一种非对称结构的三维触觉传感器及其制备方法

1.本发明属于触觉传感器技术领域，具体涉及一种非对称结构的三维触觉传感器及其制备方法。


背景技术：

2.在传感器检测力的维度方面，目前，对于单维力的研究较为广泛且成熟：
3.浙江大学的沃华蕾(沃华蕾.电容式三维力柔性触觉传感器的设计与制备[d].浙江大学,2019.)针对层间对准偏差以及测量过程中上层电容极板相对于下层电容极板会发生一定的偏移的情况，提出了一种呈“十”字型的上下电容极板对结构设计，其中单个电容极板结构为长方形，上下电容极板的正对面积为正方形，在切向的四个方向(+x、x、y、y)上各自留有相同的面积余量；缺点是这种三维传感器仅能单独测出z方向或者切向力的大小和方向，不能真正意义上的实现三维力的检测，即同时测出任意力的方向以及大小。结构复杂，工作原理复杂。
[0004]
罗丞曜课题组(ochtar chandra,da-jeng yao,rongshun chen,cheng-yao lo.spatial resolution maximization forcapacitive tactile sensors[c].mems 2016:881-884.)在不对称电容极板的设计与电容极板的排布方面做了大量研究工作，采用上下层错位排布的长方形电容极板代替了传统正方形电容极板结构，但是该技术中电极板排布有缺陷，需要八块电极板才可以满足需求。
[0005]
张淑艳(张淑艳,张金红,赵立蕊.一种简单的电容式三维力柔性触觉传感器设计[j].电子器件,2018,41(1):5.)提出了一种传感器的结构。该结构包含3个层，第1层为焊接在印刷电路板(pcb)上的传感电极，第2层为能够提供气隙的绝缘材料，最上面一层是柔性的半球形物，由两部分硅橡胶组成，其介电常数为3～4。pcb的底部是接地层；该技术缺点是结构复杂，电极利用率不高，无法同时测z方向力与切向力的力大小与力方向。
[0006]
电子科技大学的王灿(王灿.基于pdms的柔性触觉传感器的制备和信号采集电路的设计)发明了一种电容式传感器，该电容式传感器在受到平行于极板表面的力或者力分量时，由于传感器各层受力情况的不同，电介质和极板会发生不同大小的切向位移，导致电容的上下极板之间的有效面积(正对面积)发生变化，相应的电容值也会发生改变；为检测切向力的方向，用三个电容器来反映切向方的方向，在受到一定方向的切向力时，1个电容的电容值具有增加、减小和不变三种情况，3个电容组成的一个敏感单元共有9种状态，刚好能反映切向力的九种方向(不受力，沿x、y轴正、反方向的力，不沿x、y轴方向的力)；但是这种电极的排布仅能单独测出z方向上力的大小或者单独测出切向力的大小和方向。
[0007]
依照现在的发展趋势，机器人的触觉系统势必要加入更为全面的触觉传感器，所配备的柔性触觉传感器不仅能够实现对垂直压力大小的检测，也要有压力的同时能够检测到水平切向力的大小，这样一来，当机器人握持物体时，就会得到不同方向上的压力与切向力，以用来判断物体形状，再或者当机器人接触一些表面不光滑的材质，通过压力与切向力的曲线关系来判断具体是哪种材质，现有技术中单维力触觉传感器很显然是不满足要求
的。
[0008]
面对未来的机器人技术，航天领域以及医疗技术等方面，柔性触觉三维力的研究具有非常重要的作用和意义。
[0009]
现有的电容式三维触觉传感器主要存在以下几个问题：
[0010]
(1)功能不完善：不能同时测出z方向力与切向力的大小与方向；
[0011]
(2)电极的利用率不高：电极数量虽然很多但是没有真正的解决切向力与z方向力的解耦问题，没有充分发挥每块电极板的作用；
[0012]
(3)电极布置方式复杂：电极不仅有水平排布，而且还有竖直排布，大大增加了传感器的制作难度；
[0013]
(4)电极排布复杂：在水平排布的电极当中，由于为了测出切向力的方向以及大小，在多块电极板利用率不高的情况，就需要对电极进行复杂的排布。


技术实现要素：

[0014]
针对上述技术问题，本发明提供一种非对称结构的三维触觉传感器及其制备方法；本发明提供的所述三维触觉传感器，从电容的电极板分布上入手，根据所述三维触觉传感器的电极排布，结合所述上电极受力后位移数据，能够同时测出z方向力的大小与切向力的大小与方向，为真正意义上的电容式三维力传感器。
