本公开的实施例涉及一种柔性电容触觉传感器及其制备方法、触觉传感系统和电子设备。
背景技术：
随着智能机器人技术的发展和机器人应用场景的深化，人们希望机器人不但能够完成设定的机械运动，还可以感知外界环境并做出反馈。触觉传感器与机器人的结合成为发展的重要方向。
但是，目前已有的触觉传感器通常是薄膜电容压力片或应变片。这些触觉传感器大多是被放置在特定的位置进行传感检测。由于通常是单个触觉传感器位于特定位置独立检测该位置的触摸感测信号(例如压力信号)，因此传感器仅能检测到特定位置信息，而不能形成全方位传感的系统，进而不同提供能够应对复杂情形的触觉信息。目前，触觉传感器所使用的材料也大多是硬质的，因此在触觉传感器被放置在不平整的表面(例如机器人的臂上)时，其的随形贴附性较差。并且，目前的触觉传感器对触觉的传感灵敏度较低，对触觉的分辨率较差。
技术实现要素：
本公开的至少一个实施例提供一种柔性电容触觉传感器，包括：第一柔性电极层，其上设置有第一电极阵列；第二柔性电极层，其上设置有第二电极阵列；离子凝胶薄膜介电层，设置于第一柔性电极层与第二柔性电极层之间。
本公开的至少一个实施例还提供一种柔性电容触觉传感器的制备方法，包括：制备第一柔性电极层，其上设置有第一电极阵列；制备离子凝胶薄膜介电层，将该离子凝胶薄膜介电层放置在该第一柔性电极层之上；制备第二柔性电极层；将第二柔性电极层放置在离子凝胶薄膜介电层之上；将该第一柔性电极层、该离子凝胶薄膜介电层和该第二柔性电极层封装成该柔性电容触觉传感器。
本公开的至少一个实施例还提供一种触觉传感系统，包括：激励电路，被配置为向该第一柔性电极层和第二柔性电极层输出感测激励信号；上述的柔性电容触觉传感器，被配置为基于第一柔性电极层和第二柔性电极层中的至少一个与离子凝胶薄膜介电层的接触面积的变化，根据该感测激励信号确定触摸感测信号；信号检测电路，被配置为从该柔性电容触觉传感器接收触摸感测信号；信号处理器，被配置为处理该触摸感测信号，并确定触摸位置或触摸压力。
本公开的至少一个实施例还提供一种电子设备，包括：触觉传感检测面，在触觉传感检测面上贴附的上述的柔性电容触觉传感器。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制。
图1a示出了本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器的示意图。
图1b示出了本公开的一些实施例提供的柔性电容触觉传感器的原理的示意图。
图2a示出了本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器中的第一电极阵列的一部分的示意图。
图2b示出了本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器中的第二电极阵列的一部分的示意图。
图2c示出了本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器的电极阵列排布的结构示意图。
图3a示出了本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器中的第一电极阵列的一部分的示意图。
图3b示出了本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器中的第二电极阵列的一部分的示意图。
图3c示出了本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器的第一电极阵列和第二电极阵列重叠的示意图。
图4示出了本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器的制备方法的流程图。
图5示出了本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器与传统的静电电容传感器的灵敏度对比。
图6示出了本公开一些实施例提供的触觉传感系统的等效电路图。
图7示出了本公开一些实施例提供的电子设备的示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
通常情况下，智能机器人可以对外部环境对外界做出反应性动作。这就要求智能机器人可以感知外部环境信息。具体地，智能机器人可以使用能够感知视觉、接近、距离等的非接触型传感器和能感知压力、压觉、压感等的接触型传感器。触觉传感器作为一种典型的接触型传感器，其能够让智能机器人感知到外界与之接触的压力。
