电容式和触觉传感器及相关感测方法

摘要

各种实施例的多个方面涉及传感器装置及其方法。一种示例传感器装置包括电容器和传感器电路系统。电容器包括具有第一电极的第一基板、具有第二电极的第二基板、以及电介质层。电介质层具有布置成图案的多个孔，第一电极和第二电极被电介质层隔开并且相对于彼此具有重叠区域。传感器电路系统被耦合到电容器，并且被配置成且被布置成用于基于从以下至少一项导出的电容的变化来检测施加于传感器装置的法向力和剪切力：第一电极与第二电极之间的距离、以及第一电极和第二电极的重叠区域。

说明书

概述

人类或其他动物的皮肤提供了灵敏的各种传感器的卓越网络，这些传感器提供灵敏的压力和振动感测。皮肤可以将环境刺激换能为生理信号，该生理信号然后由大脑进行解释。各种力传感器和设备可以尝试模拟人类或动物皮肤的属性，以提供各种特征。

上述问题以及其他问题对用于各种应用的力传感器提出了挑战。

发明内容

各种实施例的多个方面涉及电容式和/或触觉传感器和用于感测剪切力和法向力并用于限定剪切力和法向力的大小的相关感测方法。

在接下来的讨论中，公开了各种实施方式和应用以通过非限制性示例实施例提供对本公开的理解。

在某些示例实施例中，本公开的多个方面涉及专门配置成用于检测某些力的传感器电路系统。例如，传感器电路系统可用于对剪切力和法向力进行分类，并限定力的大小和力的类型两者。传感器电路系统被配置成用于检测静态力和动态力两者，并由柔性基板形成以在弯曲表面(诸如，人类皮肤)上应用。

更具体的示例实施例涉及一种传感器装置，该传感器装置感测和/或检测并区分施加于该传感器装置上的力的类型(诸如，剪切力和法向力)。传感器装置以如下方式进行配置：基于从传感器装置的电容器的电极对之间的距离的变化和/或电极对的重叠区域的变化导出的电容的变化来测量施加于传感器电路系统的力；和/或使用柔性基板形成，使得传感器装置可以应用于各种表面(包括皮肤和其他边缘或弯曲表面)。

在具体方面，传感器装置包括具有至少一个电极的第一基板和具有至少一个电极的第二基板，第一基板和第二基板通过电介质层隔开，该电介质层由具有在图案内和/或布置成图案的孔的电介质材料形成。多个孔可以在电介质材料内布置成图案，并且可包括不同尺寸的孔。例如，多个孔布置成图案以设置传感器装置的灵敏度。电介质层布置在第一基板与第二基板之间。第一基板和第二基板可以由柔性材料形成。

传感器装置可以通过测量从以下至少一项的变化导出的电容的变化来检测、感测和/或限定法向力和剪切力的大小：第一基板的第一电极与第二基板的第二电极之间的距离、以及第一电极和第二电极的重叠区域。例如，传感器电路系统通过从电极对获取电容值并且比较该电容值在剪切力和法向力之间进行区分。由于电极之间的减小的距离，法向力会导致电容值的增大，而由于电极的重叠区域的减小，切向力回导致电容值的减小。因此，传感器装置可通过监测来自电极的电容值的变化而用于在法向力和剪切力之间进行区分。

在各实施例中，第一基板包括布置成图案的第一电极、第三电极、第四电极和第五电极，并且第二基板至少包括第二电极。装置可进一步包括与传感器电路系统通信的处理器电路系统。传感器电路系统被配置成且布置成用于通过测量从第一电极与第二电极之间的间隙距离的变化导出的电容的变化来限定法向力和剪切力的大小，并被配置成且布置成用于提供指示法向的大小的信号，并且比较由第一电极与第二电极之间、第三电极与第二电极之间、第四电极与第二电极之间以及第五电极与第二电极之间的重叠区域的变化导出的电容的变化向处理电路系统提供指示剪切力的大小的信号。

在多个相关方面，传感器装置包括至少一个电容-数字转换器电路系统，该电容-数字转换器电路系统将电极连接到该电容-数字转换器电路系统的输入通道。传感器电路系统可以使用电容-数字转换器电路系统和所连接的处理电路系统来以采样率测量电容。附加地和/或可替代地，装置包括用作换能器电路的部分的一个或多个附加电极，并且进一步包括无源或感应供电电路，该无源或感应供电电路被配置成用于至少向传感器电路系统提供功率。在具体方面，装置包括用于无线地传送来自传感器电路系统的信号的无线通信电路。

在一些具体方面，装置包括第三基板，第一基板包括第一电极，第二基板至少包括第二电极和第三电极，而第三基板包括第四电极。在此类方面，电介质层包括布置在第一基板与第二基板之间的第一电介质层和布置在第二基板与第三基板之间的第二电介质层。第一电介质层和第二电介质层各自在其中可包括多个孔。

在各个方面，电介质材料和/或孔可具有针对传感器电路系统的力范围和/或灵敏度的形状和尺寸。电极可以由多种不同的材料(诸如，金属、碳纳米材料、金属纳米线和导电聚合物)形成，并且电介质层可以由多种聚合物形成。例如，传感器电路系统被配置成且被布置成用于通过测量从第一电极与第二电极之间的间隙距离的变化导出的电容的变化来限定x、y、z和旋转力的大小，并向处理电路系统提供指示x、y、z和旋转力的大小的信号。

多个方面涉及形成上述传感器装置中的一者或多者的方法。示例方法包括(诸如，通过使用光刻、激光烧蚀、喷墨印刷或三维(3D)印刷)在柔性基板上印刷电极图案，并且在柔性基板中的第一柔性基板上提供电介质层。例如，印刷电极以形成具有第一电极的第一柔性基板和具有第二电极的第二柔性基板。在第一柔性基板上(诸如，通过接合技术)提供的电介质层和第二柔性基板结合，使得第一电极和第二电极通过重叠区域相对于彼此隔开。在具体方面，建立电介质层包括光刻、激光烧蚀、激光添加剂、喷墨印刷、3D印刷、可溶材料框架、乳液液滴框架到海绵框架技术。

方法可进一步包括：将电介质层和第二柔性基板结合包括形成电容器，并且方法进一步包括将电容器耦合到传感器电路系统，该传感器电路系统被配置且被布置成用于基于从以下至少一项的变化导出的变化来检测施加于传感器装置的法向力和剪切力：第一电极与第二电极之间的距离、以及第一电极和第二电极的重叠区域。作为示例，将电介质层和第二柔性基板结合包括将电介质层接合到第二柔性基板。进一步地，提供电介质层可包括固化并接合如图案化在柔性基板上的图案化电极下方的电介质结构。在各种具体方面中，方法进一步包括提供所形成的传感器装置作为机器人或假肢装置的部分。此外，多个孔布置成图案以设置传感器装置的灵敏度。

