發(fā)布時(shí)間：2020-12-16 02:48

　　隨著智能機(jī)器人技術(shù)和智能假肢技術(shù)的發(fā)展,柔性觸覺(jué)傳感器以其適應(yīng)復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)和實(shí)時(shí)傳感的優(yōu)勢(shì)受到了廣泛的關(guān)注。在實(shí)際生活中,智能機(jī)器人、生物醫(yī)療等方面的一些具體應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)柔性觸覺(jué)傳感器提出了三維力檢測(cè)的要求。目前,現(xiàn)有的柔性三維力觸覺(jué)傳感器研究在平衡測(cè)量范圍和靈敏度感知方面仍有改善空間,需要設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu),以在一定測(cè)力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)三維接觸力高靈敏檢測(cè)。對(duì)于涉及到復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的傳感器而言,層間對(duì)準(zhǔn)封裝方式的探究尚未得到充分關(guān)注。在此,本文開(kāi)展了三維力柔性觸覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備研究。首先,本文對(duì)已發(fā)表的研究的情況進(jìn)行了比較與分析,確定了具體的設(shè)計(jì)方向。其次,設(shè)計(jì)了基于電容原理的三維力柔性觸覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu),包含表面凸起、圖案化的電容電極層、復(fù)合結(jié)構(gòu)的中間介電層;并分析其三維力的檢測(cè)原理。然后,根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),探索了分層制造、集合封裝的微納加工工藝流程。最后,對(duì)所設(shè)計(jì)的傳感器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)性能、重復(fù)性和三維力測(cè)量方面的測(cè)試與分析。第一章,闡述論文的研究背景和意義,介紹國(guó)內(nèi)外三維力柔性觸覺(jué)傳感器的研究現(xiàn)狀,并進(jìn)行了比較,確定本文的研究目標(biāo)。第二章,對(duì)電容式三維力柔性觸覺(jué)傳感器進(jìn)行了材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在... 

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【文章頁(yè)數(shù)】：89 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖１．１?Ｔａｋｕｒｏ?人設(shè)計(jì)的一種立體分布的電容式三維力傳感器的（ａ）結(jié)構(gòu)示意圖（ｂ）俯??視圖和（ｃ）側(cè)視圖

原件在外力加載時(shí)得到不同的應(yīng)力分布，通過(guò)對(duì)相應(yīng)的電學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)三維力的解??耦。一般來(lái)說(shuō)，感測(cè)元件的常見(jiàn)布局方式可分為以下兩種情況：??三維立體的空間排布方式。如圖１．?１所示，ＴａｋｕｒｏＮａｋａｄｅｇａｗａ等ｕ＾０將液態(tài)金屬注射到??ＰＤＭＳ通道內(nèi)構(gòu)成四個(gè)檢測(cè)切向力的球面電容，底部銅電容極板對(duì)與ＰＤＭＳ介電層構(gòu)成檢測(cè)??法向力的平行極板電容；采用金屬小球通過(guò)為垂直方向和水平切向的應(yīng)變，使得側(cè)壁電容和??底面電容的變化。在該傳感器中，法向力感測(cè)電容與切向力感測(cè)電容為垂直關(guān)系，五個(gè)電容??式感測(cè)元件相對(duì)于用于加載外力的金屬小球的分布位置呈三維空間分布。??ＰＤＭＳ?ｄｏｕｂｌｅ－ｃｙｌｉｎｄｅｒ?ｂａｓｅ?＾￣??＾??Ｍｅｔａｌ?ｂａｌｌ??（ｂ）?（ｃ）??ｚ?Ｘ?Ｏｎｅ?Ｃａｐａｃｋｏｆ?▼?ｚ??麵－＾Ｈｉ??圖１．１?Ｔａｋｕｒｏ?人設(shè)計(jì)的一種立體分布的電容式三維力傳感器的（ａ）結(jié)構(gòu)示意圖（ｂ）俯??視圖和（ｃ）側(cè)視圖。??平面排布方式是另一種更為常見(jiàn)的選擇。如圖１．２所示，〇３１＾￡１＾￥（＾１等［２９］設(shè)計(jì)了平面??輻射分布三個(gè)和四個(gè)的電阻式敏感元件，通過(guò)力柱改變不同方向上的通道內(nèi)的液態(tài)金屬的局??部橫截面積從而使得電阻產(chǎn)生相應(yīng)變化。Ｈｙｕｎ－Ｊｕｎ?Ｋｗｏｎ［３（）＿３２］等人采用背面凹坑的應(yīng)力集中??２??

