[發明專利]一種高靈敏度電容式柔性三維力觸覺傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201911132232.1
• 申請日: 2019-11-19
• 公開（公告）號: CN110793701B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 郭小輝;施榮煜;劉健;姚天揚
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: G01L5/165
• 分類號: G01L5/165;B29C69/00;B29K83/00;B29L31/34
• 代理公司: 合肥國和專利代理事務所(普通合伙) 34131
• 代理人: 孫永剛

1.一種高靈敏度電容式柔性三維力觸覺傳感器，其特征是：主要由半球型觸頭（1）、柔性球曲面激勵電極（4）、柔性公共電極（3）以及柔性基底（5）四個部分構成；以柔性基底（5）為底部支撐，以半球型觸頭（1）為頂部覆蓋，二者在邊緣部粘接，內部形成空氣腔（2）；在空氣腔（2）內粘接有柔性公共電極（3）以及四個柔性球曲面激勵電極（4）；導電復合材料的柔性公共電極（3）連接在半球型觸頭（1）和柔性基底（5）之間，并設置于四個柔性球曲面激勵電極（4）的中心；四個柔性球曲面激勵電極（4）間隔均勻地排布在柔性基底（5）上，且在所述柔性球曲面激勵電極（4）的表面設置絕緣層；柔性公共電極（3）與柔性球曲面激勵電極（4）構成四個呈空間立體分布的電容，整體呈倒狀“蘑菇”結構。

2.根據權利要求1所述的一種高靈敏度電容式柔性三維力觸覺傳感器，其特征是：所述的半球型觸頭（1）由導電復合材料制成，包括一體化的上半球面（1-1）和圓環體（1-2），圓環體（1-2）位于上半球面（1-1）的下邊緣部；所述的柔性基底（5）采用硅橡膠材料制成，呈圓柱體，其上表面向下形成半球型腔體，半球型腔體的四周具有外緣；半球型觸頭（1）圓環體（1-2）的直徑與柔性基底（5）的外徑尺寸一致，圓環體（1-2）的寬度與柔性基底外緣（5-2）的寬度一致。

3.根據權利要求2所述的一種高靈敏度電容式柔性三維力觸覺傳感器，其特征是：所述半球型觸頭（1）的圓環體（1-2）通過硅橡膠與柔性基底外緣（5-2）粘結固定。

4.根據權利要求2所述的一種高靈敏度電容式柔性三維力觸覺傳感器，其特征是：所述柔性公共電極（3）包括上半球體（3-1）和下半橢球體（3-2），整體高度等于由半球型觸頭（1）及柔性基底（5）構成的空氣腔（2）高度，下半橢球體（3-2）的短半軸長等于上半球體（3-1）的半徑且小于柔性基底（5）半球型腔體的寬度。

5.根據權利要求4所述的一種高靈敏度電容式柔性三維力觸覺傳感器，其特征是：所述柔性公共電極（3）的上下頂面均通過硅橡膠分別固定在半球型觸頭（1）內表面和柔性基底（5）內半球型腔體的上表面。

6.根據權利要求5所述的一種高靈敏度電容式柔性三維力觸覺傳感器，其特征是：所述的柔性公共電極（3）通過導線引出，并接地構成公共端。

7.根據權利要求2所述的一種高靈敏度電容式柔性三維力觸覺傳感器，其特征是：所述柔性球曲面激勵電極（4）由有機硅導電銀膠材料制成，并通過四根導線引出，四個柔性球曲面激勵電極（4）均勻分布于柔性基底（5）半球型腔體的表面，且彼此具有間隔。

8.根據權利要求7所述的一種高靈敏度電容式柔性三維力觸覺傳感器，其特征是：四個所述的柔性球曲面激勵電極（4）使用硅橡膠均勻粘貼在半球型腔體的表面。

9.根據權利要求2所述的一種高靈敏度電容式柔性三維力觸覺傳感器，其特征是：所述柔性球曲面激勵電極（4）表面的絕緣層通過涂抹橡膠形成。

10.一種制備權利要求1至9任一項所述高靈敏度電容式柔性三維力觸覺傳感器的方法，其特征是，具體步驟如下：

首先，基于3D打印技術，分別打印出柔性基底模具、半球型觸頭模具以及柔性公共電極模具；

接著，先向柔性基底模具中注入硅橡膠材料，再放入真空干燥箱中室溫固化，待其固化后脫模，制得柔性基座；

其次，再用多壁碳納米管、炭黑和硅橡膠的復合導電材料制備柔性公共電極（3）和半球型觸頭（1），其中，多壁碳納米管與炭黑質量比為1:2，導電填料占母體的質量分數為6%～7%；計算配置的量，向稱量好的多壁碳納米管以及炭黑中加入有機溶劑，并進行磁力攪拌，充分分散團聚的多壁碳納米管以及炭黑；再向其中加入稱量好的硅橡膠，同時進行磁力攪拌；將制作好的復合材料分別注入半球型觸頭模具及柔性公共電極模具中，并放入真空干燥箱中室溫固化，待其固化后脫模；

然后，配置有機硅導電銀膠，在制成的柔性基底（5）的半球型腔體表面間隔12度均勻涂抹配置好的有機硅導電銀膠，靜置進行室溫固化后，形成四個柔性球曲面激勵電極（4），最后在有機硅導電銀膠的柔性球曲面激勵電極（4）表面涂抹硅橡膠，進行絕緣處理；

最后，使用硅橡膠作粘接劑將柔性公共電極（3）分別與柔性基底（5）和半球型觸頭（1）粘接，并將半球型觸頭（1）與柔性基底（5）粘接。