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一种基于液囊结构的微纳光纤触觉传感器发明专利

更新时间:2024-07-01
一种基于液囊结构的微纳光纤触觉传感器发明专利 专利申请类型:发明专利;
地区:浙江-杭州;
源自:杭州高价值专利检索信息库;

专利名称:一种基于液囊结构的微纳光纤触觉传感器

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202111580285.7

专利申请(专利权)人:之江实验室
权利人地址:浙江省杭州市余杭区文一西路1818号人工智能小镇10号楼

专利发明(设计)人:王世鹏,张磊

专利摘要:本发明公开了一种基于液囊结构的微纳光纤触觉传感器。本发明主要由一个柔性液囊和一个微纳光纤薄膜构成;柔性液囊下表面作为外界压力的受力面,将外界压力通过液囊传导到液囊的上表面,与此同时,贴敷在液囊上表面的微纳光纤薄膜受到这一压力而发生形变,进而使微纳光纤发生形变,改变微纳光纤的输出光强,实现微纳光纤输出光强对外界施加压力的传感。本发明实现了高灵敏度触觉信号传感的同时,解决了微纳光纤薄膜传感器对待测触觉信号施加位置敏感的问题,整体具有较好的工作性能,结构简单、布局紧凑。

主权利要求:
1.一种基于液囊结构的微纳光纤触觉传感器,其特征在于:
包括柔性液囊(1)和微纳光纤薄膜(2),微纳光纤薄膜(2)贴敷在柔性液囊(1)的上表面;
所述的柔性液囊(1)包括柔性液囊壳体(11)和柔性液囊腔体(14),所述柔性液囊腔体(14)位于柔性液囊壳体(11)内,柔性液囊腔体(14)内充有液体;
微纳光纤薄膜(2)包括聚合物材料包层(21)和微纳光纤(22),聚合物材料包层(21)覆盖在柔性液囊(1)的柔性液囊上表面(13),微纳光纤(22)内嵌在聚合物材料包层(21)中,且经过柔性液囊上表面(13)之上;
所述的柔性液囊下表面(12)作为外界压力的受力面,将外界压力通过液囊传导到液囊的上表面(13);
所述的柔性液囊壳体(11)、柔性液囊下表面(12)和柔性液囊上表面(13)均由相同材料制成;
所述的柔性液囊壳体(11)、柔性液囊下表面(12)、柔性液囊上表面(13)由柔性聚合物材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种基于液囊结构的微纳光纤触觉传感器,其特征在于:所述的微纳光纤(22)作为芯层被聚合物材料包层(21)均匀包覆;所述的柔性液囊腔体(14)内充有的液体采用甘油。
3.根据权利要求1所述的一种基于液囊结构的微纳光纤触觉传感器,其特征在于:所述的柔性液囊下表面(12)为一层柔性薄膜;所述的柔性液囊上表面(13)为一层柔性薄膜。
4.根据权利要求2所述的一种基于液囊结构的微纳光纤触觉传感器,其特征在于:所述的微纳光纤(22)两端分别连接光源和光探测器。
5.一种如权利要求1 4任一所述的基于液囊结构的微纳光纤触觉传感器的应用,其特~征在于:所述微纳光纤触觉传感器在脉搏检测中的应用。 说明书 : 一种基于液囊结构的微纳光纤触觉传感器技术领域[0001] 本发明涉及光纤触觉传感领域一种微纳光纤传感器,尤其涉及一种基于液囊结构的微纳光纤触觉传感器。背景技术[0002] 随着机器人、可穿戴设备和AR/VR等技术和应用场景的不断发展,触觉传感技术作为其中一项重要的传感支撑,逐渐得到了广泛的关注。以传感器为代表的各种触觉传感器,尤其是可以适配各类不规则表面的柔性触觉传感器,更是其中的核心。近年来,基于各种结构、各种技术原理的触觉传感器陆续得到报道,这其中,基于光学原理的触觉传感器以其灵敏度高、抗电磁干扰特性强等特点而得到了特殊的关注。[0003] 微纳光纤是近年逐步发展起来的、直径接近或小于其所传输的光的波长的一种新型光纤,被誉为“下一代光纤”,一经报道便引起了学界的广泛关注。微纳光纤的直径可以小至几百纳米,柔性好,弯曲半径可以小至微米量级,在高灵敏度传感方面具有突出优点。根据需求的不同,其长度范围可以从几十微米到几十厘米,甚至更长。这些优良特性使得微纳光纤非常适于制备高灵敏度的传感器件。[0004] 目前,微纳光纤通常使用普通光纤熔融拉锥制成,使拉伸区的纤芯的直径接近或小于所传输的光的波长(即为亚波长尺度)。微纳光纤通常包含腰区、未拉伸区和锥区,其中,在拉伸的中间区域形成芯径较细且均匀的腰区,腰区的两端未被拉伸的区域为未拉伸区,在腰区与未拉伸区之间芯径渐变的区域为锥区。