本發(fā)明屬于柔性傳感器及軟體機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于大變形和觸覺壓力測量的介電柔性傳感器。

背景技術(shù)：

柔性電子技術(shù)領(lǐng)域是目前研究發(fā)展的一個熱門，它主要用于可穿戴技術(shù)和消費類電子技術(shù)領(lǐng)域，比如可彎曲屏幕、柔性電子觸覺屏幕、人體訓(xùn)練及康復(fù)姿態(tài)測量用途、虛擬現(xiàn)實(VR)的感知觸覺系統(tǒng)。其中柔性傳感技術(shù)用來感知外界拉力壓力，實現(xiàn)柔性測量。這種測量不同于傳統(tǒng)的測量結(jié)構(gòu)，它們一般都使用金屬材料作為感知元件，產(chǎn)生的應(yīng)變較小，很難與人友好的交互，比如與人接觸使用時容易造成不適。而柔性傳感器的材料為硅橡膠材料，柔軟輕便，它的彈性模量與人體皮膚的彈性模量在一個數(shù)量級上，能夠很好的抵抗外界產(chǎn)生的壓力，作為感知元件具有很大的優(yōu)勢。這種傳感器的尺寸可以做的非常小，精度可以做的非常高，因此很適合消費類電子產(chǎn)品的一些需求。

軟體機(jī)器人領(lǐng)域作為未來機(jī)器人發(fā)展的一個方向，它通過改變功能材料自其特性實現(xiàn)運動變形，比如氣動、介電彈性體驅(qū)動器、離子型驅(qū)動器等，這些功能材料產(chǎn)生無限連續(xù)自由度變形，用傳統(tǒng)的測量方法很難測量這些微力和大變形，而介電彈性體傳感器卻可以很好地測量微力和大位移變形，為軟體機(jī)器人的發(fā)展提供了技術(shù)支持。

對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件來說，各個部件的在工作時的形變對其本身的工作精度影響十分明顯，但是很多情況下這些形變的大小難以用激光測量儀等設(shè)備測得。這種傳感器可以很好地解決這一問題，而且本身彈性模量相較于結(jié)構(gòu)件可以完全忽略不計，因此能夠用在輔助結(jié)構(gòu)特殊位置的形變測量上。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種用于大變形和觸覺壓力測量的介電柔性傳感器，可以用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的形變測量，對于難以放置傳統(tǒng)傳感器的結(jié)構(gòu)，可使用這種柔性傳感器進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)位移的測量。本發(fā)明可以測量各種形狀的結(jié)構(gòu)發(fā)生的形變。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種用于大變形和觸覺壓力測量的介電柔性傳感器，包括電介質(zhì)層，以及分別貼于電介質(zhì)層上表面和下面表的電極層；電極層的端部連接引線，引線采用真穿孔方式將正負(fù)電極兩端用金屬細(xì)針穿透。

其進(jìn)一步的改進(jìn)在于：

所述電介質(zhì)層的厚度為50um～500um，采用彈性模量在0.1MPa～2Mpa的硅橡膠制成。

所述電極層的厚度為5um～100um，采用經(jīng)過研磨過的碳粉電極或者碳粉與硅橡膠混合制成的柔性電極。

一種用于大變形和觸覺壓力測量的介電柔性傳感器，包括叉指電極，叉指電極的每一組正極叉指和負(fù)極叉指之間均設(shè)置有電介質(zhì)層；叉指電極上連接引線，引線采用穿孔方式將正負(fù)電極用金屬細(xì)針穿透。

其進(jìn)一步的改進(jìn)在于：

所述電介質(zhì)層的厚度為50um～500um，采用彈性模量在0.1MPa～2Mpa的硅橡膠制成。

所述叉指電極的每根叉指的厚度為5um～100um，采用經(jīng)過研磨過的碳粉電極或者碳粉與硅橡膠混合制成的柔性電極。

一種用于大變形和觸覺壓力測量的介電柔性傳感器，包括至少一層電介質(zhì)層，以及依次陣列交叉布置于電介質(zhì)層表面的若干正電極條和負(fù)電極條；正電極條和負(fù)電極條的端部連接引線，引線采用真穿孔方式將正負(fù)電極兩端用金屬細(xì)針穿透。

其進(jìn)一步的改進(jìn)在于：

所述電介質(zhì)層的厚度為50um～500um，采用彈性模量在0.1MPa～2Mpa的硅橡膠制成。

所述正電極條和負(fù)電極條的厚度均為5um～100um，采用經(jīng)過研磨過的碳粉電極或者碳粉與硅橡膠混合制成的柔性電極。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明單層結(jié)構(gòu)包括中間層絕緣的硅橡膠材料作為電介質(zhì)層，以及上下兩層導(dǎo)電的碳粉電極材料作為電極層，構(gòu)成一個電容回路，在拉伸或者壓縮后，電介質(zhì)的厚度變小，根據(jù)電容公式C＝ε₀εS/d，整個傳感器的電容變大，因此可以根據(jù)電容的變化量求出位移的變化量，再根據(jù)材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，求出相應(yīng)的拉伸力或者壓力。單層結(jié)構(gòu)制成長條狀可以用來測量拉力或者拉伸位移。