在各种具体方面，上述传感器装置被形成作为另一个装置(诸如，机器人或假肢装置)的部分。作为具体示例，该传感器装置可以是机器人手的部分。当应用到机器人手中时，传感器装置可以用于检测由机器人手持有或触摸的物体的滑移。在相关的具体方面，传感器装置被形成作为具有多个不同类型的传感器的另一个装置的部分，该多个不同类型的传感器包括传感器装置、压力传感器电路系统、应变传感器电路系统和/或温度传感器电路系统、以及其他类型的传感器。该装置可以进一步包括用于无线地传送来自传感器电路系统的信号的无线通信电路。在一些相关方面，该装置包括用作换能器电路的一部分的电极中的一个或多个，并且进一步包括无源或感应供电电路，该无源或感应供电电路被配置成用于向至少该装置的传感器电路系统提供功率。该装置可进一步包括计算机(例如，CPU和/或微控制器)以基于从传感器电路系统提供的信号来提供或评估力。

上述讨论/总结不旨在描述本公开的每一个实施例或每一个实现方式。下面的附图和具体实施方式(并参考附录，该附录已在优先的临时申请中提交并完全并入本文中)也例示了各种实施例。

附图说明

考虑到结合附图的以下详细描述，可以更全面地理解各种示例实施例，其中：

图1A-图1D示出了与本公开的实施例一致的示例传感器装置；

图2A-图2C示出了与本公开的实施例一致的在不同力下的示例传感器装置；

图3A-图3C示出了与本公开的实施例一致的在不同力下的示例传感器装置；

图4A-图4D示出了与本公开的实施例一致的示例传感器装置；

图5A-图5D示出了与本公开的实施例一致的制造传感器装置的示例；

图6A-图6C示出了与本公开的实施例一致的在不同力下的传感器装置的示例；

图7A-图7B示出了与本公开的实施例一致的如图4A所示的传感器装置的示例组成；

图8A-图8B示出了与本公开的实施例一致的在不同力下的传感器装置的示例；

图9示出了与本公开的实施例一致的示例传感器装置；

图10A-图10C示出了与本公开的实施例一致的在不同力下的传感器装置的示例；

图11示出了与本公开的实施例一致的传感器装置的示例性能；

图12A-图12C示出了与本公开的实施例一致的使用传感器装置的示例重复感测；以及

图13A-图13C示出了与本公开的实施例一致的传感器装置的示例性能。

尽管本文所讨论的各种实施例适于修改和替代形式，但其多个方面已经在附图中以示例的方式示出并且将详细描述。然而，应当理解，不旨在将公开限制于所描述的特定实施例。相反，旨在涵盖本公开范围内的所有修改、等价物和替代，包括权利要求中限定的多个方面。另外，如贯穿本申请所使用的术语“示例”仅作为说明，而不是限制。

具体实施方式

据信本公开的多个方面可适用于涉及传感器装置的各种不同类型的装置和方法，该传感器装置感测施加于其的力并且限定力的大小和类型。在某些实施方式中，已经示出了本公开的多个方面在用于机器人或假肢应用(诸如，机器人手)的类皮肤触觉传感器的情境下使用时是有益的，但是将会理解，本公开不一定限于此。通过以下对使用示例性情境的非限制性示例的讨论，可以理解各方面。

因此，在下面的描述中，阐述各种具体细节以描述本文中呈现的具体示例。然而对于本领域技术人员应当显而易见的是，一个或多个其他示例和/或这些示例的变体可以在没有下文给出的所有具体细节的情况下进行实践。在其他实例中，未详细描述公知特征，以避免混淆本文示例的描述。为了易于说明，在不同的图中可以使用相同的附图标记来表示相同的元素或相同元素的附加实例。此外，尽管在一些情况下可以在单个附图中描述多个方面和特征，但是将会理解，即使组合没有明确地示出或明确地描述为组合，来自一个附图或实施例的特征也可以与来自另一个附图或实施例的特征进行组合。

特定的示例实施例涉及一种传感器装置，该传感器装置可以电容性地检测多个维度(例如，三维轴并且在一些实例中，在二维中)中剪切触觉力和法向触觉力，并且区分多个维度中的力。传感器装置可以基于传感器电路系统的电容器的电介质层和电极的设计来限定力的大小和类型。示例传感器装置包括电容器，该电容器由被电介质层隔开的电极对形成，并且耦合到传感器电路系统。电介质层由具有多个孔的电介质材料形成，设计该多个孔的形状以设置传感器电路系统的灵敏度和力范围。电极可以形成在柔性基板上，使得在各种实施方式中，传感装置可以用于机器人、假肢和/或包括弯曲或具有边缘的表面的其他应用。传感器装置可以用于机器人和/或假肢以识别各种力，包括压力和压缩接触(例如，法向接触)和剪切滑移。在许多应用中，施加于人体皮肤上的力是指向皮肤的法向力和双平面剪切力的组合。例如，传感器电路系统可以用于对力模态(modal)、大小以及在一些示例实例对方向进行分类，并且可以是柔性的以允许覆盖机器人的表面，诸如，边缘或弯曲的表面。

人类皮肤(包括机械感受器)，对于以下灵巧的活动可能是必不可少的：对外部实体接触的检测和反应、对接触位置和力控制的操纵、以及对表面纹理和局部特征的探索。根据各实施例，传感器电路系统在机器人和/或假肢装置中实现，并且用于使用感测信息和机器人/假肢与环境的交互来像人类一样完成灵巧的活动。根据各实施例，触觉传感器电路系统可以在机器人和/或假肢中实现以通过提供与交互的表面上的机械刺激相匹配的数字数据来提供灵巧的活动。在一个具体的实验实施例中，传感器电路系统可以展现或满足多种标准，这些标准包括例如，1mm-5mm的空间分辨率(例如，示例机器人应用的指尖中的1mm、手掌中的5mm、以及小于4毫米(mm)的两点辨别力)、1微秒(ms)(或更少)的响应时间、0.01-10牛(N)的力灵敏度，并且可以是柔性的。但是实施例不限于此。在其他具体实施方式中，空间分辨率、力灵敏度和/或响应时间可与上述具体实施例不同，诸如展现出2mm-10mm的空间分辨率、1ms(或更小)-5ms的响应时间和/或0.05N-600千帕(kPa)的力灵敏度。传感器电路系统可以通过满足上述标准和/或以其他方式感测法向力和切向力及方向，以及静态力和动态力来用于不同种类的灵巧活动(例如，响应、操纵和探索)的触觉感测。如本文进一步所描述，可以调整电介质层以设置灵敏度，诸如通过调整电介质材料(例如，橡胶)的模量以及孔的尺寸、数量和/或形状。

