一種三維力電容式觸覺傳感器單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于觸覺傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三維力電容式觸覺傳感器單 JL〇
【背景技術(shù)】
[0002] 觸覺是智能機器人作業(yè)環(huán)境信息感知的重要組成部分，與視覺、聽覺等感知信息 相比，在機器人精密裝配自主作業(yè)系統(tǒng)中，其在可靠性、經(jīng)濟性等方面往往具有獨特優(yōu)勢， 受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，學(xué)術(shù)和工程應(yīng)用價值日益明顯。觸覺 感知主要特征包括接觸力的分布及大小、滑覺、振動、溫度等，反映機械手指與目標(biāo)間的接 觸狀態(tài)，為機器人完成自主作業(yè)規(guī)劃和精確控制提供足夠信息支撐。
[0003] 針對傳感器敏感單元陣列特性，國內(nèi)外專家進行了不少嘗試和探索。從觸覺機理、 觸覺傳感材料、觸覺信息獲取、觸覺圖像識別以及傳感器實用化等方面進行了大量的研宄， 由此產(chǎn)生了很多新型傳感器，其中電容式觸覺傳感器在智能機器人的設(shè)計中具有很高的實 用價值。目前觸覺傳感器按照其敏感材料、感知機理大致可分為六種：機械式、壓阻式、電 容式、壓電式、壓磁式和光電式。機械式傳感器是由外力引起機械位移，但是其空間分辨率 受到限制且結(jié)構(gòu)復(fù)雜；壓阻式傳感器是利用單晶硅體材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成 的，其具有很好的負載能力且動態(tài)范圍寬，同時也存在遲滯，彈性材料性能需要優(yōu)化，單調(diào) 響應(yīng)非線性的缺點；電容式傳感器原理為兩平行板極間彈性介質(zhì)層受壓變形是容量變化， 有動態(tài)范圍寬、線性響應(yīng)和堅固耐用的優(yōu)點和介電性易受溫度影響及易受噪音干擾的缺 點；壓電式傳感器利用對敏感元件施加壓力時其兩端會產(chǎn)生電壓的原理，如PVDF薄膜，其 動態(tài)范圍寬和形狀裁剪方便，但是其只能感應(yīng)動態(tài)力；壓磁式傳感器將作用力的變化轉(zhuǎn)化 成傳感器導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率變化并輸出電信號，有輸出功率大、信號強、結(jié)構(gòu)簡單優(yōu)點，但易 受散場和噪音影響；光電式傳感器用彈性體變形法調(diào)制光波，使壓力轉(zhuǎn)換為光圖像，擁有高 分辨率、無電氣干擾、信號處理電路可遠離傳感器等優(yōu)點，但性能對彈性體依賴較強且存在 滯后。
[0004] 目前為提高靈敏度和線性度，克服電源電壓、環(huán)境溫度變化等外界條件影響，電容 式觸覺傳感器常采用差動式或梳齒狀結(jié)構(gòu)。差動式結(jié)構(gòu)在測量正壓力時可以發(fā)揮其獨特的 優(yōu)勢，但在測量切向力的時候存在有一定的局限性；梳齒狀結(jié)構(gòu)在測量切向力時能發(fā)揮其 信息冗余的優(yōu)勢，但在正壓力檢測時存有一定的缺陷，且其結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。
[0005] 如中國專利號為201010512715. 7的電容性傳感器，提出了一種電容性傳感器放 大器電路，并沒有涉及到電容傳感器單元的結(jié)構(gòu)；如中國專利申請?zhí)枮?01180069443. 0 的力傳感器，通過識別檢測環(huán)的彈性變形的方式及大小可以檢測作用力或力矩的方向及 大小，但是其檢測部分的電容元件結(jié)構(gòu)不夠優(yōu)化，靈敏度不夠高；如中國專利申請?zhí)枮?20130406920. 9的電容式壓力傳感器，在高溫環(huán)境下，布置在探測器本體遠端部處的電容式 傳感器檢測壓力的大小，并且通過并聯(lián)電容的方式來減小由溫度變化所引起的誤差，壓力 傳感器不能檢測三維方向上的力的大小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了提高電容式傳感器的靈敏度并減少維間耦合程度，本實用新型的目的是提供 一種三維力電容式觸覺傳感器單元，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。
[0007] 為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供一種三維力電容式觸覺傳感器單元，包括相 粘接的驅(qū)動電極、介電薄膜和固定基板，所述介電薄膜設(shè)置于驅(qū)動電極和固定基板之間，所 述固定基板邊沿均設(shè)有梯形電極，所述固定基板在中心處設(shè)有等位環(huán)，所述等位環(huán)內(nèi)設(shè)有 圓形電極，所述介電薄膜包括一個蓋合圓形電極的法向薄膜和四個蓋合梯形電極的切向薄 膜，所述四個切向薄膜以兩兩對稱的排布方式設(shè)于介電薄膜的四邊上。