[0015]
本发明采用的技术方案：
[0016]
一种非对称结构的三维触觉传感器，所述三维触觉传感器包括：自上而下设置的上封装层、上电极、介质层、下电极、下封装层；
[0017]
所述上电极的数量为一个，为公共电极，且所述上电极为正方形电极；所述下电极的数量为三个，包括第一下电极、第二下电极和第三下电极；三个所述下电极均为正方形电极，且三个所述下电极的边长相等；所述上电极的边长大于单个下电极的边长；
[0018]
所述第一下电极和所述第三下电极水平平行，所述第二下电极和所述第三下电极竖直平行；
[0019]
所述三维触觉传感器在工作时，三个所述下电极板在下方固定不动，所述上电极受力后移动；根据所述三维触觉传感器的电极排布，结合所述上电极受力后位移数据，计算获得对所述上电极施加的纵向力，即z方向力的大小，以及获得对所述上电极施加的切向力的大小与方向。
[0020]
进一步地，所述三维触觉传感器的初始电极排布具体为：
[0021]
所述第一下电极和所述第三下电极之间的间距及所述第二下电极和所述第三下电极之间的间距相等，均等于单个下电极边长的一半；
[0022]
所述第三下电极和所述第一下电极的上边界与所述上电极的上边界之间的距离等于单个下电极边长的一半；所述第三下电极和所述第二下电极的左边界与所述上电极的左边界之间的距离等于单个下电极边长的一半；所述第一下电极和所述第二下电极分别被所述上电极的右边界和下边界平分；
[0023]
所述上电极的上边界、所述上电极的左边界、所述第一下电极的右边界、所述第二下电极的下边界与封装层边界的距离均等于单个下电极边长的一半；
[0024]
所述下电极的边长范围为：3mm～4mm；所述上电极的边长为所述下电极边长的2.5
倍。
[0025]
本发明中通过限定所述三维触觉传感器的电极排布，能够提高电极效率(仅使用四块电极板)；在电极高效率的情况下，实现真正意义上的三维力检测；该电极排布中，电极板采用水平排布，简化了制作流程；并且该电极排布简单，电极板位置参数容易设置。
[0026]
进一步地，所述三维触觉传感器在工作时，所述上电极受力后能够沿着x轴正方向、负方向移动，沿着y轴正方向、负方向移动，以及沿着z轴负方向移动；
[0027]
所述上电极沿着x轴正方向、x轴负方向、y轴正方向以及y轴负方向移动的最大距离均等于单个下电极边长的一半。
[0028]
进一步地，所述上封装层、所述下封装层以及所述介质层均采用聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂制备。
[0029]
进一步地，设定所述上电极和所述第一下电极之间的电容为第一电容c1，所述上电极和所述第二下电极之间的电容为第二电容c2，所述上电极和所述第三下电极之间的电容为第三电容c3；
[0030]
所述上电极受力后，产生向下的位移δd；根据以下公式推导得对所述上电极施加的z方向力f的大小，以及向下的位移δd：
[0031][0032][0033][0034][0035][0036][0037]
式中：c3为初始电极排布状态下对应的第三电容c3的初始电容值；c3′
为上电极受力后第三电容c3的电容值；ε为介质层对应的介电常数；b为下电极边长；d为电极板间距；f为纵向力，即z方向力大小；r(f)为响应度；s(f)为预先测得的所述三维触觉传感器纵向的灵敏度，即单位力的响应度。
[0038]
进一步地，对所述上电极施加的切向力的大小与方向的计算方法为：
[0039]
所述上电极受力后沿x轴和y轴分别产生x向位移δx和y向位移δy；通过如下公式推导得出δx与δy：
[0040][0041]
[0042][0043][0044][0045][0046]
式中：δx为上电极沿x轴方向位移；δy为上电极沿y轴方向位移；
[0047]
c1为初始电极排布状态下对应的第一电容c1的初始电容值；c1′
为上电极受力后第一电容c1的电容值；c2为初始电极排布状态下对应的第二电容c2的初始电容值；c2′
为上电极受力后第二电容c2的电容值；b为下电极边长，a为下电极边长的一半，即a＝0.5b；
[0048]
