三维柔性阵列触觉传感器结构设计

为减少类皮肤三维柔性触觉阵列传感器设计的复杂度,本文比较了基于导电橡胶的几种传感器结构设计方法,提出了采用整体式框架结构,节点行之间独立的非线性传感器结构.此设计不仅有利于传感器结构的加工实现,而且大大地降低了解耦算法的复杂度.仿真结果表明基于该结构的传感器可以实现大规模三维柔性触觉的信息测量以及传感器规模的扩展.     

三维柔性神经微电极阵列的制作

神经-电极接口是植入式微器件和生物电子器件中最关键的问题之一。但是目前常规的平面微电极阵列均为“三明治”结构,难以保证电极与靶神经细胞的良好接触,以致刺激或记录效果不理想。为了克服这一缺陷,本文提出了一种具有三维凸起结构的柔性神经微电极的制作工艺和方法。该方法采用光敏型聚酰亚胺（Durimide 7510）作为微电极的基质材料,通过硅各向异性腐蚀、光刻、腐蚀金属、电化学释放等工艺制成具有塔形凸起结构的微电极阵列。电极的塔形凸起结构可保证电极位点与靶细胞实现更紧密的接触。通过FEMLAB软件模拟和成品电极的阻抗谱测试,结果显示,相对于传统的平面微电极阵列,三维凸起微电极阵列具有更好的刺激效果。     

丘形柔性神经微刺激电极阵列

为了实现电极位点与靶细胞的良好接触,改善刺激效果,同时保证刺激电极自身安全,本文提出了一种具有圆滑外形的丘形柔性神经微电极阵列。以光敏性聚酰亚胺(Durimide 7510)为基质材料,利用光刻和金属层图形化结合电镀工艺,本文制作了6×6丘形柔性神经微电极阵列,每个电极位点底面直径为150μm,高度约为50μm。通过数值模拟、形貌观测和电学性能测试对制备的微电极进行了评价。实验结果显示,相对于传统的平面微电极阵列（具有相同底面积）,三维丘形电极位点的阻抗（@1kHz）降低了约4倍,可实现更有效的刺激。而相对于塔形电极,丘形电极则具有更均匀的表面电流密度分布,有利于电极长期工作的安全性。     

微型柔性热敏传感器阵列应用研究

边界层分离点检测是实现分离流主动控制的前提和基础，也是气动控制灵巧蒙皮系统研究的重点和难点。以流体边界层分离点检测技术为研究对象，以流体边界层分离点判定的风洞实验为验证目标，设计制作微型热敏传感器与聚酰亚胺柔性衬底，并首次利用微装配技术集成分立敏感元件与柔性衬底形成热敏传感器阵列。首先，采用分立元件通过表面贴装工艺来实现柔性微型热膜传感器阵列的集成，并研究该传感器阵列中敏感元件、柔性衬底的设计及传感器的排布。然后，在低速风洞实验中对传感器阵列的性能和传感器阵列输出信号采用统计量算法的方式进行处理判断，判定圆柱翼型的流体分离点位置。最后，对实验的结果所作的分析表明，该微型柔性热敏传感器阵列满足流体分离检测系统实时性、动态性的要求。     

基于柔性MEMS皮肤技术温度传感器阵列的研究

采用MEMS皮肤技术,在聚酰亚胺柔性衬底上成功研制出8×8阵列铂薄膜热敏电阻温度传感器。实验采用热氧化硅片为机械载体,以便于旋涂液态聚酰亚胺柔性衬底上器件的加工。最后用湿法腐蚀方法将柔性器件从载体上释放下来。试验表明聚酰亚胺衬底上的铂薄膜热敏电阻与温度的变化具有良好的线性,其电阻温度系数达0.0023/℃。与固态聚酰亚胺膜衬底相比,采用旋涂液态聚酰亚胺解决了制备中遇到的两大主要困难:其一,消除了涂聚酰亚胺衬底与载体界面之间的气泡,聚酰亚胺衬底表面能保持良好平整度;其二,制备过程中由于热循环而使柔性衬底产生的热膨胀明显减小。这种柔性温度传感器阵列易贴于高曲率物体表面以探测小面积温度场分布。     

矩形截面径向阵列式柔性支承的设计

介绍了一种能提供精密有限转动的柔性支承。在有限弹性变形范围内,采用组合变形理论给出了扭转刚度、最大正应力和最大剪应力计算公式。分析了主要结构尺寸参数对扭转刚度系数的影响,进行了算例设计计算,并对算例进行了有限元验证。结果表明,给出的解析计算公式可用于矩形截面径向阵列式柔性支承的指导性设计;对于扭转刚度系数有更高精度要求的应用,结合计算公式,采用有限元计算可获得满意的精度。     

