[發明專利]柔性觸覺傳感器陣列及應用于其的陣列掃描系統

在審

• 申請號: 201910249814.1
• 申請日: 2019-03-29
• 公開（公告）號: CN110082010A
• 公開（公告）日: 2019-08-02
• 發明（設計）人: 薛寧;孫旭光;鄭帥康;王春凱;李彤;孫建海;劉春秀
• 申請（專利權）人: 中國科學院電子學研究所
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 張宇園

本發明公開了一種柔性觸覺傳感器陣列及應用于其的陣列掃描系統，其中，該傳感器陣列包括：凸起層，具有呈陣列排布的多個凸起；上電級層，具有多個電極，與凸起層相連；中間層，具有多個壓阻敏感單元，與上電極層相連，該壓阻敏感單元與各個所述凸起的每個邊緣一一對應；以及下電極層，具有多個電極，與中間層相連；其中，上電極層的各個電極及下電極層的各個電極與中間層的各個壓阻敏感單元為一一對應互連。本發明提出的該柔性觸覺傳感器陣列，制作工藝簡單可靠、成本低，同時克服了傳統硅基觸覺傳感器柔性較差的缺點，具有更高的靈敏度，響應時間短，能夠實現對接觸力的實時檢測以及反饋。

技術領域

本發明涉及柔性材料及傳感器領域，尤其涉及一種能夠實現三維力測 量的柔性觸覺傳感器陣列及應用于其的陣列掃描系統。

背景技術

近年來隨著柔性電子器件的發展，可穿戴式和柔性觸覺傳感器因其在 生理測量、機器人學、人機交互和可穿戴設備等多種應用領域的巨大潛力 而吸引了大量的研究。器件已經不僅僅具有彎曲的能力，各種能夠實現彎 曲，拉伸和扭轉的柔性電子器件被不斷的研發出來。研發柔性電子器件最 重要推動力之一就是因為人類以及其它生物體是柔性體、彈性體。柔性壓 力傳感器除了擁有剛性壓力傳感器的特點，同時具備著很好的柔韌性，能 夠隨意卷曲或是彎折，它可以檢測任意兩個柔性接觸面或者剛性與柔性兩 個接觸面之間表面作用力的分布，一般為柔軟的平面結構。它可以應用于 檢測接觸面形狀復雜的零件，能滿足無損檢測、醫療機械、交通安全、機 器人等領域中特殊應用要求。

與具有高硬度的硅基材料相比，柔性材料由于具有良好的附著性、拉 伸性和柔韌性，更適合用于仿生觸覺傳感器的制造。目前已經有大量的柔 性材料被應用到觸覺傳感器中，如聚乙烯(PE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、 聚氨酯(PU)和聚酰亞胺(PI)。觸覺傳感器的工作原理主要包括壓阻式、 電容式、壓電式和光學式。其中，壓阻式觸覺傳感器由于其制造工藝簡單 可靠、成本低廉得到了廣泛的應用并且具有廣闊的應用前景。目前，大量 的導電納米材料和納米復合材料已被證明具有壓阻特性，如碳納米管 (CNT)、炭黑、石墨烯、納米線和金屬顆粒等，這些材料通過與不同的 彈性膠體混合得到的聚合物能夠兼具導電和彈性的特性即具有壓阻特性。 其中碳納米管和聚合物結合的納米復合材料表現出良好的壓阻效應。碳納 米管的超高寬高比和良好的軸向導電性可以大大降低導電材料的消耗，并 且使聚合物本身的力學性能保持不變。此外，碳納米管具有較高的機械強 度，在外力的反復作用下依然能夠保持性能穩定，使得傳感器能夠表現出 良好的穩定性和可重復性。

除了導電材料或復合材料，壓阻式傳感元件的結構也是決定傳感器性 能的重要因素。不同的結構表現出不同的彈性模量，在實際應用中也會表 現為不同的靈敏度等物理特性。目前，許多微結構已被用于實現高靈敏度， 包括多孔結構、金字塔結構、微柱結構、海綿結構和空心圓柱結構等。但 是具有上述結構的傳感器在制造上成本較高并且工藝復雜。此外，日常生 活中的實際接觸力通常是包括側向力和滑動力的三維空間力，但大多數現有的觸覺傳感器只能在沒有切向力信息的情況下測量正常壓力，從而限制 了接收到的觸覺信息。因此，在仿生和多場景應用中，敏感地檢測三維接 觸力的觸覺傳感器是非常必要的。

現有技術中具有一種采用多壁-碳納米管(MWCNT)薄膜層和聚二甲 基硅氧烷(PDMS)金字塔微結構的觸覺壓力傳感器，此傳感器有很高的 靈敏度和穩定性，能夠在200ms時間內完成對外力的檢測。通過金字塔形 式的微小結構和圖形化的電極，壓阻導電層可以近似看成是諸多可變電阻 的并聯，同時微結構的存在又能充分利用PDMS材料優良的彈性，使傳感 器具有很好的動態響應。但是他們的傳感器結構單一無法形成陣列使用，同時只能夠檢測正向的壓力，無法有效檢測切向力。

現有技術中還存在一種結合聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)納米 線和氧化還原石墨烯的柔性觸覺傳感器，此傳感器靈敏度高，可重復性好， 能夠用于多種需要柔韌性的場合。同時能夠檢測很小的壓力，在敏感觸覺 方面有很大潛力。但是這種單個傳感器依然沒有實現對三維接觸力的有效 檢測而只能檢測到正向的壓力。