阅读说明：本技术 感应装置及其制备方法、机器人 (Induction device, preparation method thereof and robot ) 是由 郭师峰 黄林冰 冯伟 吴新宇 张艳辉 陈丹 李叶海 张树潇 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及传感器技术领域,公开了一种感应装置及其制备方法、机器人。该感应装置包括：基底、感应层以及弹性层。感应层设于基底上,感应层包括若干感应元件组,各感应元件组分别包括对称设置的两个感应元件；弹性层设于感应元件组的两个感应元件上,以在弹性层接受剪切力作用或是接受不平整表面的抵压时,弹性层对应两个感应元件的部分发生不同的形变,使得感应元件组中的两个感应元件发生不同的形变,进而产生不同的电信号。通过上述方式,本发明能够丰富感应装置的功能。(The invention relates to the technical field of sensors, and discloses an induction device, a preparation method of the induction device and a robot. The sensing device includes: the sensor comprises a substrate, a sensing layer and an elastic layer. The induction layer is arranged on the substrate and comprises a plurality of induction element groups, and each induction element group comprises two induction elements which are symmetrically arranged; the elastic layer is arranged on the two sensing elements of the sensing element group, so that when the elastic layer is subjected to shearing force or is pressed by the uneven surface, the parts of the elastic layer corresponding to the two sensing elements are deformed differently, so that the two sensing elements in the sensing element group are deformed differently, and further different electric signals are generated. Through the mode, the induction device can enrich the functions of the induction device.)

感应装置及其制备方法、机器人

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种感应装置及其制备方法、机器人。

背景技术

目前，用于检测压力的传感器，其功能较为单一，并不具备检测其它作用力的功能，例如剪切力等。

发明内容

有鉴于此，本发明主要解决的技术问题是提供一种感应装置及其制备方法、机器人，能够丰富感应装置的功能。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种感应装置。该感应装置包括：基底、感应层以及弹性层。感应层设于基底上，感应层包括若干感应元件组，各感应元件组分别包括对称设置的两个感应元件；弹性层设于感应元件组的两个感应元件上，以在弹性层接受剪切力作用或是接受不平整表面的抵压时，弹性层对应两个感应元件的部分发生不同的形变，使得感应元件组中的两个感应元件发生不同的形变，进而产生不同的电信号。

在本发明的一实施例中，弹性层包括弹性块，感应元件组的两个感应元件上分别设有不同的弹性块，并且感应元件组的两个感应元件上的弹性块对称设置，以在感应元件组的两个感应元件上的弹性块接受不平整表面的抵压时，感应元件组的两个感应元件上的弹性块发生不同的形变，使得感应元件组的两个感应元件发生不同的形变，进而产生不同的电信号。

在本发明的一实施例中，弹性层包括弹性块，一弹性块对应设于一感应元件组的两个感应元件上，以在感应元件组的两个感应元件上的弹性块接受剪切力作用或是接受不平整表面的抵压时，感应元件组的两个感应元件上的弹性块对应两个感应元件的部分发生不同的形变，使得感应元件组的两个感应元件发生不同的形变，进而产生不同的电信号。

在本发明的一实施例中，弹性块朝向感应元件的表面在基底上的正投影覆盖感应元件在基底上的正投影。

在本发明的一实施例中，感应元件包括交替层叠设置的一维材料层和二维材料层。

在本发明的一实施例中，感应装置还包括若干电极以及在基底上延伸的若干电极引线，若干电极设于感应层的外周，一电极连接一电极引线，并且每两根电极引线分别连接一感应元件。

在本发明的一实施例中，感应装置包括多组感应元件组，多组感应元件组在基底上沿一圆周方向依次排列，并且各感应元件组中的两个感应元件以圆周方向对应的圆心为中心对称设置。

在本发明的一实施例中，感应元件沿基底表面自第一端至第二端蛇形蜿蜒延伸设置，第一端和第二端分别连接一电极引线，其中感应元件远离圆心的端部的圆弧宽度大于靠近圆心的端部的圆弧宽度，形成扇形结构。

在本发明的一实施例中，感应元件覆盖其对应连接的两根电极引线的一部分，两根电极引线被感应元件覆盖的部分构成叉指电极结构。

在本发明的一实施例中，感应装置还包括封装层，封装层覆盖感应元件以及感应元件所连接的电极引线至少靠近感应元件的部分，并且弹性层设于封装层背离感应层的一侧。

在本发明的一实施例中，基底为柔性体。

为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是：提供一种机器人。该机器人包括如上述实施例所阐述的感应装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的又一个技术方案是：提供一种感应装置的制备方法。该制备方法包括：提供基底；在基底上形成感应层，其中感应层包括若干感应元件组，各感应元件组分别包括对称设置的两个感应元件；在感应层上形成弹性层，其中弹性层形成于感应元件组的两个感应元件上，以在弹性层接受剪切力作用或是接受不平整表面的抵压时，弹性层对应两个感应元件的部分发生不同的形变，使得感应元件组中的两个感应元件发生不同的形变，进而产生不同的电信号。

