技术领域
[0001] 本
发明涉及柔性触觉传感器，尤其是涉及了一种多功能全柔性指纹状触觉传感器。技术背景
[0002] 柔性
电子器件在人工假肢、智能
机器人、可穿戴设备等方面具有广泛的应用前景。其中，柔性触觉传感器在智能机器人领域已经成为了研究热点。触觉传感器能对机器人物体操作过程中的触觉信息进行检测，并反馈给运动控制系统，使机器人的操控由单向、开环向双向、闭环转变，提升机器人在非结构环境中的复杂精细作业能
力。这使触觉传感器在空间机器人、深海探测机器人、智能医疗机器人等方向均得到了广泛的应用。
[0003] 人手
手指是人体
感知触觉信息最主要的部位，能够同时感知
接触力的大小、接触物体的
温度、粗糙度、材质等多种物理信息。为使智能机器人具有更加贴近人体的自主感知及操作能力，具备接触检测、温度测量、材质识别等多种触觉检测功能的柔性触觉传感器是必不可少的。然而，现有触觉传感器大多只具备单一信息的检测功能，如检测压力、温度等。少数具备多种检测功能的传感器则因
检测区域面积较大而难以实际用于智能机器人物体抓取过程中的触觉检测。同时，传统金属
电极的使用也极大地限制了触觉传感器的柔性，降低了传感器与机器人的集成程度，并对抓取过程中的触觉检测精确性产生了负面影响。
[0004] 综上所述，提出一种能够在较小检测区域内实现多种触觉检测功能的高柔性触觉传感器对于智能机器人的自主感知至关重要。
发明内容
[0005] 为了弥补
现有技术中的缺失，本发明的目的在于提供一种多功能指纹状触觉传感器，通过分区域
图案化结构设计赋予传感器压力、温度、材质等多种触觉检测功能，采用基于柔性
硅橡胶的导电
复合材料提高传感器各区域的检测灵敏度与整体柔性，实现传感器在结构特点与功能上的指纹状设计。
[0006] 本发明采用的技术方案是：
[0007] 一、一种多功能全柔性指纹状触觉传感器：
[0008] 所述多功能全柔性指纹状触觉传感器主要由柔性基底、硬化基底、温度测量单元、材质识别单元、压力测量单元、可拉伸电极、梁状凸台阵列紧密层叠而成；硬化基底主要由位于中央的方形区域和位于方形区域一对
角侧上的一对扇形区域连接构成，柔性基底上开设有和硬化基底形状吻合的通槽，通槽中布置硬化基底；硬化基底的方形区域上布置有温度测量单元，温度测量单元主要由热敏
电阻线构成，
热敏电阻线分为两个半圆部分，每个半圆部分是由热敏电阻线沿多个同心圆弧布置后并绕S形
串联成完整一条构成，两个半圆部分的一端在方形区域串接，两个半圆部分的另一端引出连接可拉伸电极；硬化基底的扇形区域上布置有一个材质识别单元，一对扇形区域上的两个材质识别单元以硬化基底的方形区域中心对称布置，每个材质识别单元均由弧形插指电容器组成，每个材质识别单元的弧形插指电容器的两极引出连接可拉伸电极；在硬化基底方形区域另一未设置扇形区域的对角侧的柔性基底上布置有压力测量单元，每个角布置一个压力测量单元，每个压力测量单元由弧形压敏应变线组成，弧形压敏应变线是由压敏应变线沿多个同心圆弧布置后并绕S形串联成完整一条构成，每个压力测量单元的弧形压敏应变线的两端引出连接可拉伸电极；每个压力测量单元上还布置有梁状凸台阵列，梁状凸台阵列中的多根梁状凸台沿周向间隔布置于弧形压敏应变片的弧形区域上并接触到弧形压敏应变线上表面；温度测量单元、材质识别单元、压力测量单元位于同一平面上，人手指/待测物体接触该平面，分别通过温度测量单元、材质识别单元、压力测量单元进行温度测量、材质识别和压力测量。