壓力傳感器若做成單層，其產(chǎn)生的電容變化量較小，因此一般將其做成多層并聯(lián)結(jié)構(gòu)，用微小的力就可產(chǎn)生較大的電容變化，提升力電容的靈敏度；

本發(fā)明也可以用來測量分布式壓力，將上下兩層電極依次陣列交叉布置，形成陣列式壓力傳感器，這種結(jié)構(gòu)節(jié)省了空間，可以將傳感器的尺寸做的很小，傳感器的分布密度做的更高，可做成單層或者多層結(jié)構(gòu)，需要較高的制造工藝，當(dāng)傳感器表面感知到壓力后，接觸處的電容增大，在電壓不變的情況下，電荷量增加，因此可通過測量流經(jīng)上下兩層電極的電荷量確定壓力的位置和大小，這種柔性可彎曲變形的傳感器結(jié)構(gòu)在測量空間壓力分布和人體可穿戴設(shè)備方面具有很好的應(yīng)用前景。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的形狀和大小可根據(jù)需要設(shè)計成不同的結(jié)構(gòu)，單層拉伸傳感器的長寬比不同適用于不同的測量場合；多層堆疊的傳感器的層數(shù)可按需要設(shè)計，電極的形狀可以設(shè)計成方形、圓形以及其他形狀；陣列式傳感器也可以設(shè)計成多層，提高電容的靈敏度。

進(jìn)一步的，本發(fā)明的電極引線方式采用針穿孔方式，將傳感器的正負(fù)電極兩端用金屬細(xì)針穿透，這樣就將柔性電極與金屬電極連接，減少接觸的不穩(wěn)定性與接觸電阻。

進(jìn)一步的，本發(fā)明電極采用碳粉，碳粉對電極的導(dǎo)電性具有重要影響，電極的導(dǎo)電性越高，電容充放電的速度越快；電極材料能與電介質(zhì)材料牢固的粘在一起，在拉伸時電極不會產(chǎn)生破裂。

【附圖說明】

圖1為大變形拉伸傳感器拉伸前后示意圖；

圖2為柔性壓力傳感器受到壓力后的變形示意圖；其中(a)為截面圖，(b)為立體圖；

圖3為分布式壓力觸覺傳感器受到壓力后的電荷流動示意圖。

其中：1-電介質(zhì)層；2-電極層；3-叉指電極；4-正電極條；5-負(fù)電極條。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見圖1，本發(fā)明可以做成單層結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括電介質(zhì)層1，以及分別貼于電介質(zhì)層上表面和下面表的電極層2；電極層2的端部連接引線，引線采用真穿孔方式將正負(fù)電極兩端用金屬細(xì)針穿透。

如圖2所示，本發(fā)明能夠利用叉指電極制作成精度更高的多層結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括叉指電極3，叉指電極3的每一組正極叉指和負(fù)極叉指之間均設(shè)置有電介質(zhì)層1；叉指電極3上連接引線，引線采用真穿孔方式將正負(fù)電極用金屬細(xì)針穿透。

如圖3所示，本發(fā)明還能夠做成正負(fù)電極交叉設(shè)置的結(jié)構(gòu)，并且可以設(shè)置為單層結(jié)構(gòu)也可以設(shè)置為多層結(jié)構(gòu)，具體包括至少一層電介質(zhì)層1，以及依次陣列交叉布置于電介質(zhì)層1表面的若干正電極條4和負(fù)電極條5；正電極條4和負(fù)電極條5的端部連接引線，引線采用真穿孔方式將正負(fù)電極兩端用金屬細(xì)針穿透。

本發(fā)明電介質(zhì)層1厚度可以改變，一般為50um～500um左右，厚度越薄電容的靈敏度越高，電介質(zhì)材料一般為硅橡膠彈性體材料，材料具有超彈性不具有粘彈性，材料的彈性模量大概在0.1MPa～2MPa，抗剪性能好。柔性電極厚度較薄，一般5um～100um左右，厚度越薄電容的靈敏度越高；電極材料一般采用經(jīng)過研磨過的碳粉電極或者碳粉與硅橡膠混合形成的電極，碳粉對電極的導(dǎo)電性具有重要影響，電極的導(dǎo)電性越高，電容充放電的速度越快；電極材料能與電介質(zhì)材料牢固的粘在一起，在拉伸時電極不會產(chǎn)生破裂。