通过预先测得的所述三维触觉传感器对应的切向力与位移响应曲线，得出切向力大小。
[0049]
进一步地，所述三维触觉传感器安装在机器人手指表面，或大面积安装在机器人身体表面。
[0050]
一种新的电容式传感器的制备方法，用于制备所述三维触觉传感器，所述方法包括：
[0051]
制备上封装层、下封装层：将聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂的混合溶液滴在旋涂仪的旋涂载玻片上，根据封装层的目标厚度，调制转速进行旋涂，退火半固化，获得退火半固化的上封装层和下封装层；
[0052]
按照所述三维触觉传感器的初始电极排布，分别将上电极掩膜与下电极掩膜覆盖在退火半固化的上封装层和下封装层上；电极材料选择纳米银或者掺杂石墨烯的纳米银线，喷涂电极材料溶液，并将导电铜线引出；
[0053]
分别取下上电极掩膜与下电极掩膜，退火，使上封装层和下封装层固化；
[0054]
将聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂的混合溶液滴在已喷涂上电极的封装层上，将旋涂仪调至合适转速，旋涂制作介质层，旋涂完毕后退火半固化；
[0055]
将下电极对准半固化的介质层进行贴合，完成所述三维触觉传感器封装与制作。
[0056]
进一步地，所述聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂的混合溶液的制备方法为：
[0057]
按照聚二甲基硅氧烷pdms:交联剂＝(5-15):1的质量比，将聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂混合，采用磁力搅拌机进行搅拌混合，将混合溶液放置在真空箱进行抽真空，去除溶液内的气泡，获得所述聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂的混合溶液。
[0058]
进一步地，在介质层与上电极的接触面光刻金字塔结构。
[0059]
本发明有益技术效果：
[0060]
本发明提供三维触觉传感器，根据电极排布，结合所述上电极受力后位移数据，能够同时测出z方向力的大小与切向力的大小与方向，为真正意义上的电容式三维力传感器。
[0061]
本发明提供的所述非对称结构的三维触觉传感器从电容的电极板分布上入手，电容的电极板制作工艺目前较为成熟，能够很方便地实现同时测出z方向力的大小与切向力
的大小与方向。
附图说明
[0062]
图1是本发明实施例中单个三维触觉传感器的西南等轴测结构示意图；
[0063]
图2是本发明实施例中三维触觉传感器的侧视结构示意图；
[0064]
图3是本发明实施例中三维触觉传感器的俯视图；
[0065]
图4是本发明实施例中三维触觉传感器阵列的俯视图；
[0066]
图5是本发明实施例三维触觉传感器中上电极(c4)沿着x轴负方向移动最大距离后的位置示意图；
[0067]
图6是本发明实施例三维触觉传感器中上电极(c4)沿着x轴正方向移动最大距离后的位置示意图；
[0068]
图7是本发明实施例三维触觉传感器中上电极(c4)沿着y轴负方向移动最大距离后的位置示意图；
[0069]
图8是本发明实施例三维触觉传感器中上电极(c4)沿着y轴正方向移动最大距离后的位置示意图；
[0070]
图9是本发明实施例三维触觉传感器中上电极(c4)沿着x轴、y轴分别位移δx和δy后的位置示意图；
[0071]
图10是本发明实施例三维触觉传感器应力应变曲线，即法向力与法向位移曲线；
[0072]
图11是本发明实施例三维触觉传感器中上电极在10kpa压强下的受力以及形变位移仿真图；
[0073]
图12是本发明实施例三维触觉传感器中介质层在10kpa压强下的受力以及形变位移仿真图；
[0074]
图13是本发明实施例三维触觉传感器中下电极在10kpa压强下的受力以及形变位移仿真图；
[0075]
图14是本发明实施例中未受力时，上电极位移示意图；
[0076]
图15是本发明实施例中受到切向力10kpa的情况下，上电极的位移数据图；
[0077]
附图标记：1.上封装层；2.上电极；3.介质层；4.下电极；5.下封装层。
具体实施方式
