處理系統。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基于壓電薄膜的柔性觸覺傳感器，包括金屬基板以及從內到外依次設置于金屬基板兩面的壓電薄膜、柔性體和防護層，金屬基板的兩面均設置有金屬電極和凸起。