本公开的一个或多个实施例公开了一种大面积的高密度柔性离子型电容型的触觉传感器作为智能机器人的电子皮肤，使得触觉传感器整体呈现出柔性并大幅提高触觉传感系统的灵敏度。具体地，本公开的一个或多个实施例通过将柔性触觉传感阵列直接制作在柔性薄膜材料的衬底上并使用柔性的离子型传感活性材料作为介电层，实现了触觉传感系统的柔性、高传感密度和高传感灵敏度。柔性的电极阵列与数据读取电路、数据处理软件相结合，形成大面积的电子皮肤。
下面结合附图对本公开的实施例及其示例进行详细说明。
图1a为本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器10的示意图。图1b为本公开的一些实施例提供的柔性电容触觉传感器10的原理的示意图。
如图1a所示，该柔性电容触觉传感器10包括：第一柔性电极层101、第二柔性电极层102和离子凝胶薄膜介电层103。其中，第一柔性电极层101上设置有第一电极阵列1012。第二柔性电极层102上设置有第二电极阵列1022。离子凝胶薄膜介电层103设置于第一柔性电极层101与第二柔性电极层102之间。
此外，根据需要，柔性电容触觉传感器10还可以包括其他结构或功能层。例如，在一些实施例中，该柔性电容触觉传感器10可以包括引线层，以用于实现传输触摸感测信号的功能。又例如，该柔性电容触觉传感器10还可以包括保护层，例如该保护层为柔性薄膜保护层等。例如，在一些实施例中，该柔性电容触觉传感器10还可以包括其他功能层，这些功能层可以通过光学透明胶(oca胶)结合在第一柔性电极层101或第二柔性电极层102上，本公开的实施例对柔性电容触觉传感器10的其他结构不作具体限定。
第一柔性电极层101包括第一柔性薄膜层1011，第一电极阵列1012被制作在所述第一柔性薄膜层1011上。第二柔性电极层102包括第二柔性薄膜层1021，第二电极阵列1022被制作在第二柔性薄膜层1021上。柔性电容触觉传感器10用柔性薄膜材料封装。由于柔性电容触觉传感器10中的所有部件全部使用具有柔性的材料制作，其整体能够进行一定的弯曲和拉伸变形，能够在一定的变形下保证触觉传感性能的稳定。当将柔性电容触觉传感器10应用于机器人时，柔性电容触觉传感器10能够在机器人外臂上完好的贴附，传感信号更加稳定、准确。第一电极阵列1012和第二柔性电极层102为大面积的柔性电极层。因此，柔性电容触觉传感器10能够随形的贴附在机器人外臂上，实现机器人的全方位触觉传感。
具体地，为了形成大面积的柔性电极层，第一电极阵列1012可以通过银纳米喷涂或物理气相沉积的方式被制作在第一柔性薄膜层1011上。类似地，第二电极阵列1022也可以通过银纳米喷涂或物理气相沉积的方式被制作在第二柔性薄膜层1021上。具体的，物理气相沉积方式包括蒸镀(例如，电子束蒸镀)或溅射。第一柔性薄膜层1011和第二柔性薄膜层1021可以由以下材料中的至少一项组成：热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚乙烯醇(pva)、尼龙6(pa6)、聚乳酸(pla)、聚丙烯腈(pan)、和聚醚砜(pes)。
例如，可以首先置备出具有预设电极图案的掩模版，然后使用银纳米线喷涂的方法在柔性薄膜聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)上喷涂出图案化的阵列电极。银纳米线是一种纳米尺度的银制的线。银纳米线除具有银的优良的导电性之外，由于其的纳米级别的尺寸效应，银纳米线还具有透光性和耐曲挠性，从而实现高度的柔性和导电性。或者，还可以使用电子束蒸镀(electronbeamevaporation)的方法在柔性薄膜(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet))上蒸镀au薄膜，制作出图案化的电极阵列。电子束蒸镀是一种物理气相沉积工艺。电子束蒸镀可以在电磁场的配合下，精准地使用高能电子轰击坩埚内靶材(例如铝(au))，使之融化进而沉积在基片上(例如柔性薄膜上)，进而镀出高纯度高精度电极阵列。当然，还可以使用其它的方式在柔性薄膜上制作出第一电极阵列1012和第二电极阵列1022，本公开对此不作限制。
由此，在第一柔性电极层101、第二柔性电极层102中形成了柔性电极层。