[0009] 本发明中，温度测量单元、材质识别单元、压力测量单元构成了主体传感部分，主体传感部分采用分区域图案化结构设计，利用多组同心圆弧线条结构串、并联连接，组成图案化热敏电阻线、弧形压敏应变线与弧形插指电容器，分别作为温度测量单元、压力测量单元与材质识别单元，并共同构成可实现温度测量、压力测量与物体材质识别功能的仿人手指纹的多功能图案化触觉传感器。
[0010] 所述的材质识别单元的弧形插指电容器、压力测量单元的弧形压敏应变线均占据大约1/4圆心角的扇形区域。
[0011] 布置在柔性基底上的五对可拉伸电极的输入端分别连接一个温度测量单元的热敏电阻线、两个材质识别单元的弧形插指电容器、两个压力测量单元的弧形压敏应变线，五对可拉伸电极的输出端汇合布置成柔性
电路板排线并与外围检测电路连接。
[0012] 所述温度测量单元、材质识别单元、压力测量单元、可拉伸电极均由柔性硅橡胶和
银纳米导电颗粒共混制成，但分别通过改变银纳米导电颗粒固含量实现四种材料的力学、电学和热学特性的区分调控，进而实现温度测量单元、材质识别单元、压力测量单元、可拉伸电极四个材料的材料原料相同但功能区分。
[0013] 其中温度测量单元具有高导电率、高热阻灵敏度；压力测量单元具有低导电率、高压阻灵敏度；材质识别单元和可拉伸电极具有高导电率、低压阻灵敏度。
[0014] 所述柔性基底、硬化基底、温度测量单元、材质识别单元、压力测量单元、可拉伸电极、梁状凸台阵列均采用柔性硅橡胶为基底制造，实现了传感器的全柔性化。
[0015] 所述温度测量单元、材质识别单元、压力测量单元线宽约为200～250μm，厚度约为100μm；可拉伸电极中电极线宽约为250～300μm，引出部分线宽约为500μm，厚度约为100μm。
传感器主体传感区域尺寸约为12mm×14mm，与人手指尖指纹处面积近似，实现了传感器结构特点与功能的指纹状设计。
[0016] 所述柔性基底为带有图案化通槽的
薄膜，采用柔性硅橡胶制造；硬化基底为具有与柔性基底中通槽相同图案形状的薄膜，采用柔性硅橡胶与纳米
二氧化硅颗粒共混制造。
[0017] 柔性基底与硬化基底厚度均约为100μm，同时硬化基底完全嵌入柔性基底的图案化通槽中，位于同一平面内。梁状凸台阵列采用柔性硅橡胶与纳米
二氧化硅颗粒共混制造，厚度约为100μm，宽度为150～550μm。传感器整体厚度约为300μm。
[0018] 所述的温度测量单元是由硅橡胶的基胶、
固化剂、银纳米颗粒以1:0.1:(1.5～1.75)比例均匀混合，按照所需图案形状涂覆在硬化基底上加热固化制成；材质识别单元是由硅橡胶的基胶、固化剂、银纳米颗粒以1:0.1:(2.5～3)比例均匀混合，按照所需图案形状涂覆在硬化基底上加热固化制成；压力测量单元是由硅橡胶的基胶、固化剂、银纳米颗粒以
1:0.1:(1～1.25)比例均匀混合，按照所需图案形状涂覆在硬化基底上加热固化制成；可拉伸电极是由硅橡胶的基胶、固化剂、银纳米颗粒以1:0.1:(3.5～4)比例均匀混合，按照所需图案形状涂覆在硬化基底上加热固化制成。
[0019] 本发明的具体制备过程是在玻璃
基板上紧密贴覆一层聚酰亚胺薄膜，浸入酒精后在超声清洗机中清洗，随后取出放置在加热台上烘干；将硅橡胶(PDMS，聚二甲基硅氧烷)的基胶、固化剂与纳米二氧化硅颗粒按照比例均匀混合；将上述材料加入
有机溶剂中搅拌至完全溶解，通过超声
破碎仪分散，随后放置在搅拌台上搅拌并将
有机溶剂完全
蒸发；冷却后放入