本发明的有益效果是：区别于现有技术，本发明提供一种感应装置及其制备方法、机器人。该感应装置其设于感应元件组的两个感应元件上的弹性层，在接受剪切力作用或是接受不平整表面的抵压时，弹性层对应两个感应元件的部分发生不同的形变，使得感应元件组中的两个感应元件发生不同的形变，进而产生不同的电信号，即本发明的感应装置能够用于检测剪切力以及物体表面的平整度。并且，通过本发明弹性层以及感应元件接受抵压而产生的形变还能够检测压力。也就是说，本发明所提供的感应装置不仅具备检测压力的功能，还具备检测剪切力以及物体表面平整度的功能，因此能够丰富感应装置的功能。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。此外，这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

图1是本发明感应装置一实施例的结构示意图；

图2是图1所示感应装置的俯视结构示意图；

图3是图1所示感应装置的剖面结构示意图；

图4是图1所示感应装置处于检测压力状态的剖面结构示意图；

图5是图1所示感应装置处于检测剪切力状态的剖面结构示意图；

图6是图1所示感应装置处于检测物体表面平整度状态的剖面结构示意图；

图7是本发明感应装置另一实施例的结构示意图；

图8是图7所示感应装置的剖面结构示意图；

图9是图7所示感应装置处于检测压力状态的剖面结构示意图；

图10是图7所示感应装置处于检测物体表面平整度状态的剖面结构示意图；

图11是本发明感应元件一实施例的结构示意图；

图12是本发明感应装置的制备方法一实施例的流程示意图；

图13是图12所示感应装置的制备方法中各步骤的结构示意图；

图14是本发明机器人一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

为解决现有技术中传感器功能单一的技术问题，本发明的一实施例提供一种感应装置。该感应装置包括：基底、感应层以及弹性层。感应层设于基底上，感应层包括若干感应元件组，各感应元件组分别包括对称设置的两个感应元件；弹性层设于感应元件组的两个感应元件上，以在弹性层接受剪切力作用或是接受不平整表面的抵压时，弹性层对应两个感应元件的部分发生不同的形变，使得感应元件组中的两个感应元件发生不同的形变，进而产生不同的电信号。以下进行详细阐述。

请参阅图1-2，图1是本发明感应装置一实施例的结构示意图，图2是图1所示感应装置的俯视结构示意图。其中，图2省略了封装层5和弹性层3。

在一实施例中，感应装置包括基底1、感应层2以及弹性层3。感应层2设于基底1上，感应层2包括若干感应元件组21，各感应元件组21分别包括对称设置的两个感应元件211。弹性层3设于感应元件组21的两个感应元件211上。

可选地，基底1可以是柔性体，可以是采用柔性材料制得的薄膜，使得基底1具有较好的机械强度，并且可以允许发生弯曲，基底1能够配合感应装置的安装位置的表面形貌，以方便地贴附于感应装置的安装位置，进而方便感应装置的安装。当然，感应装置优选地安装于平整表面，以保证检测精度。优选地，基底1所采用的柔性材料可以是PI(聚酰亚胺)等，其厚度优选为低于100μm。

感应元件211可以为压阻元件等，感应元件211的形变会引起感应元件211形变处的阻值发生改变，并且感应元件211形变处的阻值的改变量与感应元件211形变处的形变程度有关，能够发映出感应元件211所受压力的大小。

利用上述感应元件211的压阻原理能够检测不同类型以及形式的作用力。其中，各感应元件211的表面通常设计为相互平齐，并且整个感应层2均为受力面。具体如下：

当感应装置用于检测压力时，弹性层3接受压力作用，弹性层3发生形变，使得弹性层3对应的感应元件组21的两个感应元件211发生等量的形变，进而检测出所受压力的大小。

当感应装置用于检测剪切力时，弹性层3接受剪切力作用，弹性层3对应感应元件组21的两个感应元件211的部分发生不同的形变，使得感应元件组21中的两个感应元件211发生不同的形变，进而产生不同的电信号，即感应元件组21的两个感应元件211分别产生不同的电信号，进而检测出剪切力的大小。

