一种电容式柔性压力传感器及其制备方法和应用

本技术涉及柔性传感器，尤其涉及一种电容式柔性压力传感器及其制备方法和应用。名词解释聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，pdms） ：一种高分子有机硅弹性体材料，具有优异的柔韧性、生物相容性和化学稳定性，固化后呈透明弹性体状态，是柔性电子器件中应用最广泛的基底材料之一。聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethyleneterephthalate，pet）：一种热塑性聚酯材料，具有良好的机械强度和尺寸稳定性。预拉伸-释放法（pre-stretchandreleasemethod）：一种制备三维曲面结构的工艺方法：先将弹性基底沿单轴或双轴方向进行机械拉伸并固定，再在其表面贴合一层刚性薄膜，最后释放拉伸，由于两层材料的弹性模量差异和界面结合作用，系统自发产生屈曲变形，形成规则的凹凸三维结构。电容式压力传感器（capacitivepressuresensor）：基于平行板电容器原理的压力敏感器件。当外力作用于传感器时，介电层发生压缩变形，导致两极板间距减小和/或介电常数变化，从而引起电容值变化。通过测量电容变化量可推算外力大小，其基本公式为，其中，为电容值，为相对介电常数，a为电极有效面积，d为极板间距。丝网印刷（screenprinting）：一种厚膜印刷工艺，通过刮板将导电浆料透过丝网网版上的图案区域转移到基材表面，经固化后形成导电图案。含碳pdms（carbon-dopedpdms）：将碳基导电填料（如碳纳米管、炭黑、石墨烯等）均匀分散于pdms基体中形成的复合材料。激光雕刻（laserengraving）：利用高能量二氧化碳激光束在材料表面进行选择性刻蚀的加工技术。本发明使用激光在含碳pdms介电层表面雕刻微米级纹理结构，如微沟槽、微锥体阵列等，可以增大介电层表面粗糙度和比表面积，降低有效弹性模量，从而在低压条件下获得更大的压缩变形量，显著提高灵敏度。arclear：一种无基材光学透明双面胶带（opticallyclearadhesive,oca）。其胶层对低表面能的pdms硅酮表面具有优异的粘接性，无需等离子体处理或底涂剂即可实现牢固贴合。三维力传感（three-dimensionalforcesensing）：指同时测量作用于传感器表面的法向力和切向力的大小与方向的能力；在电子皮肤应用中，三维力感知是模拟人类触觉功能的关键技术。解耦（decoupling）：解耦是指通过数学方法，如矩阵变换、优化算法等，从各传感单元的原始测量值中分离出各方向力的真实分量，消除信号串扰，提高测量精度，降低多维力传感中各方向力信号之间存在相互干扰现象。电子皮肤（electronicskin,e-skin）：一种模拟人类皮肤功能的柔性电子器件，能够感知压力、温度、湿度、纹理等多种物理刺激，在机器人、假肢、可穿戴设备等领域有重要应用前景。

背景技术：

1、随着机器人技术从工业自动化向服务机器人、医疗康复机器人、人形机器人等领域深入发展，赋予机器人触觉感知能力已成为该领域的核心研究课题。与视觉和听觉相比，触觉感知能够直接提供接触力、形变、纹理等物理信息，使机器人能够在无视觉辅助的条件下完成精细操作和状态识别。柔性电子皮肤（electronicskin,e-skin）作为实现机器人触觉感知的关键载体，近年来受到学术界和工业界的广泛关注。柔性电子皮肤的核心传感元件是柔性压力传感器。根据传感原理，柔性压力传感器主要分为压电式、压阻式和电容式三类。其中，压电式传感器对动态力响应灵敏，但难以测量静态力且易受环境湿度影响；压阻式传感器成本低、原理简单，但温度漂移显著；电容式传感器因结构简单、信号稳定性好、功耗低、温度稳定性优异等优势，成为柔性触觉传感领域的研究热点。然而，人类皮肤的触觉感知能力远不止于法向压力的检测——人类能够感知切向滑动力、识别接触方向、判断物体软硬和纹理。这意味着电子皮肤必须同时具备法向力和切向力这一三维力传感能力。因此，如何在一个柔性、可延展的基底上集成多个传感单元，实现对三维力的精确测量与解耦，是当前柔性电子皮肤面临的核心技术挑战。

2、现有柔性电子皮肤存在以下缺陷：（1）难以兼顾高集成度和灵敏度：现有三维力传感电子皮肤在实现高空间分辨率、多功能三维力检测的同时，受限于介电层材料和微纹理结构的固有特性，单传感单元的灵敏度较低，难以检测微小触觉力，如轻触、预接触感测等；而高灵敏度方案仅能检测法向压力，不具备三维力感知能力。（2）制备工艺复杂：多采用精密模具浇铸、多层光刻、立体组装等工艺制备三维力传导结构，工艺步骤多、设备要求高、良品率低，不利于低成本、规模化生产和实际应用推广；传感器表面的微纹理结构需要依赖复杂的工艺才能完成，如飞秒激光直写等方案虽然能制备高精度微纳结构，但设备昂贵、加工速度慢，模板法虽然可重复使用模具，但模具本身的制备仍需精密加工，且存在脱模损伤等问题。（3）现有柔性三维力传感器中，法向力与切向力信号耦合严重，解耦精度低。（4）没有针对应用场景进行针对性优化。如陪伴型机器人、医疗康复，这些应用场景对传感器的柔性、灵敏度、触觉细腻度和成本均有较高要求，现有方案难以全面满足。