如图1b所示，第一电极阵列1012和第二电极阵列1022的导电电极和离子凝胶薄膜介电层103之间分别形成两个电极-电解质界面，例如，图1b中第一电极阵列1012和离子凝胶薄膜介电层103之间形成电极-电解质界面1041，而且在第二电极阵列1022和离子凝胶薄膜介电层103之间形成另一电极-电解质界面。在电极-电解质界面1041上，第一电极阵列1012内部的表面电荷会从离子凝胶薄膜介电层103的电解质中吸附离子(例如，图1b中的白色圆圈所示)。从而，在电极-电解质界面1041处，靠离子凝胶薄膜介电层的一侧形成一个电荷数量与第一电极阵列1021内部的表面电荷数量相等、且符号相反的离子界面层。例如，在第一电极阵列1012上施加了正电压的情况下，电极-电解质界面1041处靠第一电极阵列1012的一侧形成了正电荷电子层，而电极-电解质界面1041处靠离子介质阵列103的一侧形成了负电荷电子层。由于电极-电解质界面1041的存在，使得正电荷电子层的正电子和负电荷电子层上的负电离子都不能越界而彼此中和，因此在电极-电解质界面1041处形成了稳定的电容结构。类似地，在第二电极阵列1022和离子凝胶薄膜介电层103之间形成电极-电解质界面处也形成了稳定的电容结构。从而，第一电极阵列1012、第二电极阵列1022和离子凝胶薄膜介电层103构成了离子型的双电层电容。
优选地，离子凝胶薄膜介电层103的表面可以是具有微结构的。在施加触摸压力之前，第一电极阵列1012与离子凝胶薄膜介电层103之间形成电极-电解质界面1041的面积较小。而在施加触摸压力之后，由于微结构的形变，第一电极阵列1012与离子阵列层103之间形成电极-电解质界面1041的面积增加。根据电容的计算公式
其中，c为电容器的电容值，ε为材料的介电常数，s为第一电极阵列1012/第二电极阵列1013与离子凝胶薄膜介电层103的接触面积，k为静电力常量，d为第一电极阵列1012/第二电极阵列1013与离子凝胶薄膜介电层103之间的间距。材料的介电常数ε通常不会发生变化。在柔性电容触觉传感器10中第一电极阵列1012与第二电极阵列1022正对放置，从而柔性电容触觉传感器10的电场可以近似为平行电场。正如图1b中所示，在压力的作用下，电极-电解质界面1041的接触面积由于微结构的形变而增加。又由于第一电极阵列1012/第二电极阵列1013与离子凝胶薄膜介电层103的接触区域间距d在纳米级别，因此柔性电容触觉传感器10的电容值会随着接触面积s的增大而快速的增加，进而表现出高灵敏度。
因此，本公开的上述实施例通过将柔性触觉电极阵列直接制作在柔性薄膜材料的衬底上并使用柔性的离子型传感活性材料作为介电层，实现了触觉传感体系的柔性、高传感密度和高传感灵敏度。
图2a为本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器10中的第一电极阵列1012的一部分的示意图。图2b为本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器10中的第二电极阵列1022的一部分的示意图。图2c为本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器10的电极阵列排布的结构示意图。
在图2a和图2b中示出的实施例中，第一电极阵列1012中的电极在第一方向上串联连接，而第二电极阵列1022中的电极在第二方向上串联连接。
第一电极阵列1012和第二电极阵列1022相对设置，并且第一方向和第二方向不同。可选地，第一方向和第二方向垂直。
第一电极阵列1012或第二电极阵列1022的多个电极中至少一个电极的电极图案为圆形、长方形或正方形。例如，电极图案可以是图2a中示出的大小为3x3mm2的正方形。当然，电极图案还可以是其它尺寸的，例如，直径为3mm的圆形。
电极在第一方向上的长度为第一长度且在第二方向上的长度为第二长度，第一电极阵列1012上的电极沿第一方向的连接线的宽度小于第二长度，第二电极阵列1022上的电极沿第二方向的连接线的宽度小于第一长度。例如，如图2a中所示，电极的第一长度为3mm、第二长度也为3mm。第一电极阵列1012上的电极沿第一方向的连接线的宽度为0.8mm，其小于第二长度3mm。如图2b中所示，第二电极阵列1022上的电极延第二方向的连接线的宽度也为0.8mm，其小于第一长度3mm。
第一电极阵列1012上的电极在第一方向上的间距为第三长度(例如，图2a中所示的3mm)，第二电极阵列1022在第二方向上的间距为第四长度(例如，图2b中所示的3mm)。第一长度至第四长度可以相同也可以不同。第一长度、第二长度、第三长度和第四长度均小于5毫米。