当感应装置用于检测物体表面平整度时，弹性层3接受待检测物体表面的抵压，其中在接受不平整表面的抵压时，弹性层3对应感应元件组21的两个感应元件211的部分发生不同的形变，使得感应元件组21中的两个感应元件211发生不同的形变，进而产生不同的电信号，即感应元件组21的两个感应元件211分别产生不同的电信号，进而检测出待检测物体表面不平整的情况，同时能够反映出待检测物体表面不平整的程度。

以上可以看出，本发明所提供的感应装置不仅具备检测压力的功能，还具备检测剪切力以及物体表面平整度的功能，因此能够丰富感应装置的功能。本发明所提供的感应装置可以应用于机器人的触觉系统，为机器手臂准确抓握物体提供力的反馈；其也可贴在人体表皮上，监测人体各处关节、肌肉活动特性等。

请参阅图1、3，图3是图1所示感应装置的剖面结构示意图。

在一实施例中，弹性层3包括弹性块31。一个弹性块31对应设于一组感应元件组21的两个感应元件211上，以在感应元件组21的两个感应元件211上的弹性块31接受剪切力作用或是接受不平整表面的抵压时，感应元件组21的两个感应元件211上的弹性块31对应两个感应元件211的部分发生不同的形变，使得感应元件组21的两个感应元件211发生不同的形变，进而产生不同的电信号。

图1、3展示了一个弹性块31对应设于一组感应元件组21的两个感应元件211上，并且不同感应元件组21对应的弹性块31在交汇处相连的情况。需要说明的是，本发明的实施例以一个弹性块31对应设于一组感应元件组21的两个感应元件211上的情况为例进行阐述，仅为论述需要，并非因此造成限定。

具体地，当感应装置用于检测压力时，感应元件组21的两个感应元件211所对应的弹性块31接受压力作用，整个弹性块31被抵压下陷，使得弹性块31对应的感应元件组21的两个感应元件211发生等量的压缩，进而检测出所受压力的大小，如图4所示。

当感应装置用于检测剪切力时，感应元件组21的两个感应元件211所对应的弹性块31接受剪切力作用，弹性块31对应感应元件组21的两个感应元件211的部分发生不同的形变，使得感应元件组21中的两个感应元件211发生不同的形变，进而产生不同的电信号，即感应元件组21的两个感应元件211分别产生不同的电信号，进而检测出剪切力的大小，如图5所示。

当感应装置用于检测物体表面平整度时，感应元件组21的两个感应元件211所对应的弹性块31接受待检测物体表面的抵压，其中在接受不平整表面的抵压时，弹性块31对应感应元件组21的两个感应元件211的部分发生不同的形变，使得感应元件组21中的两个感应元件211发生不同的形变，进而产生不同的电信号，即感应元件组21的两个感应元件211分别产生不同的电信号，进而检测出待检测物体表面不平整的情况，同时能够反映出待检测物体表面不平整的程度，如图6所示。

请参阅图7-8，图7是本发明感应装置另一实施例的结构示意图，图8是图7所示感应装置的剖面结构示意图。

在替代实施例中，弹性层3包括弹性块31。感应元件组21的两个感应元件211上分别设有不同的弹性块31，并且感应元件组21的两个感应元件211上的弹性块31对称设置，以在感应元件组21的两个感应元件211上的弹性块31接受不平整表面的抵压时，感应元件组21的两个感应元件211上的弹性块31发生不同的形变，使得感应元件组21的两个感应元件211发生不同的形变，进而产生不同的电信号。

具体地，当感应装置用于检测压力时，感应元件组21的两个感应元件211所对应的弹性块31接受压力作用，各弹性块31均被抵压下陷，使得感应元件组21的两个感应元件211发生等量的压缩，进而检测出所受压力的大小，如图9所示。

当感应装置用于检测物体表面平整度时，感应元件组21的两个感应元件211所对应的弹性块31接受待检测物体表面的抵压，其中在接受不平整表面的抵压时，感应元件组21的两个感应元件211各自所对应的弹性块31发生不同的形变，使得感应元件组21中的两个感应元件211发生不同的形变，进而产生不同的电信号，即感应元件组21的两个感应元件211分别产生不同的电信号，进而检测出待检测物体表面不平整的情况，同时能够反映出待检测物体表面不平整的程度，如图10所示。

进一步地，弹性块31朝向感应元件211的表面在基底1上的正投影覆盖感应元件211在基底1上的正投影，如图3、8所示。如此一来，弹性块31所接受的作用力能够更好地传递至感应元件211，使得通过感应元件211的形变而反映出其阻值的变化能够更准确地描述弹性块31所接受作用力的情况。

