一种微小型触觉传感元件及其制备方法

本发明涉及一种微小型触觉传感元件及其制备方法，该触觉传感元件主要应用于机器人触感皮肤的技术领域。

随着科技的进步和工业生产中对机器人触感要求的逐步提高，机器人皮肤技术得到迅速发展。

特开2002-236059号所记载的触压检出的触觉传感器，是线圈和电容器串联的LC共振回路。在线圈受到触压的时候，线圈的电感L发生变化，LC串联回路的共振频率也就发生变化，这里的LCR串联回路的共振频率能够被检波装置检测出来，成为触感判断的识别依据。

然而，这类触觉传感器不仅构造相对复杂，而且只有当线圈的电感L发生变化时才能引起共振频率变化，而对于施加给触觉传感器微弱触压的情况，线圈的电感L几乎没有变化，相对应的也就无法引起共振频率的明显变化，所以这类触觉传感器存在检出感度低的固有缺陷。

特开2005-49331所记载的传感元件使用二重旋卷微碳弹簧，触压检出的触觉传感器是LCR共振回路，但由于构成二重旋卷微碳弹簧的两根碳丝紧密地旋卷在一起，几乎象圆微管状一样，他们的伸缩性等物性很有限，构成触觉传感元件的时候对于所施加的触压不能产生充分的变形，也会导致感度不够；而且二重旋卷微碳弹簧和基体树脂混合的时候，其一是分散不够充分，其二是圆筒状的线圈里面残留气泡，故也存在着机械和电气性能受限的问题。此外，还有一种高弹性的二重旋卷微碳弹簧，其虽然两根碳丝以比较大的螺距旋卷，但是形态不够规则，所以信号稳定性受限，对信号稳定性有高要求的情况下不适用。

针对背景技术中所提及的问题，本发明提出一种微小型触觉传感元件及其制备方法，目的在于提供电气性能良好、感度高的触觉传感元件方案，在机器人皮肤等高敏度传感应用领域带来革新性发展。

本发明之微小型触觉传感元件，包括

主体，该主体是基体树脂和一重旋卷微碳弹簧的复合物，所述一重旋卷微碳弹簧于基体树脂内取向排列，并沿着其弹簧轴以一定的弹簧直径和螺距规则地旋卷；

一对电极，与所述主体固化一体。

于本发明的一个或多个实施例当中，所述一重旋卷微碳弹簧的碳丝直径为0.05-2微米，螺径为0.1-50微米，螺距为0.1-50微米。

于本发明的一个或多个实施例当中，所述一重旋卷微碳弹簧的碳丝直径为0.2-1.5微米，螺径为1-10微米，螺距为0.25-5微米。

于本发明的一个或多个实施例当中，所述一重旋卷微碳弹簧的添加量占主体总质量的0.1-10%。

于本发明的一个或多个实施例当中，所述一对电极平行放置，而所述一重旋卷微碳弹簧的取向为与所述一对电极相垂直的方向，或为与所述一对电极相垂直的方向有小于或等于15度夹角的方向。

本发明之微小型触觉传感元件的制备方法，包括以下步骤：

步骤a、在石墨基板上培育生长一重旋卷微碳弹簧，并满足碳丝直径为0.05-2微米，螺径为0.1-50微米，螺距为0.1-50微米；

所述一重旋卷微碳弹簧生长过程：将含有铁、锡、硫的矿物负载至多孔催化剂载体上，在氮气环境下控制反应温度在600～900℃，通入碳氢化合物和氢气形成微纳米碳源，生长而成；

步骤b、成型用的浇注模中预埋设有一对电极，将从石墨基板上切割下来的一重旋卷微碳弹簧装在该浇注模上，并将一重旋卷微碳弹簧沿轴向两端拉伸固定，所述一重旋卷微碳弹簧的弹簧长度取0.05-2毫米；

步骤c、于浇注模中加入基体树脂和硬化剂，调制放置5-8小时，固化成型制得成品。

于本发明的一个或多个实施例当中，所述一重旋卷微碳弹簧的添加量占主体总质量的0.1-10%。

于本发明的一个或多个实施例当中，所述基体树脂的JISA硬度要求在15-50的范围。

于本发明的一个或多个实施例当中，所述的基体树脂可采用硅树脂、聚氨酯或环氧树脂。

于本发明的一个或多个实施例当中，所述浇注模为金属注模，其规格为10mm*10mm*3mm。

本发明与现有技术相比，其优越性体现在：应用取向后的一重旋卷碳微弹簧和基体树脂的复合物作为触觉传感元件的电容器，使用本发明触觉传感元件的触觉传感器可以做成小尺寸而保持高感度、信号稳定，质量轻、机械和电气性能优良，特别适用于内创手术等尖端医疗器械领域与仿生机器人领域。

图1为本发明之一重旋卷微碳弹簧的扫描电子显微图。

图2为本发明之微小型触觉传感元件的结构示意图。

图3为一重旋卷微碳弹簧取向排列下的检波信号图例。

图4为一重旋卷微碳弹簧非取向排列下的检波信号图例。

如下结合附图，对本申请方案作进一步描述：

如图1-2所示，一种微小型触觉传感元件，包括

主体1，该主体1由基体树脂11和一重旋卷微碳弹簧12的复合物，所述一重旋卷微碳弹簧12于基体树脂1内取向排列，并沿着其弹簧轴以一定的弹簧直径和螺距规则地旋卷；

一对电极2，与所述主体1固化一体。

其中，所述微碳弹簧可于以下优选范围内实施：

所述微碳弹簧的碳丝直径为0.2-1.5微米，螺径为1-10微米，螺距为0.25-5微米。

所述一重旋卷微碳弹簧12的添加量占主体1总质量的0.1-10%。

所述一对电极2平行放置，而所述一重旋卷微碳弹簧12的取向为与所述一对电极2相垂直的方向，或为与所述一对电极2相垂直的方向有小于或等于15度夹角的方向。

上述方案中所指的基体树脂11是一种电介质，具有静电容，起电容器的作用。基体树脂11可以是硅树脂，聚氨酯，环氧树脂，如聚苯乙烯和热塑性弹性体的共聚物、苯乙烯共聚物树脂和热塑性弹性体、Kuraray公司的Septon树脂、大日本油墨化学（株）的液体环氧树脂EXA-5850-150等。