电容阵列柔性压力传感器设计与分析

针对现有的柔性电容式压力传感器精度低、重复性差、大面积应用难度大等缺点,设计了一种柔性电容式压力传感器,可用于生理信息监测或机器人皮肤等领域。该传感器结构基于交叉电极式电容阵列,材料及制备工艺简单,易于大面积扩展应用,可对接触状态进行定量反馈。实验表明,该传感器能够感知0~70 k Pa范围的压强,可清晰分辨人手、脚等接触压力信息;电容灵敏度约1.17%V/k Pa;响应速度可达30 f/s,可实现压力信息的实时图形化显示。     

柔性阵列电容式触觉传感器设计与实验

针对现有柔性触觉传感器柔性差、结构和加工工艺复杂等问题,设计了一种可用于智能机器人和健康监测领域中的柔性阵列电容式触觉传感器。传感器由上电极层、下电极层和中间介电层构成,每个电极层上有多个平行带状电极,且上下层电极互相垂直,电极垂直交叉点形成阵列传感器单元。介绍了柔性阵列电容式触觉传感的理论基础和结构设计,并根据阵列结构建立了信号采集和处理系统。实验证明,该柔性阵列电容式触觉传感器和信号采集系统有很好的稳定性和准确性,可获得其表面的压力分布情况,并可在上位机中图形化呈现。     

一种阵列式柔性夹具的工件定位方法

提出了一种阵列式柔性夹具的工件定位方法。该方法首先采用投影法将工件和柔性夹具之间的定位问题转化为平面图形之间的定位问题,并基于平面区域和点的包含关系生成多组定位方案。然后通过计算定位雅可比矩阵的秩,确定了定位方案的可靠性。最后建立了工件制造误差、定位元件的安装和制造误差到工件定位误差的传递模型,并根据对工件定位的误差要求来计算定位方案的准确性,按照最大偏差最小化的准则来选择最准确的定位方案。工件在阵列式柔性夹具上定位的实例表明所提出的方法能获得满足定位可靠性和准确性要求的定位方案。     

新型柔性触觉传感器阵列结构设计及仿真研究

基于新型力敏导电橡胶的压阻效应和力信息检测原理,设计了一种三维网状阵列结构的柔性力敏导电橡胶触觉传感器.通过分析得出计算三维力的数学描述,并针对多维柔性触觉传感器的阵列结构进行了有限元仿真研究,获得了在不同的三维力作用下中心节点坐标的三个方向位移变化量,并计算了三维力作用前后力敏导电橡胶阵列单元的输出电阻的变化,为验证实验结果和新型结构设计提供有效的依据.     

新型接近式柔性电涡流阵列传感器系统

介绍了一种采用柔性印刷电路板工艺制作的新型接近式电涡流传感器阵列及其测试系统,以实现大面积曲面间微小间隙的实时监测。基于时分多路的扫描测试方法,对传感器阵列的设计方法、加工工艺及基底材料进行研究,设计了分叉式结构的线圈阵列及细长扁平引线电缆的柔性传感器探头。对传统的调频式振荡电路进行改进,解决线圈品质因数小的问题,提高了传感器系统的测试性能。试验结果表明,在2 mm的量程范围内,传感器系统的测量精度优于±0.5%,适用于曲面间隙的在线监测。     

基于应变片压阻效应的柔性传感器阵列的设计

为了使应用于机器人"皮肤"的传感器满足柔性、可阵列化和灵敏度高的需求,在传统应变式压力传感器的基础上,提出了基于应变片的压阻式柔性压力传感器的设计方案。在实验室条件下,应用三元乙丙橡胶作为弹性元件,制作柔性压力传感器,根据应变片的压阻效应可知,在弹性元件表面的压力值与电阻的变化存在对应关系。为了能够快速识别每个传感器单元的受力信息,采用行扫描法对传感器阵列逐行扫描。为了能够大面积覆盖,采用FPC连接器对柔性传感器阵列块与块之间进行连接,以及进行传感器阵列与控制板之间信号的传递。     

基于聚酰亚胺柔性衬底微温度传感器阵列的关键技术研究

基于柔性MEMS技术,在聚酰亚胺柔性衬底上成功制作出8×8阵列的铂薄膜电阻微温度传感器.该器件特别适用于复杂几何体高曲率表面温度的实时监控.采用了两种方法制作柔性器件第一种方法是将液态聚酰亚胺旋涂在有氧化物牺牲层的载体硅片上;第二种方法是用胶粘剂将P16051膜暂时粘在载体硅片上,然后分别在两种柔性PI衬底上制作铂薄膜热敏电阻温度传感器,最后将器件从硅片载体上分离下来.采用低温(小于300℃)工艺技术减小了PI柔性衬底的热循环.实验测试结果表明,PI衬底上的铂薄膜热敏电阻具备良好的线性度,其电阻温度系数接近于0.0023/℃.     