请继续参阅图3、8。在一实施例中，感应元件211包括交替层叠设置的一维材料层2111和二维材料层2112。具体地，感应元件211由一维材料层2111和二维材料层2112一一交替层叠而成，利用量子隧穿效应在感应元件211受到不同作用力时可以改变感应元件211的电阻。并且，本实施例的感应元件211其结构稳定、弹性模量低、有利于微观尺度的运动以及离子的渗透和逸出。此外，本实施例的感应元件211不易聚集成束、比表面积高、粘附性好、接触面积大，因此本实施例的感应元件211具备较高的检测灵敏度。

可选地，一维材料层2111所使用的材料可以是纳米炭黑、单壁或多壁碳纳米管等，优选地是碳纳米管。二维材料层2112所使用的材料可以是金属碳氮化合物、石墨烯等，具体可以是Nb₂C、V₂C、(Ti_0.5Nb_0.5)₂C、Ti₃C₂、Ti₃CN、(V_0.5Cr_0.5)₃C₂、Ta₄C₃、Ti₂C等，其中优选地是Ti₃C₂。

请继续参阅图2。进一步地，感应装置包括多组感应元件组21。该多组感应元件组21在基底1上沿一圆周方向依次排列，并且各感应元件组21中的两个感应元件211以该圆周方向对应的圆心(如图2所示的圆心O，下同)为中心对称设置。如此一来，在感应装置应用于检测剪切力时，感应装置能够检测出剪切力的方向。具体地，当感应装置接受不同方向的剪切力作用时均有对应的感应元件组21与该剪切力对应，从而检测出剪切力的大小，并且根据与剪切力对应的感应元件组21的两个感应元件211的间隔方向即可判断出剪切力的方向。

可以理解的是，感应元件组21的组数越多，剪切力方向的判断精度就越高。图2展示了感应元件组21的组数为8组，并且8组感应元件组21组成完整圆周的情况。

请继续参阅图2。在一实施例中，感应装置还包括若干电极41以及在基底1上延伸的若干电极引线42。若干电极41设于感应层2的外周，其中一个电极41连接一根电极引线42，并且每两根电极引线42分别连接一个感应元件211。感应元件211所连接的两根电极引线42用于使得感应元件211连接至两个电极41，其中一个电极41用于向感应元件211输入电信号，另一个电极41用于引出电信号，形成电流通路。并且感应元件211的阻值改变，会影响自感应元件211引出的电信号，根据自感应元件211引出的电信号的改变情况，计算出感应元件211阻值的改变情况，进而用于检测感应装置所接受作用力的情况，包括用于检测压力、剪切力以及物体表面平整度等。

进一步地，感应元件211沿基底1表面自第一端2113至第二端2114蛇形蜿蜒延伸设置，第一端2113和第二端2114分别连接一电极引线42，具体地感应元件211覆盖电极引线42以与电极引线42连接。其中，感应元件211远离圆心的端部的圆弧宽度大于靠近圆心的端部的圆弧宽度，形成扇形结构，以便于各感应元件组21的感应元件组21成上述完整圆周。当然，在本发明的其它实施例中，感应元件211也可以是矩形结构等，在此不做限定。

需要说明的是，第一端2113和第二端2114可以沿远离上述圆心的方向依次设置，具体地第一端2113相对第二端2114靠近圆心，如图2所示；或第一端2113和第二端2114沿上述圆周方向依次设置，在此不做限定。其中，第一端2113和第二端2114优选为感应元件211蛇形蜿蜒延伸的首尾端，使得整个感应元件211均能够受力并应用于检测作用力。并且，蛇形蜿蜒延伸设置的感应元件211，其受抵压时压阻变化明显，有利于提高感应元件211的受力灵敏度。

请参阅图11。在替代实施例中，感应元件211并非如上述实施例中蛇形蜿蜒延伸设置，取而代之的是感应元件211为一完整的块体结构。为保证感应元件211具备足够的受力灵敏度，感应元件211覆盖其对应连接的两根电极引线42的一部分，并且两根电极引线42被感应元件211覆盖的部分构成叉指电极结构。叉指电极形式的电极引线42使得感应元件211上任意位置受到抵压而引起阻值的变化均能够反馈到感应元件211所连接的两根电极引线42上，进而引起自感应元件211引出的电信号发生改变，以应用于检测作用力。

请继续参阅图1-3。在一实施例中，感应装置还包括封装层5，封装层5覆盖感应元件211，并且感应元件211所连接的电极引线42至少其靠近感应元件211的部分同样被封装层5覆盖封装，以对感应元件211以及电极引线42起到封装保护作用。其中，弹性层3设于封装层5背离感应层2的一侧。并且，封装层5同样也是弹性体，以保证弹性层3所受的作用力能够传递至感应元件211。