[0078]
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
[0079]
如图1-4所示，一种非对称结构的三维触觉传感器，所述三维触觉传感器包括：自上而下设置的上封装层、上电极、介质层、下电极、下封装层；
[0080]
所述上电极(c4)的数量为一个，为公共电极，且所述上电极为正方形电极；所述下电极的数量为三个，包括第一下电极(c1)、第二下电极(c2)和第三下电极(c3)；三个所述下电极均为正方形电极，且三个所述下电极的边长相等；所述上电极的边长大于单个下电极的边长；其中，所述上电极以及三个下电极分别与一引出的铜线连接；
[0081]
所述第一下电极和所述第三下电极水平平行，所述第二下电极和所述第三下电极竖直平行；
[0082]
所述三维触觉传感器在工作时，三个所述下电极板在下方固定不动，所述上电极受力后移动；根据所述三维触觉传感器的电极排布，结合所述上电极受力后位移数据，计算获得对所述上电极施加的纵向力，即z方向力的大小，以及获得对所述上电极施加的切向力的大小与方向。
[0083]
所述三维触觉传感器的电极排布具体为：
[0084]
所述三维触觉传感器的初始电极排布具体为：
[0085]
所述第一下电极和所述第三下电极之间的间距及所述第二下电极和所述第三下电极之间的间距相等，均等于单个下电极边长的一半；
[0086]
所述第三下电极和所述第一下电极的上边界与所述上电极的上边界之间的距离等于单个下电极边长的一半；所述第三下电极和所述第二下电极的左边界与所述上电极的左边界之间的距离等于单个下电极边长的一半；所述第一下电极和所述第二下电极分别被所述上电极的右边界和下边界平分；
[0087]
所述上电极的上边界、所述上电极的左边界、所述第一下电极的右边界、所述第二下电极的下边界与封装层边界的距离均等于单个下电极边长的一半；
[0088]
所述下电极的边长范围为：3mm～4mm；所述上电极的边长为所述下电极边长的2.5倍。
[0089]
上述电极排布使传感器工作时，上电极(公共电极)在正常范围内移动时满足正对面积的需求。
[0090]
如图5-8所示；在本实施例中，所述三维触觉传感器在工作时，所述上电极受力后能够沿着x轴正方向、负方向移动，沿着y轴正方向、负方向移动，以及沿着z轴负方向移动；
[0091]
所述上电极沿着x轴正方向、x轴负方向、y轴正方向以及y轴负方向移动的最大距离均等于单个下电极边长的一半。
[0092]
在本实施例中，所述上封装层、所述下封装层以及所述介质层均采用聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂制备。
[0093]
其中，封装层的材料选用为pdms(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)的原因为：pdms材料具有弹性，杨氏模量小，电绝缘性优良，耐腐蚀，是一种可以给电容式提供较好绝缘环境、较好灵敏度的材料。
[0094]
优选地，所述上封装层、所述下封装层为边长相同的正方形，且所述上封装层和所述下封装层边长为单个下电极边长的4倍。
[0095]
在本实施例中，对所述上电极施加的z方向力的大小的计算方法为：
[0096]
假设在纵向与切向上，上电极的形变忽略不计，所述上电极受力后，产生向下位移δd，如图9所示，并沿x轴和y轴分别产生x向位移δx和y向位移δy；
[0097]
设定所述上电极和所述第一下电极之间的电容为第一电容c1，所述上电极和所述第二下电极之间的电容为第二电容c2，所述上电极和所述第三下电极之间的电容为第三电容c3；
[0098]
预先测得所述三维触觉传感器纵向的灵敏度s(f)、切向力与位移响应曲线，通过第三电容电容的变化，根据下式推导得对所述上电极施加的z方向力f的大小与δd：
[0099]
[0100][0101][0102][0103][0104][0105]
式中：c3为初始电极排布状态下对应的第三电容c3的初始电容值；c3′
为上电极受力后第三电容c3的电容值；ε为介质层对应的介电常数；b为下电极边长；d为电极板间距；f为纵向力，即z方向力大小；r(f)为响应度；s(f)为预先测得的所述三维触觉传感器纵向的灵敏度，即单位力的响应度。
