[发明专利]一种三维力温度复合柔性传感阵列及其制备方法

说明书

本发明公开了一种三维力温度复合柔性传感阵列，包括由从上至下依次设置的表面硬化层(1)、温敏层(2)、半球凸台层(3)、上硬化梁状凸台层(4)、上基底层(5)、可拉伸电极层(6)、压敏层(7)、下硬化梁状凸台层(8)和下基底层(9)。本发明能够实现三维力的大小和方向以及温度的多点、快速测量，结构简单，操作便利。

技术领域

本发明涉及柔性传感阵列领域，特别是一种三维力温度复合柔性传感阵列及其制备方法。

背景技术

柔性触觉传感器是智能假肢手感知周围环境信息的重要手段，通过与外界物体直接接触，能获取与目标接触物有关的多种物理信息，如接触力大小、温度、湿度、柔软性、表面粗糙度、材质等。力与温度感知是智能假肢需配备的两种重要触觉，有助于提高假肢的抓取稳定性和安全性，但现有的力与温度复合触觉传感器只能测量正向力，实际上切向力信息对假肢的抓取力控制也发挥着至关重要的作用，利用切向力和正向力的比例变化信息，可以检测滑移趋势，实现非结构操作环境下的合理力控，既保证抓取的稳定，又避免抓取力过大对物体造成损伤。因此，设计一款三维力温度复合柔性传感阵列成为了行业内亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种三维力温度复合柔性传感阵列及其制备方法。本发明能够实现三维力的大小和方向以及温度的多点、快速测量，结构简单，操作便利。

本发明的技术方案：一种三维力温度复合柔性传感阵列，包括由从上至下依次设置的表面硬化层、温敏层、半球凸台层、上硬化梁状凸台层、上基底层、可拉伸电极层、压敏层、下硬化梁状凸台层和下基底层；所述的半球凸台层上包括多个PDMS半球凸台，每个PDMS半球凸台上设有温敏单元，温敏单元上设有顶部硬化层；所述上硬化梁状凸台层包括多个上硬化梁状凸台，下硬化梁状凸台层包括多个下硬化梁状凸台，上硬化梁状凸台与下硬化梁状凸台一一对应设置， PDMS半球凸台正压于上硬化梁状凸台上；所述的上基底层包括上基底。

上述的三维力温度复合柔性传感阵列中，每个所述温敏单元为轴对称结构，由多个同心圆弧形温敏电阻线按S型串联而成；所述压敏层包括柔性薄膜基底层和设置在柔性薄膜基底层上的三维力敏感单元；所述三维力敏感单元由四个扇形的压敏片组成，压敏片按圆周阵列均布于柔性薄膜基底层上。

前述的三维力温度复合柔性传感阵列中，所述的温敏单元和三维力敏感单元形成复合传感单元，复合传感单元按三行两列排列，空间分辨率为空间分辨率为8mm。

前述的三维力温度复合柔性传感阵列中，每个所述的压敏片占圆形区域的1/4，压敏片由六个不同半径的同心圆弧按S型串联而成，各圆弧之间的间距为0.2mm。

前述的三维力温度复合柔性传感阵列中，所述表面硬化层为球冠体形。

前述的三维力温度复合柔性传感阵列中，所述的上硬化梁状凸台由十二个0.1×1×0.1mm的长方体组成，长方体以上基底上的两个通孔的中心为圆心按圆周阵列均匀排布。

前述的三维力温度复合柔性传感阵列中，所述的PDMS半球凸台中间设有两个直径为0.1mm的第一通孔和第二通孔，两通孔圆心之间的距离为0.2mm；所述的上基底上设有两个直径为0.1mm的第一圆孔和第二圆孔，第一通孔与第一圆孔的圆心在同一直线上，第二通孔与第二圆孔的圆心在同一直线上。

实现所述的三维力温度复合柔性传感阵列的制备方法，其特征在于：具体按下述步骤进行：

S1：将Sylgard 184PDMS的主剂与固化剂以10:1的质量比均匀混合，采用真空干燥箱进行脱泡处理，在涂好脱模剂的玻璃片上旋涂一层100um厚的PDMS，在80℃加热2小时固化得到下基底层，再采用同样的方法制得柔性薄膜基底层；将Sylgard 184PDMS的主剂、固化剂和纳米二氧化硅以5:1:0.1的质量比混合均匀、抽真空除去气泡，注入到带有四十八个梁状凹坑阵列的铝合金模具中，然后将上述制备好的下基底层的上表面覆盖在梁状凹坑阵列上，在80℃加热2 小时固化得到下硬化梁状凸台层；