微纳光纤传感器是基于微纳光纤这一新型结构发展而来的传感器,其基本原理为在微纳光纤的腰区制备特殊结构或涂覆特殊材料,形成微纳光纤传感区,从而使这一区域的材料折射率在外界参量(如温度、湿度、应力等)发生改变时同步发生改变,进而影响这一区域的倏逝场光强,最终改变微纳光纤的输出光强。基于上述特性,微纳光纤在柔性触觉传感器领域得到了较为广泛而深入的研究。[0005] 近年来,在基于微纳光纤的柔性触觉传感领域有较多的成果得到了报道。这类柔性触觉传感器通常基于低折射率聚合物材料包埋微纳光纤的薄膜结构。当传感器受到外界压力或贴敷于弯曲表面时,薄膜中被低折射率聚合物材料包埋的微纳光纤发生相应形变,从而使微纳光纤中传输的光场产生对应的损耗,进而改变最终的输出光强。尽管这类薄膜微纳光纤传感器具有灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点,但也存在信号响应对待测触觉信号施加位置敏感的缺点。[0006] 在实际使用场景中,我们通常希望触觉传感器能够在较大的面积内具有较为均一的响应,或者其敏感位置尺寸非常有限,仅可对非常小的区域产生一致有效响应,这对传感器的一致稳定工作具有重要意义。具体来说,薄膜型微纳光纤柔性触觉传感器通常基于微纳光纤的形变导致损耗这一基本原理。当单一传感器的不同位置分别受到相同大小、相同方向的压力刺激时,微纳光纤传感器可能发生不同程度的形变,进而产生不同的光强输出,严重影响传感器性能的标定。换言之,不同位置的刺激会导致不同的传感器信号响应。对薄膜型微纳光纤柔性触觉传感器而言,其可能在厘米级的空间范围内,在外界刺激相同时对毫米乃至百微米的刺激位置间隔产生显著不同的信号响应。显然,这样的工作特性会使其应用场景大大受限。发明内容[0007] 为了解决背景技术中存在的问题,本发明的目的是提供一种基于液囊结构的微纳光纤触觉传感器,以减少其使用过程中对待测触觉信号施加位置敏感的特性。[0008] 本发明主要由一个柔性液囊和一个微纳光纤薄膜构成。柔性液囊下表面作为外界压力的受力面,将外界压力通过液囊传导到液囊的上表面,与此同时,贴敷在液囊上表面的微纳光纤薄膜受到这一压力而发生形变,进而使微纳光纤发生形变,改变微纳光纤的输出光强,实现微纳光纤输出光强对外界施加压力的传感。[0009] 为实现上述目的,本发明所采取的技术方案是:[0010] 包括柔性液囊和微纳光纤薄膜,微纳光纤薄膜贴敷在柔性液囊的上表面;[0011] 所述的柔性液囊包括柔性液囊壳体和柔性液囊腔体,所述柔性液囊腔体位于柔性液囊壳体内,柔性液囊腔体内充有液体;[0012] 微纳光纤薄膜包括聚合物材料包层和微纳光纤,聚合物材料包层覆盖在柔性液囊的柔性液囊上表面,微纳光纤内嵌在聚合物材料包层中,且经过柔性液囊上表面之上。[0013] 所述的微纳光纤作为芯层被聚合物材料包层均匀包覆;所述的柔性液囊腔体内充有的液体采用甘油。[0014] 所述的柔性液囊壳体、柔性液囊下表面和柔性液囊上表面均由相同材料制成。[0015] 所述的柔性液囊壳体、柔性液囊下表面、柔性液囊上表面由柔性聚合物材料制成。[0016] 所述的柔性液囊下表面为一层柔性薄膜;所述的柔性液囊上表面为一层柔性薄膜。[0017] 所述的微纳光纤两端分别连接光源和光探测器。[0018] 所述微纳光纤触觉传感器在脉搏检测中的应用。[0019] 本发明的工作原理是:[0020] 首先柔性液囊下表面受到外界压力,由于液体内的任意一点压强相同,柔性液囊下表面任一位置所承受压强都可以经由柔性液囊腔体实时且均匀地传递到柔性液囊上表面,并进一步传递到与柔性液囊上表面紧密贴敷的微纳光纤薄膜,导致薄膜中的微纳光纤发生形变,进而改变输出光强,从而实现对外界施加压力的传感。换言之,柔性液囊下表面任一位置受到的压力,都可以被转换成微纳光纤薄膜的输出光强,且只与压力的大小有关,而与受到压力的具体位置无关,实现了微纳光纤触觉传感器对待测触觉信号施加位置的脱敏。[0021] 本发明的有益效果是:[0022] 本发明在实现高灵敏度触觉信号传感的同时,改进了传统薄膜型微纳光纤传感器对施加信号位置敏感的缺点,拓宽了薄膜型微纳光纤传感器的使用场景和应用范围。附图说明[0023] 图1是本发明结构示意图;[0024] 图2是本发明的柔性液囊结构示意图;[0025] 图3是本发明的微纳光纤薄膜结构示意图;[0026] 图4是本发明的脉搏探测小微触觉信号图。[0027] 图中所示:1‑柔性液囊;11‑柔性液囊壳体,12‑柔性液囊下表面,13‑柔性液囊上表面,14‑柔性液囊腔体;2‑微纳光纤薄膜;21‑聚合物材料包层,22‑微纳光纤。