[0106]
假设在纵向与切向上，上电极的形变忽略不计，所述上电极受力后沿x轴和y轴分别产生x向位移δx和y向位移δy；通过如下公式推导得出δx与δy：
[0107][0108][0109][0110][0111][0112][0113]
式中：δx为上电极沿x轴方向位移；δy为上电极沿y轴方向位移；
[0114]
c1为初始电极排布状态下对应的第一电容c1的初始电容值；c1′
为上电极受力后第一电容c1的电容值；c2为初始电极排布状态下对应的第二电容c2的初始电容值；c2′
为上电极受力后第二电容c2的电容值；b为下电极边长，a为下电极边长的一半，即a＝0.5b；
[0115]
通过预先测得的所述三维触觉传感器对应的切向力与位移响应曲线，计算获得对所述上电极施加的切向力的大小：
[0116]
得出切向力大小。
[0117]
其中，不同比例的聚二甲基硅氧烷pdms与交联剂的制备的介质层的性能不一样，但三维触觉传感器纵向的灵敏度s(f)、切向力与位移响应曲线测量方法是一样的，如下：
[0118]
(1)纵向的灵敏度的测量方法：
[0119]
灵敏度的定义为：灵敏度的定义为：单位力的响应度即灵敏度，响应度的定义为：电容变化δc。
[0120]
所以测量纵向的灵敏度需要搭建测力平台，通过不断地施加纵向力，并且记录电容值，对其拟合后求导，得到纵向力的灵敏度。
[0121]
(2)切向力与位移的响应曲线的绘制方法：在制备好的传感器的上封装层做标记，标记处为上电极左侧边的中心，通过测力平台施加不断增加的切向力，并记录位移大小，绘制切向力与位移响应曲线，同时可以与仿真比较，完善曲线。
[0122]
在本实施例中，所述三维触觉传感器能够安装在机器人手指表面，或大面积安装在机器人身体表面。
[0123]
本发明还提供一种新的电容式传感器的制备方法实施例，所述方法包括：
[0124]
制备上封装层、下封装层：将聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂的混合溶液滴在旋涂仪的旋涂载玻片上，根据封装层的目标厚度，调制转速进行旋涂，退火半固化，获得退火半固化的上封装层和下封装层；
[0125]
按照所述三维触觉传感器的电极排布，分别将上电极掩膜与下电极掩膜覆盖在退火半固化的上封装层和下封装层上；电极材料选择纳米银或者掺杂石墨烯的纳米银，喷涂电极材料溶液，并将导电铜线引出；
[0126]
分别取下上电极掩膜与下电极掩膜，退火，使上封装层和下封装层固化；
[0127]
将聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂的混合溶液滴在已喷涂上电极的封装层上，将旋涂仪调至合适转速，旋涂制作介质层，旋涂完毕后退火半固化；
[0128]
将下电极对准半固化的介质层进行贴合，完成所述三维触觉传感器封装与制作。
[0129]
在本实施例中，所述聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂的混合溶液的制备方法为：
[0130]
按照聚二甲基硅氧烷pdms:交联剂＝(5-15):1的质量比，将聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂混合，采用磁力搅拌机进行搅拌混合，将混合溶液放置在真空箱进行抽真空，去除溶液内的气泡；其中，在制备pdms的过程中，由于pdms在室温下本身不能固化，所以要加入交联剂，
[0131]
在本实施例中，由于pdms具有良好的弹性，所以介质层也选用pdms；在介质层与上电极的接触面光刻金字塔结构，能够进一步增加传感器的灵敏度。其中，金字塔结构是一种微结构，普通介质层是平整光滑的，光刻金字塔结构就是在介质层表面利用光刻机形成微米级的金字塔结构，减小介质与电极的接触面积，使得电极在受到切向力与纵向力时对力的反馈更加灵敏。
[0132]
利用comsol对本发明实施例中上述所述三维触觉传感器进行有限元仿真：
[0133]
1)如图10为pdms:交联剂(10:1)的应力应变曲线(纵向力的应变曲线)，此仿真结果用来证明，pdms在形变未超过50％的情况下，其应力与应变的关系可以当作线性变化处理。