[0008] 優(yōu)選的，所述驅(qū)動電極上設(shè)有驅(qū)動電極扇形孔。
[0009] 優(yōu)選的，所述四個切向薄膜依次連接，兩個切向薄膜連接后與法向薄膜形成介電 薄膜扇形孔。
[0010] 優(yōu)選的，所述介電薄膜扇形孔與驅(qū)動電極上對應(yīng)位置的驅(qū)動電極扇形孔形狀相 同。
[0011] 優(yōu)選的，所述的驅(qū)動電極與圓形電極是分隔開的。
[0012] 優(yōu)選的，所述驅(qū)動電極、梯形電極、等位環(huán)、圓形電極的材質(zhì)均為銅或鋁。
[0013] 優(yōu)選的，所述介電薄膜的材質(zhì)為PDMS、PET或硅橡膠中的一種，厚度為Iym~ 20um〇
[0014] 優(yōu)選的，所述等位環(huán)和圓形電極之間設(shè)有絕緣層。
[0015] 優(yōu)選的，所述四個切向薄膜的寬度比梯形電極的寬度窄0.Imm~1mm。
[0016] 眾所周知，平行板電容的電容值與兩極板間的正對面積成正比，跟極板的垂直距 離d成反比。平行板電容器電容公式如下：
【主權(quán)項】
1. 一種三維力電容式觸覺傳感器單元，包括相粘接的驅(qū)動電極、介電薄膜和固定基板， 所述介電薄膜設(shè)置于驅(qū)動電極和固定基板之間，其特征在于：所述固定基板邊沿均設(shè)有梯 形電極，所述固定基板在中心處設(shè)有等位環(huán)，所述等位環(huán)內(nèi)設(shè)有圓形電極，所述介電薄膜包 括一個蓋合圓形電極的法向薄膜和四個蓋合梯形電極的切向薄膜，所述四個切向薄膜以兩 兩對稱的排布方式設(shè)于介電薄膜的四邊上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力電容式觸覺傳感器單元，其特征在于：所述驅(qū)動電極 上設(shè)有驅(qū)動電極扇形孔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維力電容式觸覺傳感器單元，其特征在于：所述四個 切向薄膜依次連接，兩個切向薄膜連接后與法向薄膜形成介電薄膜扇形孔。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維力電容式觸覺傳感器單元，其特征在于：所述介電薄膜 扇形孔與驅(qū)動電極上對應(yīng)位置的驅(qū)動電極扇形孔形狀相同。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力電容式觸覺傳感器單元，其特征在于：所述的驅(qū)動電 極與圓形電極是分隔開的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力電容式觸覺傳感器單元，其特征在于：所述驅(qū)動電極、 梯形電極、等位環(huán)、圓形電極的材質(zhì)均為銅或鋁。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力電容式觸覺傳感器單元，其特征在于：所述介電薄膜 的材質(zhì)為PDMS、PET或硅橡膠中的一種，厚度為Iym~20ym。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力電容式觸覺傳感器單元，其特征在于：所述等位環(huán)和 圓形電極之間設(shè)有絕緣層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維力電容式觸覺傳感器單元，其特征在于：所述四個切向 薄膜的寬度均比梯形電極的寬度窄〇?Imm~Imm0
【專利摘要】本實用新型提供一種三維力電容式觸覺傳感器單元，包括相粘接的驅(qū)動電極、介電薄膜和固定基板，介電薄膜設(shè)置于驅(qū)動電極和固定基板之間，固定基板邊沿均設(shè)有梯形電極，固定基板在中心處設(shè)有等位環(huán)，等位環(huán)內(nèi)設(shè)有圓形電極，介電薄膜包括一個蓋合圓形電極的法向薄膜和四個蓋合梯形電極的切向薄膜，四個切向薄膜以兩兩對稱的排布方式設(shè)于介電薄膜的四邊上。本實用新型的扇形孔減小電極間的接觸面積，可提高檢測電容的相對靈敏度且能降低維間耦合程度，等位環(huán)可以改善電極外邊緣處的電場畸變，有效減小邊緣效應(yīng)的影響。
【IPC分類】G01L5-16, G01L1-14
【公開號】CN204495495
【申請?zhí)枴緾N201520168618
【發(fā)明人】許玉云, 許德章, 葛維東, 董躍龍
【申請人】安徽工程大學(xué)
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年3月24日