电容式三维力柔性触觉传感器的设计与制备
发布时间：2020-12-16 02:48
随着智能机器人技术和智能假肢技术的发展,柔性触觉传感器以其适应复杂表面结构和实时传感的优势受到了广泛的关注。在实际生活中,智能机器人、生物医疗等方面的一些具体应用场景对柔性触觉传感器提出了三维力检测的要求。目前,现有的柔性三维力触觉传感器研究在平衡测量范围和灵敏度感知方面仍有改善空间,需要设计新型结构,以在一定测力范围内实现三维接触力高灵敏检测。对于涉及到复杂结构设计的传感器而言,层间对准封装方式的探究尚未得到充分关注。在此,本文开展了三维力柔性触觉传感器的结构设计与制备研究。首先,本文对已发表的研究的情况进行了比较与分析,确定了具体的设计方向。其次,设计了基于电容原理的三维力柔性触觉传感器结构,包含表面凸起、图案化的电容电极层、复合结构的中间介电层;并分析其三维力的检测原理。然后,根据设计的结构,探索了分层制造、集合封装的微纳加工工艺流程。最后,对所设计的传感器进行了动态性能、重复性和三维力测量方面的测试与分析。第一章,阐述论文的研究背景和意义,介绍国内外三维力柔性触觉传感器的研究现状,并进行了比较,确定本文的研究目标。第二章,对电容式三维力柔性触觉传感器进行了材料选择和结构设计。在...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?Ｔａｋｕｒｏ?人设计的一种立体分布的电容式三维力传感器的（ａ）结构示意图（ｂ）俯??视图和（ｃ）侧视图
原件在外力加载时得到不同的应力分布，通过对相应的电学响应进行分析实现三维力的解??耦。一般来说，感测元件的常见布局方式可分为以下两种情况：??三维立体的空间排布方式。如图１．?１所示，ＴａｋｕｒｏＮａｋａｄｅｇａｗａ等ｕ＾０将液态金属注射到??ＰＤＭＳ通道内构成四个检测切向力的球面电容，底部铜电容极板对与ＰＤＭＳ介电层构成检测??法向力的平行极板电容；采用金属小球通过为垂直方向和水平切向的应变，使得侧壁电容和??底面电容的变化。在该传感器中，法向力感测电容与切向力感测电容为垂直关系，五个电容??式感测元件相对于用于加载外力的金属小球的分布位置呈三维空间分布。??ＰＤＭＳ?ｄｏｕｂｌｅ－ｃｙｌｉｎｄｅｒ?ｂａｓｅ?＾￣??＾??Ｍｅｔａｌ?ｂａｌｌ??（ｂ）?（ｃ）??ｚ?Ｘ?Ｏｎｅ?Ｃａｐａｃｋｏｆ?▼?ｚ??麵－＾Ｈｉ??图１．１?Ｔａｋｕｒｏ?人设计的一种立体分布的电容式三维力传感器的（ａ）结构示意图（ｂ）俯??视图和（ｃ）侧视图。??平面排布方式是另一种更为常见的选择。如图１．２所示，〇３１＾￡１＾￥（＾１等［２９］设计了平面??辐射分布三个和四个的电阻式敏感元件，通过力柱改变不同方向上的通道内的液态金属的局??部横截面积从而使得电阻产生相应变化。Ｈｙｕｎ－Ｊｕｎ?Ｋｗｏｎ［３（）＿３２］等人采用背面凹坑的应力集中??２??
般常用方波形等结构。不少学者应用了应变计的原理探究三维力柔性触觉传感器，并在结构??设计、材料选择上展开了工作。例如，５１±＾〇：？３＾（＾等［３３］通过全打印的方式制备了一款集??合温度传感和三维力传感的触觉传感器，并采用了?ＡｇＮＰ－ＣＮＴ作为应变计的材料（图１．３??（ａ）?）。１＾６等［３４］提出了一种“桌子形状”的结构设计，采用ＳＵ－８作为“桌子”形凸起，??将加载力传递到四个“桌脚”上，每个“桌脚”的内外侧各有一个Ｎｉ－Ｃｒ应变计（图１．３??（ｂ）?）。ＸｉａｏｍｅｉＳｈｉ［３５］等人通过在ｐｌａｓｍａ处理后的ＰＤＭＳ上丝印方波形液态金属并封装的??方式制备了可测量法向力和单轴切向力的柔性触觉传感器（图１．３?（ｃ）?）。Ｈｙｕｎ－ＪｏｏｎＫｗｏｎ??等［３（）＿３２］在刻蚀打薄的ＰＩ膜上通过光刻、蒸镀的方式制备四个Ｎｉ－Ｃｒ方波形应变计图案，以??Ａｕ为互连线，用ＰＩ封装和制备凸台，得到了用于手指触觉场景的应变计式三维力柔性传感??阵列（图１．３?（ｄ））。??（ａ）?（ｂ）??Ｃｏｎｔａｃｔ?Ｐｌａｔｅ?＾?Ｓｔｒａｉｎ?ｇａｕｇｅｓ??Ｓ?＼?ｍｍ＾??（ｃ）?（ｄ）?一??■?／?Ｍｅｎｔｆａｎｅ?：?５０?ｕｍ??广?“?■?Ｍ?＾?Ｋａｐｉｃｎ??論賺＿加严邮??图１．３?（ａ）?Ｓｈｉｎｇｏ?Ｈａｒａｄａ等人采用全打印方式制备的传感阵列及单个传感单元示意图［３３］，?（ｂ）?Ｌｅｅ等??人设计的一种“桌式”三维力触觉传感器的示意图和俯视图（ｃ）?Ｘｉａｏｍｅｉ?Ｓｈｉ等人设计的一种检测??法向力和单轴剪切力的柔性传感器１Ｍ］