[0134]
2)如图11-13为所述三维触觉传感器在10kpa压强下的受力以及形变位移仿真。此仿真数据证明上在正常受力的情况下，上电极的形变可以忽略不计；下电极的形变可以忽略不记，当作刚体处理；表3-1为仿真具体数据。
[0135]
表3-1
[0136][0137]
在受到切向力10kpa的情况下，上电极的位移以及面积变化仿真：如图14-15，结合表3-2的数据；图14是受力前的情况，可见左端横坐标为2mm，右端横坐标为12mm，未产生形变。如图15及表3-2，在受到切向力后，左端位移为3.8657
×
10-3
；端位移为5.4666
×
10-3
，形变大小为1.6
×
10-3
；占总长度的0.016％。
[0138]
表3-2受力后的上电极的位移数据
[0139][0140]
本实施例提供的非对称结构的三维触觉传感器可以安装在机器人手指表面，也可以大面积安装在机器人身体表面；当柔性传感器与外界力互动时，通过电容的变化反应受力的大小以及方向，能够通过受力信息(包括大小以及方向)判断是否传感器与接触面时候发生滑动。
[0141]
本实施例提供的三维触觉传感器可以检测压力大小与切向力大小与方向，故在传感器与接触面发生滑动时，可以得到压力与切向力大小信息；通过压力与切向力的曲线特征可以判断接触面的摩擦力大小，进而判断接触面材质。
[0142]
通过上述实施例，在与外界互动过程中实现触觉感知功能的柔性电子皮肤不仅可以应用于工业智能制造，也可应用于医疗服务，如智能手术，病理诊断等。
[0143]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种非对称结构的三维触觉传感器，其特征在于，所述三维触觉传感器包括：自上而下设置的上封装层、上电极、介质层、下电极、下封装层；所述上电极的数量为一个，为公共电极，且所述上电极为正方形电极；所述下电极的数量为三个，包括第一下电极、第二下电极和第三下电极；三个所述下电极均为正方形电极，且三个所述下电极的边长相等；所述上电极的边长大于单个下电极的边长；所述第一下电极和所述第三下电极水平平行，所述第二下电极和所述第三下电极竖直平行；所述三维触觉传感器在工作时，三个所述下电极板在下方固定不动，所述上电极受力后移动；根据所述三维触觉传感器的初始电极排布，结合所述上电极受力后位移数据，计算获得对所述上电极施加的纵向力，即z方向力的大小，以及获得对所述上电极施加的切向力的大小与方向。2.根据权利要求1所述一种非对称结构的三维触觉传感器，其特征在于，所述三维触觉传感器的初始电极排布具体为：所述第一下电极和所述第三下电极之间的间距及所述第二下电极和所述第三下电极之间的间距相等，均等于单个下电极边长的一半；所述第三下电极和所述第一下电极的上边界与所述上电极的上边界之间的距离等于单个下电极边长的一半；所述第三下电极和所述第二下电极的左边界与所述上电极的左边界之间的距离等于单个下电极边长的一半；所述第一下电极和所述第二下电极分别被所述上电极的右边界和下边界平分；所述上电极的上边界、所述上电极的左边界、所述第一下电极的右边界、所述第二下电极的下边界与封装层边界的距离均等于单个下电极边长的一半；所述下电极的边长范围为：3mm～4mm；所述上电极的边长为所述下电极边长的2.5倍。3.根据权利要求2所述一种非对称结构的三维触觉传感器，其特征在于，所述三维触觉传感器在工作时，所述上电极受力后能够沿着x轴正方向、负方向移动，沿着y轴正方向、负方向移动，以及沿着z轴负方向移动；所述上电极沿着x轴正方向、x轴负方向、y轴正方向以及y轴负方向移动的最大距离均等于单个下电极边长的一半。4.根据权利要求1所述一种非对称结构的三维触觉传感器，其特征在于，所述上封装层、所述下封装层以及所述介质层均采用聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂制备。5.根据权利要求1所述一种非对称结构的三维触觉传感器，其特征在于，设定所述上电极和所述第一下电极之间的电容为第一电容c1，所述上电极和所述第二下电极之间的电容为第二电容c2，所述上电极和所述第三下电极之间的电容为第三电容c3；所述上电极受力后，产生向下的位移δd；根据以下公式推导得对所述上电极施加的z方向力f的大小，以及向下的位移δd：方向力f的大小，以及向下的位移δd：