可选地，弹性层3和封装层5可以采用PDMS、硅橡胶等材料，当然也可以采用性质相同的其它材料，使得弹性层3和封装层5具有良好的弹性以及绝缘性能。当然，弹性层3和封装层5二者的材料可以相同，也可以不同，在此不做限定。

请参阅图12-13，图12是本发明感应装置的制备方法一实施例的流程示意图，图13是图12所示感应装置的制备方法中各步骤的结构示意图。需要说明的是，本实施例所阐述的感应装置的制备方法是基于上述实施例所阐述的感应装置。并且，本实施例所阐述的感应装置的制备方法并不限于以下步骤。

S101：在一硬质基台61上涂覆一层厚度均匀的第一光刻胶层62；

在本实施例中，硬质基台61的化学性质稳定，并且其用于涂覆第一光刻胶层62的表面平整、洁净，以保证后续制程的稳定进行。

S102：在第一光刻胶层62上贴附形成基底1；

在本实施例中，在第一光刻胶层62上贴附用于形成基底1的薄膜，例如上述实施例所阐述的PI薄膜，进而形成基底1。其中，第一光刻胶层62可让基底1与硬质基台61更加贴合，可促使基底1表面保持平整。

S103：在基底1上涂覆一层厚度均匀的第二光刻胶层63。

S104：对第二光刻胶层63进行图案化处理，并通过去除第一光刻胶层62以将基底1和硬质基台61分离；

在本实施例中，对第二光刻胶层63进行图案化处理，以形成凹槽631，进而配合后续形成感应层2。具体地，可以搭配使用对应的掩膜板，通过光刻工艺，并利用移除剂去除部分的第二光刻胶层63，被去除的第二光刻胶层63所在的位置形成凹槽631。并且，本实施例中还可以通过移除剂去除第一光刻胶层62，从而使得基底1和硬质基台61分离。其中，移除剂可以是丙酮、酒精等，其根据第一光刻胶层62和第二光刻胶层63的具体成分而定。

S105：在基底1上形成电极41以及电极引线42；

在本实施例中，通过磁控溅射工艺，搭配具有所需特定掩膜图案的掩膜板，以在基底1上溅射形成电极41以及电极引线42。具体地，上述磁控溅射工艺所使用的掩膜板对应第二光刻胶层63上的凹槽631的区域镂空，以允许金属束流通过并到达第二光刻胶层63，而其它区域形成遮挡，以阻挡金属束流，进而使得电极41以及电极引线42形成于第二光刻胶层63上的凹槽631中。其中，由于电极41以及电极引线42的厚度较小，通常只有几百纳米，因此在后续步骤的示意图中不再展示电极41以及电极引线42。

S106：在基底1上交替沉积一维材料层2111和二维材料层2112；

在本实施例中，通过真空过滤技术在基底1上交替沉积一维材料层2111和二维材料层2112。

S107：去除经图案化处理后留存的第二光刻胶层63以及第二光刻胶层63上沉积的一维材料层2111和二维材料层2112，进而形成感应层2；

在本实施例中，去除经图案化处理后留存的第二光刻胶层63，使得沉积于第二光刻胶层63上的一维材料层2111和二维材料层2112缺乏底部支撑，导致第二光刻胶层63上沉积的一维材料层2111和二维材料层2112也容易被去除，之后形成感应层2。其中，第二光刻胶层63同样可以通过移除剂去除。

需要说明的是，感应层2包括若干感应元件组21，各感应元件组21分别包括对称设置的两个感应元件211，其正如上述实施例所述，在此就不再赘述。

S108：在感应层2上形成封装层5；

在本实施例中，在感应层2上形成封装层5。具体地，可以使用PDMS溶液将感应层2进行封装，之后固化形成封装层5。

S109：在封装层5上形成弹性层3；

在本实施例中，在封装层5上通过模具浇筑形成弹性层3。其中弹性层3形成于感应元件组21的两个感应元件211上，以在弹性层3接受剪切力作用或是接受不平整表面的抵压时，弹性层3对应两个感应元件211的部分发生不同的形变，使得感应元件组21中的两个感应元件211发生不同的形变，进而产生不同的电信号。其具体检测原理已在上述实施例中详细阐述，在此就不再赘述。

请参阅图14，图14是本发明机器人一实施例的结构示意图。

在一实施例中，机器人7包括感应装置71。机器人7可以是机器手臂等，感应装置71为机器手臂准确抓握物体提供力的反馈。其中，感应装置71为上述实施例中所阐述的感应装置，在此就不再赘述。

此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“层叠”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。