[實用新型]一種柔性壓電式的三維觸覺傳感器陣列

有效

• 申請號: 201821843012.0
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN209117220U
• 公開（公告）日: 2019-07-16
• 發明（設計）人: 劉玉榮;林峰;姚若河;耿魁偉
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01L1/16
• 分類號: G01L1/16;G01D5/12
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 李斌

本實用新型公開了一種柔性壓電式的三維觸覺傳感器陣列，其結構包括從上至下依次連接的PDMS半球形凸起層、上電極層、納米結構壓電薄膜層、下電極層、印刷電路板柔性基底層；所述納米結構壓電薄膜層為ZnO納米線壓電敏感膜，且位于呈陣列圖案化分布的上下電極層之間，形成多個壓電敏感單元；所述三維觸覺傳感器陣列由M×N個相互分離的傳感器單元構成，每個傳感器單元含一個PDMS半球形凸起和三個壓電敏感電容，PDMS半球形凸起將三維接觸力傳遞至三個壓電敏感電容，通過三個壓電敏感電容產生電荷的大小以測量外界三維接觸力。本實用新型具有三維接觸力測量、高靈敏度、高柔韌性、動態響應好的優點。

技術領域

本實用新型屬于觸覺傳感器技術領域，具體涉及一種柔性壓電式的三維觸覺傳感器陣列。

背景技術

觸覺是機器人獲取環境信息的一種僅次于視覺的重要知覺形式，廣義的觸覺包括接觸覺、壓覺、力覺、滑覺、冷熱覺等，狹義的說它是機械手與對象接觸面上的力感覺。現今，由于觸覺傳感器可以探測或感知到機器人與對象、環境相互作用時的一系列物理特征量的細小變化，不僅可以獲取機器人的手與物體的接觸位置以及接觸力的分布函數，而且可以獲取視覺無法獲取的物體信息，如震動特性、熱傳遞特性、機械特性等，觸覺傳感器在人工假肢，機器皮膚，觸摸屏，可穿戴電子器件等方面展現出巨大的應用前景。兼有柔性和三維力檢測功能的柔性觸覺傳感器在體育運動、醫療和生物力學等研究領域中具有廣泛的應用前景。

在過去的幾十年內，人們運用各種新型的敏感材料、新的敏感機理、新的器件結構等模仿觸覺，有效提升其敏感特性，擴展其應用領域，并推動觸覺傳感技術的研究取得了長足的進步。觸覺傳感器按工作機理不同主要分為五種類型，包括電容式、壓阻式、壓電式、光學和摩擦電式觸覺傳感器。壓電式觸覺傳感器利用敏感材料的壓電效應，當外力作用于敏感材料時，發生結構形變，引起其表面上出現正負束縛電荷，從而感知外部壓力信息。與壓阻式、電容式觸覺傳感器相比，壓電式觸覺傳感器具有較高的靈敏度、動態響應、低能耗和自供能等優勢，且其性能與接觸對象無關，在發展快速動態響應、低能耗、自供能的柔性觸覺傳感器方面具有重要價值，可廣泛應用于人機交互、機器人、生物醫學器件等領域。

目前，三維觸覺傳感器主要以基于壓阻式和電容式為主。硅壓阻式三維觸覺傳感器具有性能穩定、接口簡單、易集成等優勢，但其易脆性使之與柔性可穿戴應用不匹配。導電橡膠型壓阻式三維觸覺傳感器和柔性電容式三維觸覺傳感器雖具有柔性可彎曲的特點，但其動態性能不好，無法對接觸及滑移信號實現快速響應。為解決這些問題，有必要研究一種基于壓電式的柔性三維觸覺傳感陣列，通過其快速響應的特點，實現接觸及滑移狀態的快速判斷。然而，現有的柔性壓電式觸覺傳感器大都采用聚偏氟乙烯(PVDF)或聚偏氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)充當壓電敏感材料。然而，與無機壓電材料相比，基于有機壓電材料的觸覺傳感器雖柔韌性好，但其低的壓電系數導致低靈敏度。因此，如何解決柔性壓電式觸覺傳感器高柔韌性和高靈敏度之間矛盾，開發兼具高柔韌性、高靈敏度、易大面積制作、低成本加工等一直學界和產業界關注的熱點。

實用新型內容

本實用新型的目的在于克服現有技術中的缺點與不足，提供一種柔性壓電式的三維觸覺傳感器陣列，通過采用無機納米壓電材料充當壓電敏感層，以解決現有柔性觸覺傳感器不能兼高柔韌性和高靈敏性的問題；通過半球形凸起和三個壓電敏感元件組成一個傳感器陣列單元，并采用簡單的制備工藝，從而實現一種兼具高靈敏度和高柔性三維觸覺傳感器陣列。

為實現以上目的，本實用新型采取如下技術方案：

一種柔性壓電式的三維觸覺傳感器陣列，其結構包括：從上至下依次連接的半球形凸起層1、上電極層2、納米結構壓電薄膜層3、下電極層5、以及柔性印刷電路板基底層6；所述三維觸覺傳感器陣列由M×N個相互分離的三維觸覺傳感器單元構成；