本發(fā)明設(shè)計了三類柔性傳感器的結(jié)構(gòu)形式：柔性大變形拉伸傳感器、柔性壓力傳感器、分布式壓力觸覺傳感器。

柔性大變形拉伸傳感器除了可以測量大變形位移，還可以將測量的位移量轉(zhuǎn)化為彎曲量用來測量角度的變化，比如將柔性傳感器貼于肘關(guān)節(jié)處，肘關(guān)節(jié)彎曲時皮膚會發(fā)生伸長，引起傳感器電容的變化，因此可將測得的位移量轉(zhuǎn)化為肘關(guān)節(jié)彎曲的角度，用來測量姿態(tài)變形，可用于動作訓(xùn)練或者康復(fù)效果評價。柔性大變形拉伸傳感器在測量伸長變形時對伸長變形的要求不是嚴(yán)格的，并非只能測量直線變形，帶有微量扭曲或者彎曲的變形也可以測量，對測量的適應(yīng)性很廣；大變形傳感器在測量時分為兩種方式，一種與被測物體貼在一起，這種測量一般假設(shè)傳感器的寬度不變，只發(fā)生厚度變形；另一種只在兩端與被測物體粘在一體，中間不相連，這種方式在測量時寬度和厚度都會發(fā)生變形，在使用前需要進(jìn)行標(biāo)定。

柔性壓力傳感器可用于微小的壓力測量，它是由單層柔性傳感器結(jié)構(gòu)疊加而成，正負(fù)柔性電極隔層相連，形成一個并聯(lián)的電容回路，層數(shù)越多柔性傳感器的靈敏度越高，可測量的微力分辨力越高。柔性壓力傳感器的電極根據(jù)制造工藝的不同可做成其他形狀，比如圓形適用于旋涂制造，方形及其他形狀適用于噴涂制造。柔性傳感器的電介質(zhì)介電常數(shù)對于電容的靈敏度具有重要影響，可通過在硅橡膠材料中摻雜少量的導(dǎo)電離子或其他的顆粒物提高介電常數(shù)，從而提高傳感器的靈敏度。

分布式壓力觸覺傳感器的條狀電極寬度可以改變，整個傳感器可以設(shè)計成多層提高靈敏度，分布式壓力觸覺傳感器的測量方法不同于上述其他兩種傳感器，它在保持電壓不變的情況下，測量每個通道電極處電荷量的變化來定位壓力發(fā)生的位置，根據(jù)電荷量的變化幅度求出施加壓力的大小。柔性電極與金屬電極的連接可通過針串孔方式，這樣可減小制造工藝的復(fù)雜度，同時減少接觸電阻、保持固定連接。

本發(fā)明的制備過程：

首先制造出柔性傳感器：在制造時可通過流平儀首先均勻的鋪一層電介質(zhì)，待電介質(zhì)材料將要固話未完全固化時，即還存在粘性時，在電介質(zhì)的表面鋪一薄層電極，使電介質(zhì)與電極能牢固的粘在一起，電極的形狀取決于所選的掩膜，適當(dāng)留出柔性電極的接頭以利于電極引線。依照上述方法重復(fù)制作電介質(zhì)和電極，以用來制造不同種類的傳感器。

上下兩層是由可產(chǎn)生大變形且可導(dǎo)電的柔性電極敷成的薄膜層，中間是由可產(chǎn)生大變形且不導(dǎo)電的介電材料敷成的薄膜層。整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)電容特性，在拉伸時，由于中間層的長度伸長、厚度縮小(體積不變)，導(dǎo)致電容變大，因此可通過測量電容來測量拉伸量。

電容變化量與應(yīng)變之間存在近似線性關(guān)系，通過測量到的電容值就可以計算伸長量，由伸長量可計算出材料的應(yīng)變，對于超彈性材料來說，由于應(yīng)變與應(yīng)力間存在確定關(guān)系，由應(yīng)變可確定出應(yīng)力，進(jìn)而得出單方向的拉伸力，因此該傳感器也可看作是一個單軸拉力傳感器。同理，如果對傳感器施加壓力，傳感器的厚度發(fā)生變化，電容也會發(fā)生變化。

將制造好的柔性傳感器進(jìn)行標(biāo)定，確定變化量與被測量的變化關(guān)系，比如位移與電容的關(guān)系、力與電容的關(guān)系。位移和力加載方式可以通過伺服電機(jī)或者砝碼，對傳感器進(jìn)行拉伸，測量器電容變化，然后完成應(yīng)變與電容的變化關(guān)系圖。

將傳感器與被測物體連接進(jìn)行測量，一般是將傳感器直接貼在待測零件或者結(jié)構(gòu)的表面，通過電路與計算機(jī)相連，可實時動態(tài)測量大位移或微小力。

以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。