具体实施方式[0028] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。[0029] 如图1所示,本发明包括柔性液囊1和微纳光纤薄膜2,微纳光纤薄膜2贴敷在柔性液囊1的上表面;[0030] 具体的,如图2所示,柔性液囊1包括柔性液囊壳体11和柔性液囊腔体14,所述柔性液囊腔体14位于柔性液囊壳体11内,柔性液囊腔体14内充有液体;[0031] 如图3所示,微纳光纤薄膜2包括聚合物材料包层21和微纳光纤22,聚合物材料包层21覆盖在柔性液囊1的柔性液囊上表面13,微纳光纤22内嵌在聚合物材料包层21中,且经过柔性液囊上表面13之上。[0032] 微纳光纤22作为芯层被聚合物材料包层21均匀包覆;所述的聚合物材料包层21为低折射率的材料。所述的柔性液囊腔体14内充有的液体采用甘油,但不限于此。[0033] 柔性液囊壳体11、柔性液囊下表面12和柔性液囊上表面13均由相同材料制成。[0034] 柔性液囊壳体11、柔性液囊下表面12、柔性液囊上表面13由柔性聚合物材料制成。所述的柔性聚合物材料具体包括聚二甲基硅氧烷PDMS。[0035] 柔性液囊下表面12为一层柔性薄膜;所述的柔性液囊上表面13为一层柔性薄膜。[0036] 微纳光纤22两端分别连接光源和光探测器。[0037] 微纳光纤触觉传感器在脉搏检测中的应用。本发明的具体实施工作原理如下:[0038] 光源实时发出光束经微纳光纤22后被光探测器接收。[0039] 外部触觉信号压力施加到柔性液囊下表面12上后,使柔性液囊腔体14内部产生压强;[0040] 由于柔性液囊腔体14的液体内任一位置的压强相同,柔性液囊下表面12上所承受的压强被实时且均匀地传递到柔性液囊上表面13,进而传递到与柔性液囊上表面13紧密贴敷的微纳光纤薄膜2。[0041] 进一步地,这一压强导致微纳光纤薄膜2中与柔性液囊上表面13重合的区域发生形变,进而使微纳光纤薄膜2中这一区域的微纳光纤22产生形变,最终改变微纳光纤22的输出光束的光强。[0042] 外部触觉信号压力的大小决定了施加到柔性液囊腔体14的压强大小,并进一步影响了微纳光纤薄膜2所发生的的形变大小,最终影响了微纳光纤22的输出光强,从而实现了对触觉压力信号的传感。[0043] 具体是按照以下方式实现触觉信号的传感:[0044] 外部触觉信号压力施加到柔性液囊下表面12上后,使液囊内部产生相应的压强。由于液体内部任一位置的压强相同,柔性液囊下表面12上所承受的压强信号被实时且均匀地传递到柔性液囊上表面13,进而传递到与液囊上表面紧密贴敷的微纳光纤薄膜结构2。进一步的,这一压强导致微纳光纤薄膜2中与柔性液囊上表面13重合的区域发生相应形变,进而使薄膜中这一区域的微纳光纤22产生相应形变,最终改变微纳光纤22的输出光强。外部触觉信号压力的大小决定了施加到柔性液囊腔体14的压强大小,并进一步决定了微纳光纤薄膜2所发生的的形变大小,最终决定了微纳光纤22的输出光强,从而实现了对触觉压力信号的传感。[0045] 下面给出一具体实施例。[0046] 选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性液囊1的材料,通过特殊设计的金属模具制备PDMS的柔性液囊,其尺寸为17mm×27mm×5mm。柔性液囊下表面12的尺寸为5mm×10mm,厚度约为200μm。柔性液囊上表面13的尺寸为10mm×20mm,开口设计。微纳光纤薄膜2的聚合物材料包层21由同样由聚二甲基硅氧烷(PDMS)构成,其尺寸为14mm×21mm×500μm,微纳光纤22置于聚合物材料包层21中间,直径为2.2μm。柔性液囊腔体14中注入甘油。[0047] 根据上述实例制作了本发明器件,测量了该触觉传感器对小微触觉信号如脉搏的传感性能。[0048] 图4中可见,对于脉搏这样的小微触觉(压力)信号,所提出的触觉传感器可以准确的探测。[0049] 上述实施例用来解释说明本发明,而不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明做出的任何修改和改变,都落入本发明的保护范围。

专利地区:浙江

专利申请日期:2021-12-22

专利公开日期:2024-06-18

专利公告号:CN114486016B

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