在具体实施例中，传感器装置可以集成到机器人手或假肢上的电子皮肤中，这可以提供具有柔性机械属性的、测量三轴静态力和三轴动态力及该三轴静态力和该三轴动态力的方向的类皮肤功能。触觉传感器可以区分力(诸如，剪切力和法向力两者)，并且从具有柔性机械属性的机器人皮肤或假肢的任何表面测量静态力和动态力两者。静态力和动态力可以从机器人皮肤的任何表面或其他类型的表面进行测量。传感器装置的优势在于，电极和电介质层的设计使得传感器能够区分许多类型的触觉力，诸如，法向力和双平面剪切力、静态力和动态力。此外，目标技术规范(包括传感器电路系统的力范围和灵敏度)可以通过修改电介质层和孔的尺寸以及特定材料来改变。传感器电路系统或多个传感器电路可以用作人类机械感受器的替换，包括用于机器人和/或假肢应用。例如，多个传感器电路可以被放置在机器人表面上并且用于向该机器人提供实时力反馈。传感器装置的尺寸可以进行修改，以便定制范围和分辨率以满足不同机器人(或假肢)应用的需要。

传感器装置的电介质层可以由其中具有多个孔的电介质结构(例如，材料)组成。电介质层形成在两个基板之间，每个基板具有至少一个电极。通过设计电极和电介质层的形状，传感器装置可以对多模态外部刺激作出响应。传感器装置可包括具体的设计，藉此多个电极检测力(法向/剪切和静态/动态)并且在一些实施例中同时检测方向。

现在参考附图，图1A-图1D示出了与本公开的实施例一致的示例传感器装置。传感器装置包括电容器，该电容器耦合到传感器电路系统并且用于检测所施加的力的类型和大小两者、检测静态力和动态力，并且是柔性的以供施加在不光滑的表面(诸如，人类皮肤)上。此外，传感器电路系统可以检测所施加力的方向和振动。

如图1A中所示，传感器装置包括由至少两个基板102、104形成的电容器。基板102、104各自包括至少一个电极101、105并且通过电介质层103彼此隔开。在具体实施例中，基板102、104由柔性材料形成，并且电极101、105可以形成在柔性基板上。第一基板106可包括一个或多个电极，并且第二基板104可包括形成一个或多个电极对的一个或多个电极(例如，诸如由图4A示出)。在各实施例中，每个基板102、104可包括各种形状的一个或多个电极。

电介质层103可包括由电介质材料(诸如，聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)(SBS)、苯乙烯丁烯苯乙烯(SEBS)、聚(偏二氟乙烯-共六氟丙烯)(PVDF-HFP))形成的结构，尽管实施例没有限制于此。在具体实施例中，电介质层103包括具有在其中形成有多个孔106-1、106-N的电介质材料。孔106-1、孔106-N可以具有各种形状和尺寸，这些形状和尺寸可用于设置传感器装置的灵敏度。

传感器装置可用于以高灵敏度和感测范围检测随机组合的力(包括法向力、剪切力和旋转力)的大小和方向。在各具体实施例中，传感器装置用于测量利用电容电极的独特几何形状和电介质的微结构的电容换能系统。通过使用电极和电介质设计的组合，柔性传感器装置可以检测到从小力(1kPa)到大力(300kPa法向力、33kPa剪切力)并同时区分四个不同的力分量(x、y、z、旋转)。

图1B-图1D示出与图1A的传感器装置一致的具体示例传感器装置。传感器装置具有两个基板102、104，这两个基板102、104各自包括至少一个电极101、107-1、107-2、107-3、107-4，并且通过其中具有孔的电介质层103(例如，是多孔的)彼此隔开。在具体实施例中，第一基板具有第一电极101，并且第二基板104具有四个电极107-1、107-2、1073、107-4，使得第一基板102与第二基板104之间存在四个电极对。图1C示出了多孔的电介质层103的示例。图1D示出了具有电极101的第一基板102的实验性示例。在此类实施例中，传感器装置具有四个通道电极107-1、107-2、107-3、107-4，并且这四个通道电极用于使用提供四个不同变量(例如，x、y、x和旋转)的四个输入(例如，在电极101与电极107-1、107-2、107-3、107-4中的每一个之间的四个电容值)来区分四个方向力。

可以在第一基板102处的矩形形状的接地电极101与第二基板104的方形形状的电极107-1、107-2、107-3、107-4的四个通道之间并且跨越电介质层103测量电容，如图1B所示。两层的电极存储导致电容改变的电荷。中间电介质层103提供电容器的分隔和绝缘，并且通过在电极层上施加的电场而极化。传感器装置可以从顶部和底部被屏蔽层封装，以防止来自周围环境的电噪声以用于测量研究。接地电极(例如，电极101)与四通道电极(例如，电极107-1、107-2、107-3、107-4)的中心对准，以区分平面内力、x方向剪切力、y方向剪切力、以及以z为中心旋转的另一平面内力。在一个接地电极(例如，电极101)与四通道电极(例如，电极107-1、107-2、107-3、107-4)之间的四个电容器在本文中有时为了易于参考，从第二基板104的左上方沿顺时针方向被称为“C1、C2、C3和C4”。传感器的电容取决于四个底部通道电极107-1、107-2、107-3、107-4与一个顶部接地电极101之间通过夹层电介质的重叠区域而变化。作为具体示例，传感器装置可以通过比较C1、C4对和C2、C3对来限定x方向剪切的(+)或(-)方向，通过比较C1、C2电极对和C3、C4电极对来限定y方向剪切力的(+)或(-)方向，并且通过比较C1、C3和C2、C4来限定以z为中心的旋转力的顺时针(CW)或逆时针(CCW)方向。传感器装置可以区分四个不同方向的力(x、y、z、旋转)。

如图所示，电介质层103被夹持在第一基板102与第二基板104之间，该电介质层103是可拉伸的多孔弹性体结构，其在法向和平面内方向两个方向上都灵敏地变形和拉伸。可以使用各种制造方法(喷墨或三维印刷、海绵框架、水溶性材料框架或微流体辅助乳液滴框架)来制造孔(例如，孔隙(pore))。如图1B中所示，与没有孔隙的弹性体层相比，弹性体基质中直径为(1-500μm)的空气孔隙提供了空的空间。