真空干燥箱中
脱泡，将
钢网掩膜版盖在贴有聚酰亚胺薄膜的玻璃基板上，在钢网掩膜版上
刮涂一层图案形状的硅橡胶薄膜，撤去掩膜版后在加热固化，得到硬化基底。随后利用相同方法分别制造柔性基底、温度测量单元、材质识别单元、压力测量单元、可拉伸电极、梁状凸台阵列。
[0020] 本发明利用区域化结构设计使传感器在小部署范围内具有多种测量功能，同时各层结构均采用以硅橡胶为基体的柔性复合材料制造，显著提升了传感器的柔性，在结构特点与功能上均实现了指纹状设计。
[0021] 二、一种多功能全柔性指纹状触觉传感器的制造方法，包括以下步骤：
[0022] 1)在玻璃基板上紧密贴覆一层聚酰亚胺薄膜，浸入酒精后在超声清洗机中清洗，随后取出烘干；
[0023] 2)将硅橡胶的基胶、固化剂与纳米二氧化硅颗粒均匀混合，真空脱泡后利用钢网掩膜版在贴有聚酰亚胺薄膜的玻璃基板上涂覆一层图案化的硅橡胶薄膜，加热固化后得到硬化基底；
[0024] 3)将硅橡胶的基胶与固化剂均匀混合，真空脱泡后利用涂膜器在硬化基底四周涂覆一层硅橡胶薄膜，加热固化后得到柔性基底；
[0025] 4)将硅橡胶的基胶、固化剂、银纳米颗粒按不同比例均匀混合，利用钢网掩膜版在硬化基底和柔性基底上分别涂布多组串、并联连接的同心圆弧线条结构，加热固化后分别得到温度测量单元、压力测量单元与材质识别单元；
[0026] 5)将硅橡胶的基胶、固化剂、银纳米颗粒均匀混合，并将钢网掩膜版在光学
显微镜下与步骤4)中的测量单元进行对准，利用钢网掩膜版在柔性基底上涂布具有高导电率的电极引线分别将各个单元连接并形成闭合回路，加热固化后得到可拉伸电极；
[0027] 6)将硅橡胶的基胶、固化剂与纳米二氧化硅颗粒均匀混合，真空脱泡后利用钢网掩膜版在压力测量单元上涂布梁状凸台结构，加热固化后得到梁状凸台阵列，多功能全柔性指纹状触觉传感器制造完成。
[0028] 本发明具有的有益效果是：
[0029] (1)温度测量单元、压力测量单元与材质识别单元均采用硅橡胶与银纳米颗粒制造，通过改变材料的配比来调控各单元所需的力、电、热学特性，降低了传感器制造复杂程度.
[0030] (2)利用硬化基底降低温度测量单元和材质识别单元对外力的灵敏度，减小外力对温度测量和材质识别带来的影响；利用柔性基底和梁状凸台阵列提高压力测量单元对外力的灵敏度，因此可以降低不同检测功能单元之间的耦合作用。
[0031] (3)触觉传感器中各层结构均以柔性硅橡胶为基底制造，避免了传统金属电极的使用，提升了传感器的整体柔性；同时各层均以柔性硅橡胶为基底，因此分层制造时各层之间会因硅橡胶的硅氢化反应产生稳定的键合作用，提升了传感器各层装配的强度与
稳定性。
附图说明
[0032] 图1是本发明传感器分层结构拆分立体图。
[0033] 图2是本发明传感器总体结构俯视图。
[0034] 图3是本发明传感器温度测量单元示意图。
[0035] 图4是本发明传感器材质识别单元示意图。
[0036] 图5是本发明传感器压力测量单元示意图。
[0037] 图6是本发明传感器可拉伸电极示意图。
[0038] 图7是本发明传感器钢网掩膜版示意图。
[0039] 图8为
实施例中柔性基底1与硬化基底2压缩模量对比结果图。
[0040] 图9为实施例中压力测量单元5的电阻值随拉伸形变的变化关系结果图。
[0041] 图10为实施例中材料导电率随银纳米颗粒固含量的变化关系结果图。
[0042] 图11为实施例中材料拉伸率随银纳米颗粒固含量的变化关系结果图。