参见图2c，第一电极阵列1012、第二电极阵列1022和离子凝胶薄膜介电层103形成图2c中所示的“三明治”结构，并且离子凝胶薄膜介电层103位于第一电极阵列1012与第二电极阵列1022之间。第一电极阵列1012为m条与第一方向平行的串联电极，第二电极阵列1022为n条与第二方向平行的串联电极。第一方向与第二方向不同。可选地，第一方向与第二方向垂直，从而在第一电极阵列1012与第二电极阵列1022交叉的区域构成了一个m*n的电极阵列。
离子凝胶薄膜介电层103可以由聚合物与离子液组成。可选地，聚合物可以包括聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)。离子液可以包括1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺。其中，聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)(p(vdf-hfp))可以形成聚合物网格，其能够组成一个稳定的网络结构。1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺([emim][tfsi])可以附着在聚合物网格上，其富含离子，可以作为电容传感的活性物质。当附载着离子液的聚合物固化成膜后，离子凝胶薄膜介电层103便可以作为固体离子介电层放置在第一电极阵列1012和第二电极阵列1022之间。具体地，离子凝胶薄膜介电层103可以被切成与电极大小相同的方块状，例如，3*3mm2的正方形。将切好的多个离子凝胶薄膜介电层103的方块放置在第一电极阵列1012中的每个电极的上方。在空余位置(例如多条串联电极之间的间隔)可以使用各种填料填充，例如透明质胶或双面胶。接着，再将第二电极阵列1022叠放在离子凝胶薄膜介电层103的上层。在一个实施例中，第一电极阵列1012和第二电极阵列1022通过空余位置中的填料粘合在一起，进而封装成了具有m*n电极阵列的柔性电容触觉传感器10。
由此，当柔性电容触觉传感器10接收到触摸压力时，柔性电容触觉传感器10可以定位到m*n的电极阵列中的一个或多个电容的变化，进而确定触摸点的位置和压力。本公开的上述实施例通过将柔性触觉电极阵列直接制作(例如印刷)在柔性薄膜材料的衬底上并使用柔性的离子型传感活性材料作为介电层，实现了触觉传感体系的柔性、高传感密度和高传感灵敏度。与现有的硬质薄膜电容压力片或应变片相比，由于柔性电容触觉传感器10的材料全部由柔性材料组成，由此其可以更好贴附在弯曲或不平整的机器人外表面上且不易掉落，由此实现了更好的随形贴附性。
如图2a至图2c所示的电极排布方式线路排布清晰，可以简化测试的工作量(一次可以测试一整条串联的电极)，减小引线的布线空间并减小电极之间的串扰，从而实现高密度的电极排布。
值得注意的是，图2a至图2c仅示意性地示出第一电极阵列1012和第二电极阵列1022中的一部分的电极分布方式的示例，但是本公开的实施例对第一电极阵列1012和第二电极阵列1022中包括的电极的个数、排列方式和具体位置均不作限定只要当柔性电容触觉传感器10可以实现触摸位置和触摸压力的检测即可。
图3a为本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器10中的第一电极阵列1012的一部分的示意图。图3b为本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器10中的第二电极阵列1022的一部分的示意图。图3c为本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器10的第一电极阵列1012和第二电极阵列1022重叠的示意图。
与上述实施例类似地，第一电极阵列1012或第二电极阵列1022的多个电极中至少一个电极的电极图案为圆形、长方形或正方形。例如，电极图案可以是图3a和图3b中示出的大小为3x3mm2的正方形。当然，电极图案还可以是其它尺寸的，例如，直径为3mm的圆形。
第一电极阵列1012和第二电极阵列1022相对设置，并且第一电极阵列1012和第二电极阵列1022中的每个电极具有单独的引线。如图3a所示，第一电极阵列1012具有实线所示的引线，如图3b所示，第二电极阵列1022具有虚线所示的引线。
如图3c所示，第一电极阵列1012和第二电极阵列1022中相对设置的两个电极的引线在两个电极重叠的方向上不相交(实线和虚线不相交)，从而引线在第一电极阵列1012和第二电极阵列1022相对叠放后没有重叠的区域。类似地，每个电极之间的间距可以小于5毫米。由于引线的宽度较小，因此其可以在电极之间的间隔中排布。由于每个电极单独引线，其可以减少电极之间串扰。