基于柔性传感器阵列的边界层分离位置测定实验研究

结合边界层分离点附近的剪应力变化规律，提出针对在飞行器外表面贴附微型传感器的分离点检测方法，给出了相应微型剪应力传感器阵列的设计方案。研制了在柔性聚酰亚胺衬底集成微型热敏传感器的柔性传感器阵列，解决了柔性传感器阵列对微细加工工艺要求较高的难题。在低速风洞实验中对传感器阵列的性能和传感器阵列输出信号的处理判断方式进行了验证，实验结果分析表明，研制的微型热敏传感器阵列能够实现对流体边界层分离位置的在线测量。     

阵列式柔性纸基SERS细菌检测芯片的制备

为实现细菌的快速、低成本、高通量检测,设计并制备了一种阵列式柔性纸基SERS检测芯片。首先制备银溶胶,再利用激光打印和碳粉的疏水性,在纸基上分别构造隔离区与阵列检测区。在检测区循环滴加银溶胶,由于碳粉的疏水特性,将银溶胶液滴限制在检测区范围。一定温度下,银溶胶自然干燥即形成阵列式活性SERS检测芯片。利用罗丹明6G作为探针分子对纸基SERS芯片进行了表征,测试结果表明该芯片的检测限为10~(-8) mol/L,重复性测试的RSD约为11.85%。大肠杆菌SERS测试实验表明,该芯片可快速获得大肠杆菌的拉曼特征峰,无需对样本进行标记或复杂的前处理。该柔性纸基SERS芯片结构简单、制作快速、成本低廉,阵列结构可实现多参数的同时测量,有望应用于致病菌的直接、快速检测。     

柔性触觉传感阵列力觉标定及加载系统

为解决现有触觉力标定系统不易实现对柔性触觉传感阵列中任意触觉单元进行标定,且存在精度低、不易操作等弊端,设计并研制了一种柔性触觉传感阵列力觉标定及加载系统。利用STM32F103VET6高性能微处理器控制步进电机以联动S型高精度压力传感器实现二维力的精确加载与标定,并将标定信息于上位机实时图形化显示。介绍了标定平台的结构特点、工作原理及系统软硬件设计,通过对系统误差分析及平台标定测试,可实现二维力加载范围0~50 N,法向与切向精确度为0.18%FS。触觉力加载应用实验表明,该加载平台具有较高的测量精度和较强的实用性,为不同结构单元的柔性触觉传感阵列二维力标定及加载提供了便利。     

浮动电极式三维柔性电容触觉传感阵列设计

提出了一种能够同时实现z-向压力与x-y向剪切力测量的新型三维柔性电容触觉传感阵列,采用浮动电极式的传感阵列结构设计,分别制作了基于FPCB的感应电极层和基于PDMS的浮动电极层,将脆弱的接口电路加工在底部的感应电极层上,大幅提高传感阵列的挠曲刚度。所设计的柔性电容触觉传感阵列在x-y和z-方向上的理论灵敏度分别为1.0%/m N和0.8%/m N。     

用于视觉修复的柔性神经微电极阵列的电学性能表征

用于视网膜修复的神经微电极阵列(MEAs)是当前国内外研究的热点问题之一.本文提出了一种以新型材料--聚对二甲苯(Parylene)为基底的柔性神经微电极,采用MEMS技术设计了其微加工工艺,并使用电化学分析手段对制作的柔性微电极性能进行了表征.结果表明,基于Parylene柔性微电极阵列的阻抗值在中频段呈现高通特性,其阻抗值及相位角分别为2 000～100 Ω和-20°,有利于实现植入式视觉假体系统对视神经进行功能性电刺激.     

基于新型导电橡胶的三维力柔性阵列触觉传感器研究

针对目前多维阵列触觉传感器不能兼有柔韧性和测量多维力特征信息等难题,研究了一种基于导电橡胶的新型柔性三维力触觉传感器,通过检测橡胶的电阻变化来分析受力信息.该传感器的敏感单元采用"整体液体成型"的方法制作而成,操作简便,有利于触觉传感器的产品化.介绍了该传感器的基本结构及其工作原理,并对三维力的检测进行了仿真研究,结果表明该传感器能够实现对三维力信息的检测.     

新型三维柔性触觉阵列传感器标定系统与方法研究

介绍一套新型三维柔性触觉阵列传感器标定系统,该系统可用于柔性压敏材料的标定。该系统分别采用求解标定矩阵和BP人工神经网络的方法完成传感器标定,进行误差分析并比较其优缺点。该系统的设计简化了对柔性阵列单元进行标定的程序,达到了预期的目的。