[0043] 图中：1.柔性基底，2.硬化基底，3.温度测量单元，4.材质识别单元，5.压力测量单元，6.可拉伸电极，7.梁状凸台阵列。
具体实施方式
[0044] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0045] 如图1、图2所示，多功能全柔性指纹状触觉传感器主要由柔性基底1、硬化基底2、温度测量单元3、材质识别单元4、压力测量单元5、可拉伸电极6、梁状凸台阵列7紧密层叠而成；硬化基底2主要由位于中央的带圆角的方形区域和位于方形区域一对角侧上的一对扇形区域连接构成，即一对扇形区域以方形区域中心对称连接在方形区域的对称两个对角处，连接成一体；柔性基底1上开设有和硬化基底2形状吻合的通槽，通槽中布置硬化基底2；其中，温度测量单元、材质识别单元、压力测量单元由多组同心圆弧线条结构组成，分别形成图案化热敏电阻线、弧形插指电容器与弧形压敏应变线，构成可实现温度测量、物体材质识别与压力测量的仿人手指纹的多功能触觉传感器。
[0046] 单个传感器中包含一个温度测量单元3、两个材质识别单元4和两个个压力测量单元5。
[0047] 如图3所示，硬化基底2的方形区域上布置有温度测量单元3，温度测量单元3主要由图案化热敏电阻线构成，热敏电阻线分为两个串联的半圆部分，每个半圆部分是由热敏电阻线沿多个同心圆弧布置后并绕S形串联成完整一条构成，两个半圆部分的一端在方形区域串接，两个半圆部分的另一端引出连接可拉伸电极6；温度测量单元3结构布置下与不同表面温度物体发生接触时产生不同电
阻变化，实现温度测量。
[0048] 如图2、图4所示，硬化基底2的扇形区域上布置有一个材质识别单元4，一对扇形区域上的两个材质识别单元4以硬化基底2的方形区域中心对称布置，每个材质识别单元4均由弧形插指电容器组成，即由插指电容器以同心圆弧布置，电容器裸露在空气中，每个材质识别单元4的弧形插指电容器的两极引出连接可拉伸电极6；材质识别单元4结构布置下在初始状态下以空气为
电介质，在与物体发生接触时电容器电介质发生变化，引起
介电常数变化，进而改变插指电容器的电容值，实现物体材质识别。
[0049] 如图2、图5所示，在硬化基底2方形区域另一未设置扇形区域的对角侧的柔性基底1上布置有压力测量单元5，每个角布置一个压力测量单元5，每个压力测量单元5由弧形压敏应变线组成，弧形压敏应变线是由压敏应变线沿多个同心圆弧布置后并绕S形串联成完整一条构成，每个压力测量单元5的弧形压敏应变线的两端引出连接可拉伸电极6；每个压力测量单元5上还布置有梁状凸台阵列7，梁状凸台阵列7中的多根梁状凸台沿周向间隔布置于弧形压敏应变片的弧形区域上并接触到弧形压敏应变片上表面，两个压力测量单元5上的梁状凸台阵列7以硬化基底2的方形区域中心对称布置；压力测量单元5的结构布置下受到外力作用后压敏应变线中线条结构发生拉伸形变，使应变线电阻增大，实现压力测量；
[0050] 温度测量单元3、材质识别单元4、压力测量单元5位于同一平面上，人手指/待测物体接触该平面，分别通过温度测量单元3、材质识别单元4、压力测量单元5进行温度测量、材质识别和压力测量。
[0051] 本发明中，温度测量单元3、材质识别单元4、压力测量单元5构成了主体传感部分，主体传感部分采用分区域图案化结构设计，利用多组同心圆弧线条结构串、并联连接，组成图案化热敏电阻线、弧形压敏应变线与弧形插指电容器，分别作为温度测量单元3、压力测量单元5与材质识别单元4，并共同构成可实现温度测量、压力测量与物体材质识别功能的仿人手指纹的多功能图案化触觉传感器。