如图3a至图3c所示的电极排布方式，第一电极阵列1012和第二电极阵列1022中相对设置的两个电极与其之间的离子凝胶薄膜介电层构成了双电层电容，每个双电层电容都可以作为触觉传感器单独工作，从而有利于复杂空间的触觉检测。
值得注意的是，图3a至图3c也仅示意性地示出第一电极阵列1012和第二电极阵列1022中的一部分的电极和引线分布方式的示例，但是本公开的实施例对第一电极阵列1012和第二电极阵列1022中包括的电极的个数、排列方式、引线排布和具体位置均不作限定只要当柔性电容触觉传感器10可以实现触摸位置和触摸压力的检测即可。
图4示出了本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器10的制备方法400的流程图。根据本公开一些实施例的制备方法400包括以下步骤。虽然以顺序示出了制备方法400中的各个步骤401-403，但是本领域技术人员应当理解，步骤可以以与图4中所示的顺序不同的顺序执行，或这些步骤也可同时执行。此类替代顺序的实施例可包含重叠、交错、中断、重新排序、增量、准备、补充、同时、反向或其它变体顺序。
在步骤401中，可以制备第一柔性电极层101。第一柔性电极层101上设置有第一电极阵列1012。第一电极阵列1012中的电极在第一方向上串联连接。具体地，可以使用银纳米线喷涂方式在第一柔性电极层101的第一柔性薄膜层1011喷涂出图案化的第一电极阵列1012。或者，还可以使用电子束蒸镀方式在第一柔性电极层101的第一柔性薄膜层1011蒸镀图案化的第一电极阵列1012。如上所述，第一柔性薄膜层1011可以由以下材料中的至少一项组成：热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚乙烯醇(pva)、尼龙6(pa6)、聚乳酸(pla)、聚丙烯腈(pan)、和聚醚砜(pes)等。
例如，可以利用制作好的掩模版来辅助上述的银纳米线喷涂和电子束蒸镀工艺。具体的，该掩模版中的电极图案中的每个电极可以是圆形、长方形或正方形。电极在第一方向上的长度为第一长度且在第二方向上的长度为第二长度。第一电极阵列上的电极沿第一方向的连接线的宽度小于第二长度，第二电极阵列上的电极沿第二方向的连接线的宽度小于第一长度。第一电极阵列上的电极在第一方向上的间距为第三长度，第二电极阵列在第二方向上的间距为第四长度。例如，每个电极均为3x3mm2的正方形；每个电极通过0.8mm的连接线串联起来；每条串联的电极串之间的间隔为3mm。
在步骤402中，可以制备离子凝胶薄膜介电层103，并将离子凝胶薄膜介电层103放置在第一柔性电极层101之上。具体地，可以通过倒模的方法来制作具有微结构表面的离子凝胶薄膜介电层103来提高柔性电容触觉传感器10的灵敏度。通过倒模的方法来制备离子凝胶薄膜介电层103的过程可以包括配置聚合物与离子液的混合溶液，例如，聚合物可以包括聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)，而离子液可以包括1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺。可选地，离子液与聚合物的质量比为1：2至6：1。一个示例性的配比为离子液与聚合物的质量比为3:1。这样的配比可以提高柔性电容触觉传感器10的灵敏度。然后，再将该混合溶液倒在微结构模板上。微结构模板上微结构的具体形状不限，其尺寸大小可以在亚毫米级别。最后，等待混合溶液固化后，从而获得离子凝胶薄膜介电层103。
例如，上述混合溶液的制备方法还可以包括以下步骤，例如，首先将聚合物(例如聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯))溶解在溶解液(丙酮)中形成第一混合溶解液。可选地，聚合物与溶解液的质量比可以是1：1至1：20。一个示例性的配比为聚合物与溶解液的质量比为1:10。这样的配比可以提高柔性电容触觉传感器10的灵敏度。接着使用磁子将第一混合溶解液搅拌至澄清。向澄清的第一混合溶解液加入离子液(例如，1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺)形成第二混合溶解液，并使用磁子将第二混合溶解液搅拌至澄清形成混合溶液。将混合溶液倒在微结构模板上，模板放置在通风橱中使丙酮自然挥发，从而获得固化的离子凝胶。将离子凝胶从模板上揭下即可得到具有表面微结构的离子凝胶薄膜。将离子凝胶微结构薄膜切成与电极大小相同的形状，例如3*3mm2的正方形方块。这样的制备方式可以简单方便地制备出高灵敏性的离子凝胶薄膜介电层103。