具有孔的电介质层103可以提供特定的灵敏度，该灵敏度由可变形的空腔提供，以用于多维应力。电介质层103的材料可以是弹性体，其不仅具有弹性和低的滞后性，而且展现出低的杨氏模量(E1＝0.2～2MPa)和高的可拉伸性(e＝30～1000％)，使得电介质层103敏感地在所有方向的力下变形。通过使用该材料，传感器装置包括用于产生结构低得多的模量(E)的微结构设计，如以下等式1：

E＝E

v

其中E1是填充体的弹性模量，E2是基质的弹性模量，v1是填充体的体积分数而v2是基质的体积分数。由于低滞后材料和低模量电介质结构带来的可变形性，传感器装置可以对小力作出响应，这引起传感器对多轴力的高灵敏度。

具有孔的电介质层103还可以提供宽的感测范围，因为与其他电介质结构(诸如，微卡盘、微柱和微金字塔结构)相比，多孔结构具有宽而均匀的接触面积以实现电极与电介质结构之间的粘附。多孔电介质结构在被夹持并固定在两个电极层中时，在电介质表面与电极表面之间具有大的接触和粘附面积。当施加平面内力时，与撕裂电介质结构不同，多孔电介质层103通过弹性体网络分布应变，并防止损坏电极与(多个)电介质层103之间的界面。因此，传感器的感测范围在所有方向上都是高的(例如，500kPa法向、33kPa剪切)。

可以通过控制或调整孔隙的大小来调节传感器性能。通过海绵框架或微流体辅助乳液自组装(DMESA)技术制造的大型多孔弹性体通过由可拉伸弹性体制成的大型多孔结构的低杨氏模量为传感器提供了高的力灵敏度。通过盐或糖类水溶性材料框架技术制造的小型多孔结构通过穿过电介质结构与电极之间的宽接触区域的更强的粘附，通过与空气腔相比在表面上的更具弹性的材料为传感器提供宽的力感测范围。可以通过调节传感器装置的制造技术和参数以基于其目标应用来调节传感器装置。

在各具体示例中，当所有四个电极对的电介质层103的厚度减小而C1至C4的重叠区域保持不变时，传感器装置使用电介质层103感测力以检测和区分z方向法向力。当施加法向力时，随着厚度-轴向距离减小，孔隙中的空气被去除，并且孔隙从球形形状变形为椭圆形形状。结果，当施加z方向法向力时，C1至C4的电容相等地增大或减小，这用于将法向力与包括法向力、剪切力和旋转力的组合力区分开。测量所有四个电容的平均值可以限定z方向法向力。

当施加平面内线性或旋转力时，电介质层103沿x方向、y方向或以z为中心的旋转方向变形并拉伸，同时它支撑彼此线性或旋转移动的电极对。例如，当施加平面内压力时，随着椭圆形形状的力方向轴向的距离增大，在电介质层103中形成球形空隙的孔隙从球形形状变形为椭圆形形状。当孔隙和电介质层103变形时，电介质层103支撑并移动上电极层(例如，基板102)，这改变了(多个)上电极与(多个)下电极之间的重叠区域并改变了电容(例如，两个对中的每个电容器相等地增大或减小)。比较并减去所有四个电容器的电容变化可以限定平面内压力的大小和方向。电介质层103用于通过增大或减小四个电容器之中的不同的两对电容的增大或减小来检测和区分平面内线性和旋转力中的每一个。例如，当施加x方向剪切力时，虽然间隙距离由法向力固定，但是C1和C2的重叠面积和电容在C3和C4减小时增大，这是x方向剪切力的唯一响应，使得其被用于将法向力与包括法向力、剪切力和旋转力的组合力区分开来。当施加y方向剪切力时，C1和C4的电容在C2和C3减小时增大，这是y方向剪切力的唯一响应。当施加以z为中心的旋转剪切力时，C1和C3的电容在C2和C4减小时增大，这是以z为中心的旋转剪切力的唯一响应。

图2A-图2C示出了与本公开的实施例一致的在不同力下的示例传感器装置。如图2A-图2B所示，在一些实施例中，传感器装置可包括由至少两个基板210、212形成的一个或多个电容器。例如，传感器装置包括两个基板210、212，每一个基板具有至少一个电极211、213并且由电介质层214隔开。基板210、212由柔性材料形成，并且电极211、213可以形成在柔性基板上。第一基板210和第二基板212通过电介质层214隔开，该电介质层214由具有多个孔的电介质材料形成。第二基板212的电极可包括位于靠近电介质层214的表面上的第一电极213。在具体实施例中，电极211、213中的每一个可以是矩形形状的，然而实施例不限制于此。

电介质层214包括在其中形成的多个孔。在特定实施例中，多个孔可包括不同的形状和/或尺寸。尽管本文的实施例在没有力施加时将孔图示为圆形，但是实施例不限于此，并且孔可以是各种形状的。

如先前所描述，通过测量、监测和/或分析分别从电极对211、213之间的距离(例如，间隙距离)的变化和电极对211、213(或在各实施例中的电极对)的重叠区域的变化导出的电容的变化，可以测量法向静态力和剪切静态力的大小。可以基于对来自每个电极对的电容的比较来区分法向力和剪切力。如本文使用的，法向力包括或是指传感器电路系统上的压力或压缩力。

为了测量法向力，例如，当法向力被施加于如图2B所示的传感器装置时，第一基板210的电极211和/或第二基板212的电极213上的间隙距离(例如，电极对211、213之间的距离和/或电极与其他/上基板之间的距离)相等地减小(或以其他方式变化)，从而导致所有电极对的相等的电容变化。法向力可以通过电极对211、213的电容的平均值进行分类。

图2C示出了当法向力如图2B所示被法向力并且被施加于如图2A-图2B所示的装置时电极的电容结果。当施加法向力(诸如，0到600kPA之间的法向力)时，电容会增大。图2C示出了具有含有不同尺寸的孔的不同模量电介质层的传感器装置的灵敏度和滞后性。例如，具有DS 10P的孔的较低模量(例如，DS 10)硅橡胶可以具有较高的灵敏度，而具有DS 30P的孔的高模量(例如，DS 30)电介质层相对于彼此具有更好的滞后性。更具体地，图2C示出了施加于如图2A-图2B所示的传感器装置的50N法向力的五个周期的结果。

