[发明专利]一种柔性三维接触力传感器

说明书

一种柔性三维接触力传感器，属于传感器技术领域。包括依次设置的下封装层、4n个阵列排列的力传感单元、上封装层和力加载层，所述力传感单元包括力敏薄膜、位于力敏薄膜上表面的上电极层和位于力敏薄膜下表面的下电极层三层结构，n≥1且为正整数；其中，每个力传感单元的上电极和下电极分别通过引线引出连接外部采集系统，通过检测每个力传感单元中力敏薄膜的电阻变化，即可得到传感器的受力情况。本发明提供的柔性三维接触力传感器与传统的传感器相比，在满足柔性、小尺寸的前提下，在剪切力方向的测量范围更宽，测量精度高，可应用于机器人指尖、医疗末端力检测、人机交互等智能机电力检测设备及其他需要检测多维力的设备中。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种柔性三维接触力传感器。

背景技术

随着科技的发展及应用需求的提高，对传感器的柔性、小型化、智能化等提出了更高的要求。其中，柔性多维力传感器可同时测量两个方向以上的力，且可随意扭曲拉伸，在工业制造、医疗检测、家居智能、可穿戴设备等领域具有巨大的应用前景。

作为未来智能机器人的重要组成部分，柔性多维力传感器是智能机器人与外部环境受力及触觉信息交换的必需媒介，研制符合实际应用要求的三维力传感器已经成为机器人发展中的关键技术之一。目前，柔性多维力传感器大多是在柔性金属材料、硅基材料或者柔性纤维材料上基于光、电、磁等现象得到的，存在结构复杂、成本高、检测精度低等问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种新型的柔性三维接触力传感器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种柔性三维接触力传感器，包括依次设置的下封装层、4n个阵列排列的力传感单元、上封装层和力加载层，所述力传感单元包括力敏薄膜、位于力敏薄膜上表面的上电极层和位于力敏薄膜下表面的下电极层三层结构，n≥1且为正整数；其中，每个力传感单元的上电极和下电极分别通过引线引出连接外部采集系统，通过检测每个力传感单元中力敏薄膜的电阻变化，即可得到传感器的受力情况。

进一步地，所述力敏薄膜为所述力传感单元的核心部分，是通过将导电微粒分散于粘结剂中，经涂覆或丝网印刷形成的薄膜。

进一步地，所述力敏薄膜包括质量比为1：(0.03～0.05)的粘结剂和导电微粒，所述粘结剂为聚酰亚胺、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂或丙烯酸树脂等，所述导电微粒为金粉、银粉、导电炭黑、石墨或银包铜粉等。

进一步地，所述力敏薄膜的厚度为30～100μm，以便于感知力的变化。

进一步地，所述力敏薄膜的制备过程具体为：(a)将粘结剂均匀分散于有机溶剂中，搅拌混合均匀，得到混合液A；其中，混合液A中粘结剂与有机溶剂的质量比为1：(10～20)，所述粘结剂为聚酰亚胺、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂或丙烯酸树脂等，所述有机溶剂为二甲基乙酰胺(DMAC)、芳烃150、二乙二醇丁醚或二乙二醇丙醚等；(b)在混合液A中加入导电微粒，充分混合均匀，得到混合液B；其中，步骤(a)中粘结剂与步骤(b)中加入的导电微粒的质量比为1：(0.03～0.05)，所述导电微粒为金粉、银粉、导电炭黑、石墨或银包铜粉等；(c)将步骤(b)得到的混合液B采用涂覆或丝网印刷的方法形成力敏薄膜。

进一步地，所述上电极层以及下电极层为金或银电极层，厚度均为13μm。

进一步地，所述力加载层用于接收力并将接收到的力传递至力敏薄膜，其设置于上封装层的中心位置，以使力传感单元接收均匀的力；所述力加载层完全覆盖4n个阵列排列的力传感单元，具体尺寸可根据需求调节。

进一步地，所述力加载层的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。