在步骤403中，制备第二柔性电极层102，其上设置有第二电极阵列1022，第二电极阵列1022上的电极在第二方向上串联连接。类似地，可以使用银纳米线喷涂方式在第二柔性电极层102的第二柔性薄膜层1021喷涂出图案化的第二电极阵列1022。或者，还可以使用电子束蒸镀方式在第二柔性电极层102的第二柔性薄膜层1021蒸镀图案化的第二电极阵列1022。如上所述，第二柔性薄膜层1021可以由以下材料中的至少一项组成：热塑性聚氨酯弹性体橡胶(tpu)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚乙烯醇(pva)、尼龙6(pa6)、聚乳酸(pla)、聚丙烯腈(pan)、和聚醚砜(pes)等。第二电极阵列1022的电极图案可以与第一电极阵列1012的电极图案类似，但需在串联方向上不同。
在步骤404中，将第二柔性电极层102放置在离子凝胶薄膜介电层103之上，使得第一电极阵列1012和第二电极阵列1022相对设置，并且第一方向和第二方向不同。可选地，第一方向和第二方向垂直。在步骤405中，将第一柔性电极层101、离子凝胶薄膜介电层103和第二柔性电极层102封装成柔性电容触觉传感器10。
例如，在第一柔性电极层101中没有与离子凝胶薄膜介电层接触的空余位置(例如多条串联电极之间的间隔)可以使用各种填料填充，例如双面胶。接着，再将第二柔性电极层102放置在离子凝胶薄膜介电层103之上。在一个实施例中，第一柔性电极层101和第二柔性电极层102通过空余位置中的填料粘合在一起，进而完成了柔性电容触觉传感器10的封装。
图5为本公开一些实施例提供的柔性电容触觉传感器10与传统的静电电容传感器的灵敏度对比。
如图5所示，传统的静电电容传感器在施加10kpa的压力的情况下，电容的变化值大约为10kpa*0.003kpa-1＝0.03。而在相同的10kp的压力的情况下，电容的变化值大约为10kpa*0.28kpa-1＝2.8。由此可见，使用离子凝胶作为介电层的柔性电容触觉传感器10相比于传统的静电电容传感器，将灵敏度提高了10倍以上。
图6为本公开一些实施例提供的触觉传感系统60的等效电路图。
触觉传感系统60包括激励电路61、柔性电容触觉传感器10、信号检测电路62和信号处理器63。
其中，激励电路61，被配置为向第一柔性电极层1012和第二柔性电极层1022输出感测激励信号。在图6中，激励电路61可以为交流电源或脉冲信号源德国。例如，对于图3a至图3b中所示的每个电极的单独引线的实施例而言，第一柔性电极层1012中电极a可以接入激励电路61的一端，第二柔性电极层1022中与电极a正对的电极b可以接入激励电路61的另一端。
柔性电容触觉传感器10，被配置为基于第一柔性电极层101和第二柔性电极层102中的至少一个与离子凝胶薄膜介电层103的接触面积的变化，根据感测激励信号确定触摸感测信号。例如，电极a和电极b重叠的区域可以等效为图6中的电容c。其余导线可以等效为一个电阻rc。
信号检测电路62，被配置为从柔性电容触觉传感器10接收触摸感测信号。可选地，信号检测电路62可以是图6中的采样电阻rsample。如图6所示，激励电路61、柔性电容触觉传感器10和信号检测电路62构成一个回路。当施加外力作用时，电极a和电极b中的至少一个与离子凝胶薄膜介电层的接触面积的变化，从而电容c的电容值发生变化。进而，采样电阻rsample的两端的电压变化。采样电阻rsample两端的电压可以作为信号检测电路62所接收到的触摸感测信号。
接着信号检测电路62可以将该触摸感测信号输出到信号处理器63。信号处理器63，被配置为处理触摸感测信号，并确定触摸位置或触摸力度。信号检测电路62可以被实现为可以将触摸感测信号转换为模拟信号的模拟信号处理器，或者，信号检测电路62还可以被实现为可以将触摸感测信号转换为数字信号的数据信号处理器(dsp)、现场可编程门阵列(fpga)等，本公开的实施例对信号检测电路62的实现方式不作限制。
此外，对于图2a至图2c中描述的电极阵列，由于柔性电容触觉传感器10的第一电极阵列1012和第二电极阵列1022为大面积高密度的电极阵列，并且第一电极阵列中的电极在第一方向上串联连接而第二电极阵列中的电极在第二方向上串联连接，则激励电路61可以包括对电极阵列进行行列扫描的多路选择器，该多路选择器一端与交流电源的一端连接。例如，第一电极阵列1012中每条串联电极的一端可以与多路选择器的一端相连，另一端悬空。第二电极阵列1022的每条串联电极的一端可以与激励电路61的另一端相连，另一端悬空。又例如，第一电极阵列1012中每条串联电极的两端都与多路选择器相连。第二电极阵列1022的每条串联电极的两端都与信号检测电路62相连。再例如，第一电极阵列1012中每条串联电极的两端分别与激励电路61的两端相连，第二电极阵列1022的每条串联电极的两端都与信号检测电路62相连。本公开不对2a至图2c中描述的电极阵列进行行列扫描的方式进行限制。