电容的变化可用于在法向力和剪切力之间进行区分。例如，如本文进一步所述，法向力可导致电容增大而剪切力导致电容减小。在一些具体实施例中，电容的变化可用于通过比较电极对中电容的不同变化来确定力的方向。电极对上的重叠区域根据力的方向展现了其电容的不同变化。在一些实施例中，第一基板和第二基板可以形成多个电极对以区分方向。例如，当从左侧向右侧施加x方向剪切力时，左电极对的、与电容成比例的重叠区域减小，而其他的则响应于重叠区域的变化而增大。这些不同的行为使得传感器电路系统能够确定剪切力的方向。当从顶侧向底侧施加y方向剪切力时，一个电极对的重叠区域和电容减小，而其他的增大或保持不变。如技术人员将理解的，左/右、顶/底参考相应的俯视图，而上/下参考侧视图。

在包括多个电极对的此类实施例中，传感器电路系统可以基于电极对的设计而在扭转剪切力和对角剪切力之间进行区分。例如，传感器电路系统可以监测由电极展现的电容的变化以在扭转剪切力和对角剪切力之间进行区分。传感器电路系统可以通过施加高采样率(>500Hz)使用与用于静态力的相同的换能技术来测量动态力。

在具体实施例中，传感器电路系统包括至少一个电容-数字转换器(CDC)电路系统，该CDC电路系统将电极中的至少一些连接到CDC电路系统的输入通道。传感器电路系统可以通过使用CDC电路系统和所连接的处理电路系统(例如，微控制器)以一采样率测量电容来测量动态力。为了通过此类采样率来测量动态力，传感器使用两个CDC电路系统(电容-数字转换器芯片)将电极对连接到每一个芯片的12个模拟输入通道中的2个，因为可以从到芯片的较少数量的电容器输入获取高采样率(>500Hz)。CDC芯片由具有12个模拟输入通道的基于Σ-Δ的CDC组成，并且经由I2C总线与微控制器通信，以0.3-1.2kHz采样率测量电容，并且通过主动屏蔽功能消除来自电容器的噪声。有关CDC芯片和主动屏蔽功能的更多信息，可以参考AD7147，模拟(Analog)，http://www.Analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD7147.pdf，其通过引用完全地并入本文。

在一些实施例中，该装置进一步包括用作换能器电路的一部分的一个或多个附加电极，并且进一步包括无源或感应供电电路，该无源或感应供电电路被配置成用于向该装置的至少传感器电路系统提供功率。该装置可进一步包括计算机(例如，CPU和/或微控制器)以基于从传感器电路系统提供的信号来提供或评估力。

触觉传感器的制造过程可包括电极形成、电介质层形成和接合。制造过程可以包括：在一个或多个柔性基板上印刷电极对；在柔性基板中的第一(或更多)柔性基板上构建电介质层；将第一柔性基板的电介质层接合到第二柔性基板；并且可选地，针对附加层重复过程以构建电极对的堆叠。为了在柔性基板上印刷电极图案，可以在柔性基板上采用光刻、激光烧蚀、喷墨印刷或三维(3D)印刷。为了在这些图案化的电极上构建电介质层，利用各种方法(诸如，光刻、激光烧蚀、激光添加剂、喷墨印刷、3D印刷、可溶材料框架、乳液液滴框架、直到海绵框架技术)制造电介质结构。该固化的电介质结构可以通过化学接合(例如，化学胶)接合到图案化的电极。进一步地，通过等离子体处理将接合到电极的电介质层接合至另一个电极，并且可选择地，可重复该过程以堆叠两个电极对。在各具体实施例中，制造过程可以使传感器电路系统内的电极对的对准自动化。

根据本公开的实施例可包括对如图1A-图1D和图2A-图2B所示的各种修改。修改可包括：电介质(微)结构(例如，孔)的尺寸的修改，其可以针对目标技术规范(包括传感器的力范围和灵敏度)而改变；材料可以被替代，诸如用于电极的碳纳米材料、金属纳米线、和导电聚合物以及用于电介质的任何种类的聚合物；并且电介质结构可以从圆形柱修改为板或矩形形状的结构(诸如，用于单像素传感器)。

在一些具体实施例中，传感器装置可以包括多于两个的基板(诸如，三个基板)，每个基板具有至少一个电极，并且被电介质层隔开。基板由柔性材料形成，并且电极可以形成在柔性基板上。第一基板可以包括电极，并且可以在第一基板上靠近电极形成第一电介质层。第二基板包括第一电极并且可选地包括第二电极。第二基板的第一电极和第二电极被布置成彼此重叠和垂直，从而形成不同的通道(例如，CH1和CH2)。第二基板经由第一电介质层与第一基板隔开。第二基板的第一电极靠近第一电介质层。可以在第二基板上靠近第二电极(或在第三基板上靠近电极)形成第二电介质层。第二电介质层将第二基板与包括电极的第三基板隔开。第二基板的第一电极和(可选地)第二电极通过第一电介质层和第二电介质层被有效地夹持在第一基板与第三基板之间。如可由普通技术人员所理解，传感器装置(诸如，图9所示的传感器装置)包括两个电极对的堆叠。第一电极对由第一基板的电极和第二基板的第一电极形成。第二电极对由第二基板的第二电极和第三基板的电极形成。

图3A-图3C示出了与本公开的实施例一致的在不同力下的示例传感器装置。该传感器装置可包括如图1A-图1D和图2A-图2B所示的传感器装置，在各具体实施例中，包括具有至少一个电极341的第一基板340和具有至少一个电极343的第二基板342。第一基板340和第二基板342由具有多个孔的电介质层344隔开。

传感器装置可以用于测量法向静态力和剪切静态力的大小，类似于图2A-图2C所示的上述传感器装置通过分析分别由电极对中的一个或多个电极对的间隙距离和重叠电极区域的变化导出的电容变化。可以基于对来自电极对中的一个或多个电极对的电容的比较来区分法向力和剪切力。

为了测量法向力，例如，当如图2B所示施加法向力时，这些(或所有)电极对的间隙距离减小或以其他方式变化，导致这两个电极对中的电容变化。法向力可以通过两个(或更多个)电极对的电容的平均值进行分类。相比之下，如图3B所示，剪切力可导致第一基板340的电极与第二基板342的电极之间的重叠区域减小，并且导致电容减小。电容的减小或增大可用于在剪切力和法向力之间进行区分。在一些在其中传感器装置包括多于一个电极对(例如，电极341、343)的更具体的实施例中，可以通过比较电极对中电容的不同变化来确定剪切力的方向。例如，第一基板340和第二基板342中的一者或多者可包括多于一个电极，由此与第一基板340和第二基板342中的另一个的电极形成多于一个电极对。