【参考文献】：
期刊论文
[1]压阻式触觉传感器对法向力和剪切力的检测[J]. 许玉杰,孙英,尹泽楠. 传感器与微系统. 2018(03)
[2]柔性微流体电子:材料、工艺与器件[J]. 尹周平,吴志刚,黄永安. 中国材料进展. 2016(02)
[3]炭黑/硅橡胶复合材料的压阻特性研究与改进[J]. 王鹏,丁天怀,徐峰,覃元臻. 传感技术学报. 2004(01)
[4]一种采用光波导的触觉传感器[J]. 李秀娟,许湘剑. 仪器仪表学报. 2002(S1)
本文编号：2919384
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?Ｔａｋｕｒｏ?人设计的一种立体分布的电容式三维力传感器的（ａ）结构示意图（ｂ）俯??视图和（ｃ）侧视图
原件在外力加载时得到不同的应力分布，通过对相应的电学响应进行分析实现三维力的解??耦。一般来说，感测元件的常见布局方式可分为以下两种情况：??三维立体的空间排布方式。如图１．?１所示，ＴａｋｕｒｏＮａｋａｄｅｇａｗａ等ｕ＾０将液态金属注射到??ＰＤＭＳ通道内构成四个检测切向力的球面电容，底部铜电容极板对与ＰＤＭＳ介电层构成检测??法向力的平行极板电容；采用金属小球通过为垂直方向和水平切向的应变，使得侧壁电容和??底面电容的变化。在该传感器中，法向力感测电容与切向力感测电容为垂直关系，五个电容??式感测元件相对于用于加载外力的金属小球的分布位置呈三维空间分布。??ＰＤＭＳ?ｄｏｕｂｌｅ－ｃｙｌｉｎｄｅｒ?ｂａｓｅ?＾￣??＾??Ｍｅｔａｌ?ｂａｌｌ??（ｂ）?（ｃ）??ｚ?Ｘ?Ｏｎｅ?Ｃａｐａｃｋｏｆ?▼?ｚ??麵－＾Ｈｉ??图１．１?Ｔａｋｕｒｏ?人设计的一种立体分布的电容式三维力传感器的（ａ）结构示意图（ｂ）俯??视图和（ｃ）侧视图。??平面排布方式是另一种更为常见的选择。如图１．２所示，〇３１＾￡１＾￥（＾１等［２９］设计了平面??辐射分布三个和四个的电阻式敏感元件，通过力柱改变不同方向上的通道内的液态金属的局??部横截面积从而使得电阻产生相应变化。Ｈｙｕｎ－Ｊｕｎ?Ｋｗｏｎ［３（）＿３２］等人采用背面凹坑的应力集中??２??
般常用方波形等结构。不少学者应用了应变计的原理探究三维力柔性触觉传感器，并在结构??设计、材料选择上展开了工作。例如，５１±＾〇：？３＾（＾等［３３］通过全打印的方式制备了一款集??合温度传感和三维力传感的触觉传感器，并采用了?ＡｇＮＰ－ＣＮＴ作为应变计的材料（图１．３??（ａ）?）。１＾６等［３４］提出了一种“桌子形状”的结构设计，采用ＳＵ－８作为“桌子”形凸起，??将加载力传递到四个“桌脚”上，每个“桌脚”的内外侧各有一个Ｎｉ－Ｃｒ应变计（图１．３??（ｂ）?）。ＸｉａｏｍｅｉＳｈｉ［３５］等人通过在ｐｌａｓｍａ处理后的ＰＤＭＳ上丝印方波形液态金属并封装的??方式制备了可测量法向力和单轴切向力的柔性触觉传感器（图１．３?（ｃ）?）。Ｈｙｕｎ－ＪｏｏｎＫｗｏｎ??等［３（）＿３２］在刻蚀打薄的ＰＩ膜上通过光刻、蒸镀的方式制备四个Ｎｉ－Ｃｒ方波形应变计图案，以??Ａｕ为互连线，用ＰＩ封装和制备凸台，得到了用于手指触觉场景的应变计式三维力柔性传感??阵列（图１．３?（ｄ））。??（ａ）?（ｂ）??Ｃｏｎｔａｃｔ?Ｐｌａｔｅ?＾?Ｓｔｒａｉｎ?ｇａｕｇｅｓ??Ｓ?＼?ｍｍ＾??（ｃ）?（ｄ）?一??■?／?Ｍｅｎｔｆａｎｅ?：?５０?ｕｍ??广?“?■?Ｍ?＾?Ｋａｐｉｃｎ??論賺＿加严邮??图１．３?（ａ）?Ｓｈｉｎｇｏ?Ｈａｒａｄａ等人采用全打印方式制备的传感阵列及单个传感单元示意图［３３］，?（ｂ）?Ｌｅｅ等??人设计的一种“桌式”三维力触觉传感器的示意图和俯视图（ｃ）?Ｘｉａｏｍｅｉ?Ｓｈｉ等人设计的一种检测??法向力和单轴剪切力的柔性传感器１Ｍ］
【参考文献】：
期刊论文
[1]压阻式触觉传感器对法向力和剪切力的检测[J]. 许玉杰,孙英,尹泽楠. 传感器与微系统. 2018(03)
[2]柔性微流体电子:材料、工艺与器件[J]. 尹周平,吴志刚,黄永安. 中国材料进展. 2016(02)
[3]炭黑/硅橡胶复合材料的压阻特性研究与改进[J]. 王鹏,丁天怀,徐峰,覃元臻. 传感技术学报. 2004(01)
[4]一种采用光波导的触觉传感器[J]. 李秀娟,许湘剑. 仪器仪表学报. 2002(S1)
本文编号：2919384
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