可选地，多路选择器周期性地选通第一电极阵列1012中的一条串联电极。假设第一电极阵列1012中串联的电极a1’、a2’…ak’形成的串联电极被选通在某个时刻被选通。在该时刻，第二电极阵列1022与该串联电极有重叠的区域的电极b1’、b2’…bk’与电极a1’、a2’…ak’所形成的电容导通。电极a1’和电极b1’重叠的区域可以等效为图6中的电容c。电极a1’和电极b1’的导线可以等效为一个电阻rc。此时，共有k个电容c导通。如图6所示，激励电路61、k个电容c中的任意一个电容和信号检测电路62构成都能构成一个回路，此时共有k个导通回路。如果此时触摸电极a1’和电极b1’的重叠区域，则电极a1’和电极b1’所构成的电容出现剧烈变化。进而，采样电阻rsample的两端的电压变化。采样电阻rsample两端的电压可以作为信号检测电路62所接收到的触摸感测信号。接着信号检测电路62可以将该触摸感测信号输出到信号处理器63。信号处理器63可以处理触摸感测信号，并确定触摸位置或触摸力度。
由此，在智能机器人运动的过程中，在机器人与物体或人相触碰后产生触碰压力，柔性电容触觉传感器10能够通过其的电容变化来检测触碰压力。根据电极阵列中产生响应的位置能够判断出机器人碰触物体的位置，并根据电容值的变化量大致的判断出接触力的大小。通过分析触摸感测信号，能够得到机器人与外界物体的接触情况，为机器人的下一步动作提供信息。根据本公开的实施例的柔性电容触觉传感器10在机器人安全、人机交互等方面有巨大的应用价值。
值得注意的是，图6仅示意性地示出触觉传感系统60的某一种示例，但是本公开的实施例触觉传感系统60的电路连接方式并不作限定，只要当柔性电容触觉传感器10可以实现触摸位置和触摸压力的检测即可。
图7为本公开一些实施例提供的电子设备70的示意图。
例如，在一些实施例中，电子设备70包括柔性电容触觉传感器10和机触觉传感检测面71。
例如，在电子设备70是智能机器人的情况下，触觉传感检测面71可以是机器人臂的至少一部分。触觉传感检测面71上可以贴附上述的柔性电容触觉传感器10，该柔性电容触觉传感器10可以与上述的触觉传感系统60中的其它部件连接，进而检测在机器人运动的过程中，在机器人与物体或人相触碰后产生触碰压力。电子设备70还可以是可穿戴设备，在该设备被穿戴上后，可以通过柔性电容触觉传感器10采集并分析触摸数据。
本公开的一个或多个实施例公开了一种大面积的高密度的柔性电容传感器10作为智能机器人/可穿戴设备的电子皮肤，使得柔性电容传感器10整体呈现出柔性并大幅提高触觉传感系统60的灵敏度。进而，柔性电容传感器10能够简便的贴附的电子设备70的触觉传感检测面71上，实现对四周物体的全方位触觉传感。
具体地，本公开的一个或多个实施例通过将柔性触觉传感阵列直接制作在柔性薄膜材料的衬底上并使用柔性的离子型传感活性材料作为介电层，实现了触觉传感体系的柔性、高传感密度和高传感灵敏度。柔性的电极阵列与数据读取电路、数据处理软件相结合，形成便于贴附的大面积电子皮肤。
接下来，有以下几点需要说明：
(1)本公开实施例附图只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)为了清晰起见，在用于描述本公开的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”或者可以存在中间元件。
(3)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上所述仅是本公开的示范性实施方式，而非用于限制本公开的保护范围，本公开的保护范围由所附的权利要求确定。
1.一种柔性电容触觉传感器，包括：
第一柔性电极层，其上设置有第一电极阵列；
第二柔性电极层，其上设置有第二电极阵列；
离子凝胶薄膜介电层，设置于第一柔性电极层与第二柔性电极层之间。
2.如权利要求1所述的柔性电容触觉传感器，其中，
第一柔性电极层包括第一柔性薄膜层，所述第一电极阵列通过银纳米喷涂或物理气相沉积的方式被制作在所述第一柔性薄膜层上；以及
第二柔性电极层包括第二柔性薄膜层，所述第二电极阵列通过银纳米喷涂或物理气相沉积的方式被制作在所述第二柔性薄膜层上。