图3C示出了当如图3B所示施加剪切力并且施加于如图3A-图3B所示的装置时电极的电容结果。施加剪切力(诸如，0-6N(或大于50kPa)之间的剪切力)时电容会随重叠区域减小而减小。图3C示出了具有含有不同尺寸的孔的不同模量电介质层的传感器装置的灵敏度和滞后性。例如，具有DS 10P的孔的较低模量(例如，DS 10)硅橡胶可以具有较高的灵敏度，而具有DS 30P的孔的高模量(例如，DS 30)电介质层相对于彼此具有更好的滞后性。更具体地，图3C示出了施加于如图3A-图3B所示的传感器装置的5N剪切力的五个周期的结果。

由于电介质层344的孔的布置，一个或多个电极对上的重叠区域根据力的方向展现出不同的电容变化(例如，改变孔的形状导致第一基板340和第二基板342的不同部分处的不同的电容变化)。例如，如图3B所示，当从右侧向左侧施加x方向剪切力时，电极对341、343的、与电容成比例的重叠区域减小。在一些实施例中，传感器装置包括多于一个电极对，并且响应于x方向剪切力，另一电极对保持相同，或相比该电极对减小更低的量。这些不同的行为允许传感器电路系统确定剪切力的方向。当从顶侧向底侧(或反之亦然)施加y方向剪切力时，电极对中的一个电极对的重叠区域和电容减小，而另一电极对保持相同，或者相比该电极对减小更低的量。

在各具体实施例中，传感器电路系统可以在扭转剪切力和对角剪切力之间进行区分，但是实施例不限于此。当施加扭转时，由于重叠区域变化，电容按二次方变化。另一方面，对角剪切力按矩形改变电极对之间的重叠区域，该重叠区域按线性改变电容。与图7B所示的x轴剪切力或y轴剪切力类似，当对角剪切力施加于传感器电路系统时，电极对之间的重叠区域的变化形状是矩形的。

传感器可以通过施加高采样率(>500Hz)使用与用于静态力的相同的换能技术来测量动态力。如前所述，为了通过此类采样率测量动态力，传感器使用两个CDC(电容-数字转换器)芯片将两个电极对连接到每一个芯片的12个模拟输入通道中的2个。

图4A-图4D示出了与本公开的实施例一致的示例传感器装置。在各实施例中，传感器装置包括多于两个电极461、463、465。

如图4A中所示，传感器装置包括由至少两个基板460、464形成的电容器。基板460、464各自包括至少一个电极461、463、465并且通过电介质层462彼此隔开。在具体实施例中，基板460、464由柔性材料形成，并且电极可以形成在柔性基板上。第一基板464可以包括四个电极463、465(如图6A进一步示出)，并且第二基板460可以包括矩形形状的电极461(如图6C所示)或十字形形状的电极461(如图6D所示)。四个电极可以是正方形或矩形形状的，尽管实施例不限制于此。如前所述，电介质层462包括在其中形成的多个孔。

传感器电路系统耦合到电容器，该电容器由至少两个基板460、464和电介质层462形成。传感器电路系统基于从以下至少一项的变化导出的电容的变化来检测施加于传感器装置的法向力和剪切力：电极461、463、465之间的距离以及电极461、463、465的重叠区域。

图4B-图4C示出不同的第一基板464和第二基板460。更具体地，图4B示出了具有四个正方形形状的电极463、465、467、468的示例第二基板464，尽管实施例不限于此，并且电极可以是不同的形状(诸如，矩形或圆形)。图4C示出了具有一个矩形形状的电极461的示例第一基板460，而图4D示出了具有一个十字形形状的电极461的示例第一基板460。

图5A-图5D示出了与本公开的实施例一致的制造传感器装置的示例。传感器装置可与如图4A所示的传感器装置一致，并且具有与图4C一致的第一基板和与图4B一致的第二基板。在特定实施例中，装置包括具有矩形形状的电极571的第一基板567，具有四个正方形形状的电极572、573、574和575的第二基板570以及其中具有孔的电介质层569，尽管实施例不限于此并且可以包括更多或更少的电极和/或不同形状的电极。

在一些具体实施例中，传感器装置由柔性金属化聚酯薄膜形成，数百纳米厚的导电材料被烧蚀或印刷在微米厚的柔性膜的顶部，该柔性膜包括聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚酰亚胺(PI)和ITO膜，以及具有孔的可拉伸弹性体。弹性体可以是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)(SBS)、苯乙烯丁烯苯乙烯(SEBS)、聚(偏二氟乙烯-共六氟丙烯)(PVDF-HFP)、以及可以形成多孔结构并且当以压力按压时其中的孔隙彼此不粘附的其他弹性体。通过考虑目标应用的机械和电气属性选择这些材料。电极材料是柔性的，并且电介质材料是柔性且可拉伸的，使得所得的传感器响应于多轴力。例如，可以针对不同的电容基础值和灵敏度来调整孔(或孔隙)的尺寸(例如，用于较薄层和较高的基础电容值的小孔隙，用于更大灵敏度的大孔隙)。较高电介质弹性体也预计更灵敏。

如图5A-图5C所示，在具体实施例中，制造由电极图案化(例如，图5A)、电介质形成(例如，图5B)和对准(例如，图5C)组成。图5A-图5C中的每一个示出了制造过程的侧视图和俯视图。图5D示出了每个步骤的最终产物的示例。

如图5A所示，可以在第一基板567和第二基板570上图案化电极，从而形成四个电极层。可以使用各种技术来对电极571、572、573、574、575进行图案化。作为示例，紫外激光加工用于制造电极，其在烧蚀和切割这两方面都提供了多功能性的优势、以及计算机辅助的一步加工和大量生产能力。其他示例包括光刻、激光烧蚀、喷墨印刷或3D印刷。图5D示出了图案化电极586的示例。在此类实施例中，导电材料层在柔性膜上被图案化为电极、导线和对准参考，以对准和堆叠具有不同图案的电极。为了将电极放置在对准步骤的柱中，通过光刻、激光切割或切割印刷机切割电极图案的边缘上的圆。

如图5B所示，形成各种不同的电介质，这些电介质包括电介质层569，该电介质层569具有孔，并且在各实施例中具有在基板570上(例如，在电极上方)的各种底漆和电层。可以使用用于制造多孔结构的多种技术来形成电介质层569，使得电介质层569由光刻、激光烧蚀、激光添加剂、喷墨印刷、3D印刷、可溶材料框架、乳液液滴框架到海绵框架技术制成。图5D示出了基于液滴的微流体辅助乳液自组装(DMESA)技术的结果587。在去除弹性体的框架并使弹性体固化之后，取决于多孔结构的制造方法，可以在薄的弹性体框架中制成不同大小的孔隙，这调制多向力的灵敏度和感测范围。每个基板可被涂覆有底漆和弹性体。第二基板570被示出为首先被涂覆有靠近电极574、575的底漆580，然后被涂覆有弹性体581(诸如，室温可固化的弹性体)。尽管未示出，但是第一基板567可附加地具有底漆和/或弹性体涂层。