般常用方波形等結(jié)構(gòu)。不少學(xué)者應(yīng)用了應(yīng)變計(jì)的原理探究三維力柔性觸覺(jué)傳感器，并在結(jié)構(gòu)??設(shè)計(jì)、材料選擇上展開(kāi)了工作。例如，５１±＾〇：？３＾（＾等［３３］通過(guò)全打印的方式制備了一款集??合溫度傳感和三維力傳感的觸覺(jué)傳感器，并采用了?ＡｇＮＰ－ＣＮＴ作為應(yīng)變計(jì)的材料（圖１．３??（ａ）?）。１＾６等［３４］提出了一種“桌子形狀”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用ＳＵ－８作為“桌子”形凸起，??將加載力傳遞到四個(gè)“桌腳”上，每個(gè)“桌腳”的內(nèi)外側(cè)各有一個(gè)Ｎｉ－Ｃｒ應(yīng)變計(jì)（圖１．３??（ｂ）?）。ＸｉａｏｍｅｉＳｈｉ［３５］等人通過(guò)在ｐｌａｓｍａ處理后的ＰＤＭＳ上絲印方波形液態(tài)金屬并封裝的??方式制備了可測(cè)量法向力和單軸切向力的柔性觸覺(jué)傳感器（圖１．３?（ｃ）?）。Ｈｙｕｎ－ＪｏｏｎＫｗｏｎ??等［３（）＿３２］在刻蝕打薄的ＰＩ膜上通過(guò)光刻、蒸鍍的方式制備四個(gè)Ｎｉ－Ｃｒ方波形應(yīng)變計(jì)圖案，以??Ａｕ為互連線，用ＰＩ封裝和制備凸臺(tái)，得到了用于手指觸覺(jué)場(chǎng)景的應(yīng)變計(jì)式三維力柔性傳感??陣列（圖１．３?（ｄ））。??（ａ）?（ｂ）??Ｃｏｎｔａｃｔ?Ｐｌａｔｅ?＾?Ｓｔｒａｉｎ?ｇａｕｇｅｓ??Ｓ?＼?ｍｍ＾??（ｃ）?（ｄ）?一??■?／?Ｍｅｎｔｆａｎｅ?：?５０?ｕｍ??廣?“?■?Ｍ?＾?Ｋａｐｉｃｎ??論賺＿加嚴(yán)郵??圖１．３?（ａ）?Ｓｈｉｎｇｏ?Ｈａｒａｄａ等人采用全打印方式制備的傳感陣列及單個(gè)傳感單元示意圖［３３］，?（ｂ）?Ｌｅｅ等??人設(shè)計(jì)的一種“桌式”三維力觸覺(jué)傳感器的示意圖和俯視圖（ｃ）?Ｘｉａｏｍｅｉ?Ｓｈｉ等人設(shè)計(jì)的一種檢測(cè)??法向力和單軸剪切力的柔性傳感器１Ｍ］

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]壓阻式觸覺(jué)傳感器對(duì)法向力和剪切力的檢測(cè)[J]. 許玉杰,孫英,尹澤楠.  傳感器與微系統(tǒng). 2018(03)
[2]柔性微流體電子:材料、工藝與器件[J]. 尹周平,吳志剛,黃永安.  中國(guó)材料進(jìn)展. 2016(02)
[3]炭黑/硅橡膠復(fù)合材料的壓阻特性研究與改進(jìn)[J]. 王鵬,丁天懷,徐峰,覃元臻.  傳感技術(shù)學(xué)報(bào). 2004(01)
[4]一種采用光波導(dǎo)的觸覺(jué)傳感器[J]. 李秀娟,許湘劍.  儀器儀表學(xué)報(bào). 2002(S1)



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