3.如权利要求1所述的柔性电容触觉传感器，其中，所述离子凝胶薄膜介电层由聚合物与离子液组成，所述聚合物包括聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)，所述离子液包括1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺。
4.如权利要求1所述的柔性电容触觉传感器，其中，
第一电极阵列中的电极在第一方向上串联连接；
第二电极阵列中的电极在第二方向上串联连接；并且
第一电极阵列和第二电极阵列相对设置，并且第一方向和第二方向不同。
5.如权利要求4所述的柔性电容触觉传感器，其中，
所述第一电极阵列或所述第二电极阵列的多个电极中至少一个电极在第一方向上的长度为第一长度且在第二方向上的长度为第二长度；
第一电极阵列上的电极沿第一方向的连接线的宽度小于第二长度；
第二电极阵列上的电极沿第二方向的连接线的宽度小于第一长度；
第一电极阵列上的电极在第一方向上的间距为第三长度，第二电极阵列在第二方向上的间距为第四长度；
所述第一长度、第二长度、第三长度和第四长度均小于5毫米。
6.如权利要求1所述的柔性电容触觉传感器，其中，
第一电极阵列和第二电极阵列相对设置；
第一电极阵列和第二电极阵列中的每个电极具有单独的引线；
第一电极阵列和第二电极阵列中相对设置的两个电极的引线在所述两个电极重叠的方向上不相交。
7.如权利要求1所述的柔性电容触觉传感器，其中，所述离子凝胶薄膜介电层的表面具有微结构。
8.一种柔性电容触觉传感器的制备方法，包括：
制备第一柔性电极层，其上设置有第一电极阵列；
制备离子凝胶薄膜介电层，将所述离子凝胶薄膜介电层放置在所述第一柔性电极层之上；
制备第二柔性电极层，其上设置有第二电极阵列；
将第二柔性电极层放置在离子凝胶薄膜介电层之上；
将所述第一柔性电极层、所述离子凝胶薄膜介电层和所述第二柔性电极层封装成所述柔性电容触觉传感器。
9.如权利要求8所述的柔性电容触觉传感器的制备方法，其中，所述制备第一柔性电极层和第二柔性电极层还包括：
使用银纳米线喷涂方式在第一柔性电极层的第一柔性薄膜层或第二柔性电极层的第二柔性薄膜层喷涂出图案化的第一电极阵列或第二电极阵列；或者
使用物理气相沉积方式在第一柔性电极层的第一柔性薄膜层或第二柔性电极层的第二柔性薄膜层上蒸镀图案化的第一电极阵列或第二电极阵列。
10.如权利要求8所述的柔性电容触觉传感器的制备方法，其中，所述制备离子凝胶薄膜介电层包括：
配置聚合物与离子液的混合溶液；
将所述混合溶液倒在微结构模板上；
将所述混合溶液固化后获得所述离子凝胶薄膜介电层。
11.如权利要求10所述的柔性电容触觉传感器的制备方法，其中，所述配置聚合物与离子液的混合溶液还包括：
将所述聚合物溶解在溶解液中形成第一混合溶解液；
使用磁子将第一混合溶解液搅拌至澄清；
向澄清的第一混合溶解液加入离子液形成第二混合溶解液；以及
使用磁子将第二混合溶解液搅拌至澄清形成所述混合溶液。
12.如权利要求11所述的柔性电容触觉传感器的制备方法，其中，
所述聚合物包括聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)，所述离子液包括1-乙基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺；
所述聚合物与所述溶解液的质量比为1∶1至1∶20；并且
所述离子液与所述聚合物的质量比为1∶2至6∶1。
13.如权利要求9所述的柔性电容触觉传感器的制备方法，其中，所述第一柔性薄膜层和第二柔性薄膜层由以下材料中的至少一项组成：热塑性聚氯酯弹性体橡胶(tpu)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚乙烯醇(pva)、尼龙6(pa6)、聚乳酸(pla)、聚丙烯腈(pan)、和聚醚砜(pes)。
14.一种触觉传感系统，包括：
激励电路，被配置为向所述第一柔性电极层和第二柔性电极层中的一个或多个电极输出感测激励信号；
如权利要求1-7中任一项所述的柔性电容触觉传感器，被配置为基于第一柔性电极层和第二柔性电极层中的至少一个与离子凝胶薄膜介电层的接触面积的变化，根据所述感测激励信号确定触摸感测信号；
信号检测电路，被配置为从所述柔性电容触觉传感器接收触摸感测信号；
信号处理器，被配置为处理所述触摸感测信号，并确定触摸位置和触摸力度。
15.一种电子设备，包括：
触觉传感检测面，
在所述触觉传感检测面上贴附的如权利要求1-7中任一项所述的柔性电容触觉传感器。
技术总结