如图5C所示，传感器装置被组装。示例组装涉及与孔和杆的对准，和/或对经底漆处理的电极和室温可固化的弹性体的层压。例如，可以使用电极层之间的对准标记或涉及与孔和杆的对准的简单台式工艺来执行对准。电介质层与电极层之间的层压可以通过任何粘合剂或粘附技术来完成。所制造的传感器装置可以连接至用于感测力的传感器电路系统和诸如电路板(例如，模数转换器(ADC)电路板)之类的附加处理电路系统，并且可选地附接至机器人手的手指。集成传感器的光学图像由图5D的577示出。在具体实施例中，传感器的总尺寸为10x10x3.2mm，紧接着图案化电极的总尺寸为10x10x0.05mm，而微结构的总尺寸为10x10x3mm。该尺寸被决定为在高达500kPa法向压力和3mm剪切位移(33kPa)的最大值的范围内起作用。因为机器人应用中的传感器对高压力事件具有更好的强健性，因此目标范围高于典型的人类触觉感测范围(～10kPa)。电极层、电介质层和经组装的器件的显微图像如图5D所示。插图显微图像的多孔微结构的直径为300um。

图6A-6C示出了与本公开的实施例一致的在不同力下的示例传感器装置。传感器装置可以与如图4A和图5A-图5C所描述的传感器一致，并且具有含有第一电极616的第一基板、含有四个电极632、633、634、635的第二基板以及在其间具有孔的电介质层。

为了测量法向力，例如，当如俯视图601和侧视图603所示施加法向力时，四个电极对(C1、C2、C3、C4)上间隙距离(例如，电极对和其他/上基板之间的距离)相等地减小(或以其他方式变化)，从而导致所有电极对中的相对的电容变化(例如，增大)相等，如图表605所示。法向力可以使用传感器电路系统通过四个电极对的电容的平均值进行分类。

为了在法向力和剪切力之间进行区分，可以通过比较四个电极对中的不同的电容变化来确定剪切力和扭转的方向，如607、613、619的俯视图所示。四个电极对上的重叠区域根据力的方向展现了不同的电容变化。更具体地，电容的减小或增大可用于在剪切力和法向力之间进行区分。由于第二基板包括四个(或更多个)电极，因此可以通过比较电极对中的不同的电容变化来确定剪切力的方向。

例如，当从顶侧向底侧施加y方向剪切力时，如俯视图607和侧视图609所示，顶部电极对的重叠面积增大且电容减小，而底部电极对具有减小的重叠面积且电容增大，如图表611所示。如俯视图613和侧视图615所示，当从左侧向右侧施加x方向剪切力时，左电极对的、与电容成比例的重叠区域电容减小，而其他的响应于重叠区域的变化而增大，如图表617所示。

另外，传感器装置可以在扭转力和剪切力之间进行区分。电极对的电容的减小或增大的组合可以是不同的，诸如，针对剪切力的平行侧对和针对扭转的对角侧对。如俯视图619和侧视图621所示，当在从右上侧朝向左下侧的旋转中施加扭转剪切力(诸如，所示的扭转x轴力)时，(例如，与电极633、634相关联的)右上角电极对和左下角电极对的重叠区域和电容增大增大，而其他的减小，如图表623所示。

这些不同的行为允许传感器装置的传感器电路系统确定剪切力的方向。如将由技术人员所理解的，左/右、顶/底参考各俯视图601、607、613、619，并且上/下参考侧视图603、609、615、621。

传感器电路系统可以基于上电极的设计以在扭转剪切力和对角剪切力之间进行区分。例如，传感器电路系统可以监测由矩形电极展现的电容的变化以在扭转剪切力和对角剪切力之间进行区分。尽管实施例不限于此，并且上电极可以是十字形形状的，诸如如图4D所示并且如图7A-图7B进一步所示。当施加扭转时，由于重叠区域按三角形变化，因此电容可以按二次方改变。另一方面，对角剪切力按正方形(或矩形)改变重叠区域，这按线性改变电容。

图7A-图7B示出了与本公开的实施例一致的如图4A所示的传感器装置的示例组成。这些电极的形状是在上层721上的十字形以及在下层711上的四个正方形或矩形。图7A从自上而下的视图示出了传感器装置，并且图7B示出了侧视图。

通过使用传感器电路系统测量、监测和/或分析分别从电极对之间的距离(例如，间隙距离)的变化和电极对的重叠区域的变化导出的电容的变化，可以测量法向静态力和剪切静态力的大小。可以基于对来自每一个电极对(例如，由下层711的电极712、713、714、715和上层721的电极719形成的)的电容的比较来区分法向力和剪切力。如本文所使用，法向力包括或是指传感器装置上的压力或压缩力。在上层721与下层711之间的是电介质层717。

图8A-图8B示出了与本公开的实施例(诸如，图4A所示的装置)一致的在不同力下的传感器装置的示例。图8A从自上而下的视图示出了传感器电路系统，并且图8B示出了侧视图。

如前所述，当如俯视图820和侧视图821所示施加法向力时，下(例如，第一)基板的四个电极上的间隙距离(例如，电极对之间和/或电极与其他/上基板之间的距离)相等地减小(或以其他方式变化)，从而导致所有电极对中的相等的电容变化。为了在法向力和剪切力之间进行区分，可以通过比较四个电极对中的不同的电容变化来确定剪切力的方向，如822和824的俯视图所示。四个电极对上的重叠区域根据力的方向展现了其电容的不同变化。如俯视图822和侧视图823所示，当从左侧向右侧施加x方向剪切力时，左电极对的、与电容成比例的重叠区域减小，而其他的响应于重叠区域的变化而增大。如俯视图824和侧视图825所示，当从顶侧向底侧施加y方向剪切力时，顶电极对的重叠区域和电容减小，而其他的增大。如技术人员所理解的，左/右、顶/底参考相应的俯视图820、822、824，并且上/下参考侧视图821、823、825。

传感器电路系统可以基于十字形形状的上电极的设计在扭转剪切力和对角剪切力之间进行区分。例如，传感器电路系统可以监测由十字形形状的电极展现的电容的变化以在扭转剪切力和对角剪切力之间进行区分。当施加扭转时，由于重叠区域按三角形变化，电容可以按二次方改变。另一方面，对角剪切力按正方形(或矩形)改变重叠区域，这按线性改变电容。