[0052] 具体实施中，材质识别单元4的弧形插指电容器、压力测量单元5的弧形压敏应变线均占据大约1/4圆心角的扇形区域。
[0053] 如图1、图2、图6所示，具体实施包括布置在柔性基底1上的五对可拉伸电极6，五对可拉伸电极6的输入端分别连接一个温度测量单元3的热敏电阻线、两个材质识别单元4的弧形插指电容器、两个压力测量单元5的弧形压敏应变线，五对可拉伸电极6的输出端汇合布置成柔性
电路板排线并与外围检测电路连接。温度测量单元3、材质识别单元4、压力测量单元5两端均由可拉伸电极6连接并形成闭合回路，同时可拉伸电极6中的各条电极引线均引出至柔性基底1上的同一侧形成柔性电路板排线与外围检测电路相连。
[0054] 如图2、图3、图4所示，温度测量单元3和材质识别单元4排布在硬化基底2上，在与物体发生接触时由于硬化基底2难以被压缩，温度测量单元3和材质识别单元4不会发生明显形变，进而减小外力对温度测量与材质识别性能的影响。
[0055] 如图2、图5所示，压力测量单元5排布在柔性基底1上，其顶部设置梁状凸台阵列7，传感器受到外力作用时，梁状凸台阵列7产生
应力集中并传递至压力测量单元5，使压力测量单元5发生拉伸形变并产生电阻变化，提高单元压力测量灵敏度。
[0056] 如图1、图2所示，柔性基底1、硬化基底2、温度测量单元3、材质识别单元4、压力测量单元5、可拉伸电极6、梁状凸台阵列7均采用柔性硅橡胶为基底制造，实现了传感器的全柔性化设计。所述温度测量单元3、材质识别单元4、压力测量单元5线宽约为200～250μm，厚度约为100μm；可拉伸电极6中电极线宽约为250～300μm，引出部分长度为5mm，线宽约为500μm，线间距约为500μm，厚度约为100μm。传感器主体传感区域尺寸约为12mm×14mm，与人手指尖指纹处面积近似，实现了传感器结构特点与功能的指纹状设计。
[0057] 如图3、图4、图5、图6所示，温度测量单元3、材质识别单元4、压力测量单元5、可拉伸电极6均由柔性硅橡胶和银纳米导电颗粒共混制成，通过改变银纳米导电颗粒固含量实现材料力学、电学、热学特性的调控。其中温度测量单元3具有高导电率、高热阻灵敏度(导电率σ～102S/cm)；压力测量单元4具有低导电率、高压阻灵敏度(导电率σ～0.1S/cm，应变系数GF～106)；材质识别单元5和可拉伸电极6具有高导电率、低压阻灵敏度(导电率σ～103S/cm，应变系数GF～10)。
[0058] 如图1所示，柔性基底1为带有图案化通槽的薄膜，采用柔性硅橡胶制造；硬化基底2为具有与柔性基底中通槽相同图案的薄膜，采用柔性硅橡胶与纳米二氧化硅颗粒共混制造。柔性基底1与硬化基底2厚度均约为100μm，同时硬化基底2完全嵌入柔性基底1的图案化通槽中，位于同一平面内。梁状凸台阵列7采用柔性硅橡胶与纳米二氧化硅颗粒共混制造，厚度约为100μm，宽度为150～550μm。传感器整体厚度约为300μm。
[0059] 本发明提供的制造方法，主要包括硬化基底2的制造，柔性基底1的制造，温度测量单元3、材质识别单元4、压力测量单元5的制造，可拉伸电极6的制造，以及梁状凸台阵列7的制造等几大步骤。
[0060] 本发明的实施例及其实施过程如下：
[0061] 1)硬化基底2的制造：