式中：c3为初始电极排布状态下对应的第三电容c3的初始电容值；c
′3为上电极受力后第三电容c3的电容值；ε为介质层对应的介电常数；b为下电极边长；d为电极板间距；f为纵向力，即z方向力大小；r(f)为响应度；s(f)为预先测得的所述三维触觉传感器纵向的灵敏度，即单位力的响应度。6.根据权利要求5所述一种非对称结构的三维触觉传感器，其特征在于，对所述上电极施加的切向力的大小与方向的计算方法为：所述上电极受力后沿x轴和y轴分别产生x向位移δx和y向位移δy；通过如下公式推导得出δx与δy：得出δx与δy：得出δx与δy：得出δx与δy：得出δx与δy：得出δx与δy：式中：δx为上电极沿x轴方向位移；δy为上电极沿y轴方向位移；c1为初始电极排布状态下对应的第一电容c1的初始电容值；c
′1为上电极受力后第一电容c1的电容值；c2为初始电极排布状态下对应的第二电容c2的初始电容值；c
′2为上电极受力后第二电容c2的电容值；b为下电极边长，a为下电极边长的一半，即a＝0.5b；通过预先测得的所述三维触觉传感器对应的切向力与位移响应曲线，得出切向力大小。7.根据权利要求1所述一种非对称结构的三维触觉传感器，其特征在于，所述三维触觉传感器安装在机器人手指表面，或大面积安装在机器人身体表面。8.一种新的电容式传感器的制备方法，用于制备权利要求1-7任一项所述三维触觉传
感器，其特征在于，所述方法包括：制备上封装层、下封装层：将聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂的混合溶液滴在旋涂仪的旋涂载玻片上，根据封装层的目标厚度，调制转速进行旋涂，退火半固化，获得退火半固化的上封装层和下封装层；按照所述三维触觉传感器的初始电极排布，分别将上电极掩膜与下电极掩膜覆盖在退火半固化的上封装层和下封装层上；电极材料选择纳米银或者掺杂石墨烯的纳米银线，喷涂电极材料溶液，并将导电铜线引出；分别取下上电极掩膜与下电极掩膜，退火，使上封装层和下封装层固化；将聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂的混合溶液滴在已喷涂上电极的封装层上，将旋涂仪调至合适转速，旋涂制作介质层，旋涂完毕后退火半固化；将下电极对准半固化的介质层进行贴合，完成所述三维触觉传感器封装与制作。9.根据权利要求8所述一种新的电容式传感器的制备方法，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂的混合溶液的制备方法为：按照聚二甲基硅氧烷pdms:交联剂＝(5-15):1的质量比，将聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂混合，采用磁力搅拌机进行搅拌混合，将混合溶液放置在真空箱进行抽真空，去除溶液内的气泡，获得所述聚二甲基硅氧烷pdms和交联剂的混合溶液。10.根据权利要求8所述一种新的电容式传感器的制备方法，其特征在于，在介质层与上电极的接触面光刻金字塔结构。

技术总结
本发明属于触觉传感器领域，涉及一种非对称结构的三维触觉传感器及其制备方法。所述三维触觉传感器包括：自上而下设置的上封装层、上电极、介质层、下电极、下封装层；所述上电极的数量为一个，为公共电极，且所述上电极为正方形电极；所述下电极的数量为三个，包括第一下电极、第二下电极和第三下电极；三个所述下电极均为正方形电极，且三个所述下电极的边长相等；所述上电极的边长大于单个下电极的边长；所述三维触觉传感器在工作时，三个所述下电极板在下方固定不动，所述上电极受力后移动。根据所述三维触觉传感器的电极排布，结合所述上电极受力后位移数据，计算获得对所述上电极施加的Z方向力的大小以及切向力的大小与方向。方向。方向。


技术研发人员：高国伟 王超 李延生 宋钰 仲超
受保护的技术使用者：北京信息科技大学
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/9/20