而选用的一重旋卷微碳弹簧比紧密二重旋卷微碳弹簧螺距大，微小的触压都能产生形变，无论从哪个方向来的都会产生变形，由此产生LCR共振回路中的L、C、R、Z、θ的变化，特别是沿着弹簧轴的方向的形变产生的电气参数变化最大，从而能够检出形变量。同等条件下，一重旋卷微碳弹簧的触觉传感器的感度是二重旋卷微碳弹簧的触觉传感器的1.5～200倍。而且，使用取向的一重旋微碳弹簧的触觉传感器的最小检出值是二重旋卷微碳弹簧的触觉传感器的1.2～1000倍。

一种微小型触觉传感元件的制备方法，包括以下步骤：

步骤a、在石墨基板上培育生长一重旋卷微碳弹簧12，并满足碳丝直径为0.05-2微米，螺径为0.1-50微米，螺距为0.1-50微米；

所述一重旋卷微碳弹簧12生长过程：将含有铁、锡、硫的矿物负载至多孔催化剂载体（石墨基板）上作为催化剂和促进剂，在氮气环境下控制反应温度在600～900℃，通入碳氢化合物和氢气形成微纳米碳源，生长而成；其中，所述矿物中锡元素和铜硫占矿物总重量的50%以下，铁元素占矿物总重量的10%以上。

步骤b、成型用的浇注模中预埋设有一对电极2，将从石墨基板上切割下来的一重旋卷微碳弹簧12装在该浇注模上，并将一重旋卷微碳弹簧12沿轴向两端拉伸固定，所述一重旋卷微碳弹簧12的弹簧长度取0.05-2毫米；

步骤c、于浇注模中加入基体树脂11和硬化剂，调制放置5-8小时，固化成型制得成品。上述放置时间是由基体树脂11的特性和硬化剂的添加量决定，一般在5-8小时为佳，实验中大部分基体树脂放置7小时便实现完成固化；当然，个别基体树脂放置3-4小时亦可实现固化。

所述一重旋卷微碳弹簧12的添加量占主体总质量的0.1-10%，优选值为5%和7%。一重旋卷微碳弹簧12的伸缩变形，长度的变化引起LCR回路中的电感L，电容C，和电阻R,阻抗Z和位相θ的变化。一重旋卷微碳弹簧12的添加量太少的时候，电容C成分起主要作用，触觉感度下降，而太多的时候影响成型性；电阻R体现的主要作用是当添加量适当的时候，LCR共振作用达到最强值。

所述基体树脂11的JISA硬度要求在15-50的范围，如果硬度太低，树脂基体太软，检测噪音大，信噪比太小；相反，如果硬度太大，树脂基体太硬，应力扩散性差，感度下降。

所述的基体树脂11可采用硅树脂、聚氨酯或环氧树脂，除此之外还可根据需求采用其它合符硬度标准的其它基体树脂材料。

所述浇注模为金属注模，其成型规格为:长10mm，宽10mm,厚度3mm。

基于上述传感元件的结构，还可以对成型的传感元件（长10mm，宽10mm,厚度3mm）进行切割，分成尺寸大更小的若干微小元件；该若干微小元件的尺寸范围是(50-500微米)*(50-500微米)*(50-500微米)。

具体实施与实验方式：

按预计算5%重量比的一重旋卷微碳弹簧从石墨基板上割下，装在埋有电极的金属浇注模（长10mm，宽10mm,厚度3mm）上，切割时切割面与石墨基板平行；

将一重旋卷微碳弹簧轴向两端拉伸固定，然后注入基体树脂（信越化学KE103的硅树脂，其JISA硬度为16）和硬化剂，调制放置7小时以后，固化以后构成一重旋卷微碳弹簧的触觉传感元件。

于电极上施加0.5V，200KHz的电压，并于一重旋卷微碳弹簧轴向逐步施加荷重（荷重测试值分别为1gf、2gf、10gf、20gf），测定对应的电气参数。

我们一般通过显波器Agilent-54621A对LC和R的绝对值输出信号转换成DC电压进行测定。具体是，将两组0.5V，200KHz的交流电通过电极施加于传感元件，其中一组交流电相对于另一组有90度的相移；两组交流电相互叠加抵消，以得到一个平缓的信号输出。

当某些应力被施加到感器元件时，一重旋卷微碳弹簧的LC和R参数将发生改变，从而调制作用于上述平缓信号以产生相应的信号输出。

如图3所示，为一重旋卷微碳弹簧取向排列后的检波所得信号，可以看取向排列的信号波形成型度好，灵敏度高，便于检测与作出响应。

同时，作为对比例，我们引入如图4所示的一重旋卷微碳弹簧非取向排列的检波所得信号。相比较之下可以看出，取向排列的信号波形比非取向排列的信号波形幅值波动更为明显，提高荷重识别的精度。

上述优选实施方式应视为本申请方案实施方式的举例说明，凡与本申请方案雷同、近似或以此为基础作出的技术推演、替换、改进等，均应视为本专利的保护范围。