3、因此，亟需一种制备工艺简单、兼顾高集成度和灵敏度、能满足某一特定使用场景的柔性电子皮肤。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术的目的是提供一种电容式柔性压力传感器及其制备方法和应用，用于解决现有的柔性电子皮肤工艺复杂、难以同时兼顾高集成度和灵敏度等技术难题。

2、为达到上述技术目的，本技术提供一种电容式柔性压力传感器，包括微凸起结构、电容传感器；

3、微凸起结构为第一硬质基底与弹性薄膜粘合成型的棱台结构；棱台结构的顶部为弹性薄膜，斜侧面为第一硬质基底与弹性薄膜的复合区域，且倾斜侧面的相邻侧边通过弹性薄膜连接；各倾斜侧面上固定有电容传感器。

4、进一步地，电容传感器包括依次设置的第二硬质基底、上电极、含碳介电层、下电极以及第三硬质基底；

5、含碳介电层由两层独立的含碳薄膜间隔排布构成，含碳薄膜的相对贴合面均设置有微纹理结构。

6、进一步地，微纹理结构为微沟槽阵列、微锥体阵列或微金字塔阵列。

7、进一步地，电容式柔性压力传感器的表面包覆有一层柔性封装层。

8、本技术提供一种电容式柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

9、步骤s1，制备第一硬质基底和弹性薄膜，第一硬质基底的弹性模量小于弹性薄膜的弹性模量；对第一硬质基底进行加工，得到开设有预设通孔的固定框架；步骤s2，对弹性薄膜进行拉伸处理使弹性薄膜处于拉伸状态，将固定框架与处于拉伸状态的弹性薄膜粘合，粘合区域形成刚性约束区；

10、步骤s3，将电容传感器固定于刚性约束区表面；

11、步骤s4，解除弹性薄膜的拉伸状态使弹性薄膜回缩，刚性约束区随弹性薄膜回缩发生屈曲形变，形成微凸起结构，得到电容式柔性压力传感器。

12、进一步地，还包括封装步骤：在电容式柔性压力传感器表面浇筑柔性胶液，固化后形成包覆电容式柔性压力传感器的柔性封装层。

13、本技术提供一种电容式柔性压力测试系统，包括电容式柔性压力传感器、导电引出线路组件、电容采集与信号处理模块、三维力解耦运算模块；

14、电容式柔性压力传感器用于感应法向力、切向力作用下不同位置的形变差异，生成差异化的多路电容信号；

15、导电引出线路组件与电容式柔性压力传感器电连接，用于将电容式柔性压力传感器产生的电容信号传导至电容采集与信号处理模块；

16、电容采集与信号处理模块用于实时采集、汇总多路电容信号；

17、三维力解耦运算模块用于接收电容信号，进行三维力解耦运算，输出法向、切向对应的三维力分量。

18、进一步地，电容采集与信号处理模块包括pcap01电容检测芯片与stm32f1微控制器；

19、pcap01电容检测芯片用于独立采集电容传感器的实时电容信号；stm32f1微控制器与pcap01电容检测芯片电连接，用于对电容信号进行汇总、整理与传输。

20、进一步地，三维力解耦运算模块中，电容变化量与电容式柔性压力传感器的受力关系式如下：

21、；

22、其中，s为灵敏度矩阵，表示第j方向单位力引起第n通道的电容变化量；fx、fy、fz为三维力的分量；δc1～δcn分别为第1个至第n个电容传感器对应的电容变化量；

23、通过伪逆法求解得到：；其中，为解耦矩阵，δc为电容变化向量，f为三维作用力向量。

24、进一步地，三维力解耦运算模块中，解耦运算过程如下：

25、步骤s1，对电容式柔性压力传感器依次施加已知的法向力fz、切向力fx和切向力fy；

26、步骤s2，记录各作用力下，多路电容传感器对应的电容变化量；

27、步骤s3，采用梯度下降法或adam优化算法对灵敏度矩阵s进行迭代求解，得到灵敏度矩阵的最优估计值；

28、步骤s4，基于最优估计值计算得到对应的解耦矩阵d，并将解耦矩阵d预存储于stm32f1微控制器中；

29、步骤s5，实际检测过程中，stm32f1微控制器将实时采集的电容变化量与解耦矩阵d做矩阵运算，实时求解输出三维力分量fx、fy、fz的估算值。

30、本技术提供一种机器人电子皮肤，包括电容式柔性压力传感器，或电容式柔性压力测试系统。

31、综上所述，本技术提供一种电容式柔性压力传感器，包括微凸起结构、电容传感器；微凸起结构为第一硬质基底与弹性薄膜粘合成型的棱台结构；棱台结构的顶部为弹性薄膜，斜侧面为第一硬质基底与弹性薄膜的复合区域，且倾斜侧面的相邻侧边通过弹性薄膜连接；各倾斜侧面上固定有电容传感器。本技术提供的电容传感器正交布置于微凸起结构的方位，基于该独特的立体正交布局结构，可实现三维力信号精准解耦，兼顾设备集成度、检测灵敏度与检测精度。

32、相较于现有技术，本技术提供的电容式柔性压力传感器可同时实现三维力信号精准解耦，兼顾设备集成度、检测灵敏度与检测精度。