[0062] 在5cm×5cm的玻璃基板上紧密贴覆一层厚度为100μm的聚酰亚胺薄膜，浸入酒精后在超声清洗机中清洗15分钟，随后取出放置在80℃加热台上烘干。
[0063] 将硅橡胶(PDMS，聚二甲基硅氧烷)的基胶、固化剂与纳米二氧化硅颗粒按照1:0.1:0.1比例均匀混合。将上述材料加入有机溶剂中搅拌至完全溶解，通过超声破碎仪在
100W功率下分散1小时，随后放置在80℃的搅拌台上搅拌并将有机溶剂完全蒸发。冷却后放入真空干燥箱中脱泡，随后将图7中的钢网掩膜版8在贴有聚酰亚胺薄膜的玻璃基板上，在钢网掩膜版8上刮涂一层图案化的硅橡胶薄膜，撤去掩膜版后在80℃加热固化两小时，得到硬化基底2。钢网掩膜版厚度为100μm，所以制造的硬化基底2厚度也为100μm。
[0064] 2)柔性基底1的制造：
[0065] 将硅橡胶的基胶与固化剂按照1:0.1比例均匀混合，在真空干燥箱中脱泡后利用涂膜器在硬化基底2四周涂覆一层硅橡胶薄膜，在80℃加热固化两小时后得到柔性基底1。柔性基底1与硬化基底2压缩模量对比如图8所示。
[0066] 3)温度测量单元3、材质识别单元4、压力测量单元5的制造：
[0067] 将硅橡胶的基胶、固化剂、银纳米颗粒以1:0.1:1.75比例按照步骤1)中的方法均匀混合。将钢网掩膜版8贴在硬化基底2上并对准，将前述混合材料涂覆在硬化基底2上，撤去掩膜版后在80℃加热固化两小时，得到温度测量单元3(σ～102S/cm)。
[0068] 将硅橡胶的基胶、固化剂、银纳米颗粒以1:0.1:3比例按照步骤1)中的方法均匀混合。将钢网掩膜版8贴在硬化基底2上并对准，将前述混合材料涂覆在硬化基底2上，撤去掩膜版后在80℃加热固化两小时，得到材质识别单元4(σ～103S/cm，GF～10)。
[0069] 将硅橡胶的基胶、固化剂、银纳米颗粒以1:0.1:1.25比例按照步骤1)中的方法均匀混合。将钢网掩膜版8贴在柔性基底1上并对准，将前述混合材料涂覆在柔性基底1上，撤去掩膜版后在80℃加热固化两小时，得到压力测量单元5(σ～0.1S/cm，GF～106)。
[0070] 压力测量单元5的电阻值随拉伸形变的变化关系如图9所示。
[0071] 4)可拉伸电极6的制造：
[0072] 将硅橡胶的基胶、固化剂、银纳米颗粒以1:0.1:3.5比例按照步骤1)中的方法均匀混合。将钢网掩膜版8贴在柔性基底1上，在
光学显微镜下将掩膜版电极镂空处与温度测量单元3、材质识别单元4、压力测量单元5的两端对准，将前述混合材料涂覆在柔性基底1上，撤去掩膜版后在80℃加热固化两小时，得到可拉伸电极6(σ～103S/cm，GF～10)。
[0073] 下图为材料导电率与拉伸率随银纳米颗粒固含量的变化关系：
[0074] 5)梁状凸台阵列7的制造：
[0075] 将硅橡胶的基胶、固化剂与纳米二氧化硅颗粒以1:0.1:0.1比例按照步骤1)中的方法均匀混合。将钢网掩膜版8贴在压力测量单元5上并对准，将前述混合材料涂覆在压力测量单元5上，撤去掩膜版后在80℃加热固化两小时，得到梁状凸台阵列7，并完成多功能全柔性指纹状触觉传感器的制造。
[0076] 具体实施中，硅橡胶采用道康宁公司的SYLGARD 184硅橡胶；银纳米导电颗粒采用Sigma-Aldrich公司的银纳米颗粒。
[0077] 由此可见，本发明利用区域化结构设计使传感器在小部署范围内具有多种测量功能，同时各层结构均采用以硅橡胶为基体的柔性复合材料制造，显著提升了传感器的柔性，在结构特点与功能上均实现了指纹状设计。