传感器电路系统可以通过施加高采样率(>500Hz)使用与用于静态力的相同的换能技术来测量动态力。在具体实施例中，传感器电路系统包括至少一个电容-数字转换器(CDC)电路系统，该CDC电路系统将电极中的至少一些连接到CDC电路系统的输入通道。传感器电路系统可以通过使用CDC电路系统和所连接的处理电路系统(例如，微控制器)以一采样率测量电容来测量动态力。为了通过此类采样率来测量动态力，传感器使用两个CDC电路(电容-数字转换器芯片)将四个电极对连接到每一个芯片的12个模拟输入通道中的2个，因为可以从到芯片的较少数量的电容器输入获取高采样率(>500Hz)。CDC芯片由具有12个模拟输入通道的基于Σ-Δ的CDC组成，并且经由I2C总线与微控制器通信，以0.3-1.2kHz采样率测量电容，并且通过主动屏蔽功能消除来自电容器的噪声。有关CDC芯片和主动屏蔽功能的更多信息，可以参考AD7147，模拟(Analog)，http://www.Analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD7147.pdf。

触觉传感器的制造过程可以处理三个主要组件：电极、电介质层和接合。制造过程可以包括：在一个或多个柔性基板上印刷电极对；在柔性基板中的第一(或多个)柔性基板上构建电介质层；将第一柔性基板的电介质层接合到第二柔性基板；并且可选地，针对附加层重复过程来构建电极对的堆叠。为了在柔性基板上印刷电极图案，可以在柔性基板上采用光刻、激光烧蚀、喷墨印刷或3D印刷。为了在这些图案化的电极上构建电介质层，利用各种方法(诸如，光刻、激光烧蚀、激光添加剂、喷墨印刷、3D印刷、可溶材料框架、乳液液滴框架到海绵框架技术)制造电介质结构。该固化的电介质结构可以通过化学接合(例如，化学胶)接合到图案化的电极。最后一步是通过等离子体处理将其接合到另一个电极，并且可选择地，重复该过程以堆叠两个电极对。在各具体实施例中，制造过程可以使传感器电路系统内的电极对的对准自动化。

图9示出了与本公开的实施例一致的示例传感器装置。在一些实施例中，传感器装置可以包括由至少两个基板970、974、978形成的多个电容器。例如，传感器装置包括三个基板970、974、978，每一个基板具有至少一个电极971、973、975、977并且由电介质层972、976隔开。基板970、974、978由柔性材料形成，并且电极971、973、975、977可以形成在柔性基板上。第一基板970可包括一个电极971，第二基板974可包括两个电极973、975，并且第三基板978可包括一个电极977，但是实施例不限于此，并且每个基板可包括更多或更少的电极。第一基板970与第二基板974由第一电介质层972隔开，而第二基板974与第三基板978由第二电介质层976隔开。被第一电介质层972和第二电介质层976有效地夹持在第一基板970与第三基板978之间的第二基板974的电极可以包括位于靠近第一电介质层972的表面上的第一电极973和位于靠近第二电介质层976的表面上的第二电极。在具体实施例中，电极中的每一个可以是矩形形状的，然而实施例不限制于此。

电介质层972、976可由电介质材料形成。在具体实施例中，电介质层972、976包括多个孔。在其他实施例中，电介质层中的一个包括按图案形成的并且在相应电介质结构之间具有间隙的多个矩形形状的电介质结构。

图10A-图10C示出了与本公开的实施例(诸如，图9所示的装置)一致的在不同力下的传感器装置的示例。图9所示的装置可进一步在不同的力之间进行区分。该装置至少包括上电极对(例如，图9的电极971和973)和下电极对(例如，图9的电极975、977)。图10A从上电极对(例如，第二电极对)的自上而下的视图示出传感器装置；图10B示出了侧视图；并且图10C示出了下电极对(例如，第一电极对)的俯视图。传感器电路系统可以用于测量法向静态力和剪切静态力的大小，类似于图9所示的上述传感器电路系统通过分析分别由堆叠中电极对中的一个或多个电极对的间隙距离和重叠电极区域的变化导出的电容变化。可以基于对来自一个或多个电极对的电容的比较来区分法向力和剪切力。

为了测量法向力，例如，当如上电极对1040(例如，图9的电极971和973)的俯视图、下电极对1042的俯视图和侧视图1041所示施加法向力时，对于下电极对和上电极对两者(例如，图9中的971和973、以及975和977两者)，间隙距离减小或以其他方式改变，从而导致这两个电极对中的电容的改变。法向力可以由传感器电路系统按这两个电极对的电容的平均值进行分类。为了在法向力和剪切力之间进行区分，可以通过传感器电路系统比较如上电极和下电极的俯视图(例如，视图1043、1044、1045、1046、1047、1048)所述的上电极对和下电极对在不同剪切力F

由于第一电介质层和第二电介质层的布置(例如，第一电介质层972的孔相对于第二电介质层976的孔)，两个电极对上的重叠区域根据力的方向展现出其电容的不同变化。例如，当如俯视图1043、1045和侧视图1044所示从左侧向右侧施加x方向剪切力时，下电极对的、与电容成比例的重叠区域减小，而上电极对保持相同或者相比下电极对减小较低的量。这些不同的行为使得传感器电路系统能够确定剪切力的方向。当如俯视图1046、1048和侧视图1047所示从顶侧向底侧施加y方向剪切力时，上电极对的重叠区域和电容减小，而下电极对保持相同或者相比上电极对减小较低的量。

在各实施例中，传感器电路系统可以在扭转剪切力和对角剪切力之间进行区分。当施加扭转时，由于重叠区域按三角形变化，因此电容按二次方变化。另一方面，对角剪切力按矩形改变电极对之间的重叠区域，这按线性改变电容。与图6A所示的x轴剪切力或y轴剪切力类似，当对角剪切力施加于传感器电路系统时，电极对之间的重叠区域的变化形状是矩形的。

在各实施例中，传感器装置包括配置成用于与手指接触的传感器电路系统。例如，优先的临时申请的图4A-图4B示出了与本公开的实施例一致的示例实验性感测装置。更具体地，优先的临时申请的图4A示出了与人的手指接触的传感器电路系统。传感器电路系统是薄且柔性的，使得其能够覆盖弯曲的手指表面。优先的临时申请的图4B示出了与处理电路系统通信(有线或无线)的传感器电路系统。传感器电路系统可以通过印刷电路板连接到处理电路系统(诸如，膝上型计算机)。处理电路系统可以从传感器电路系统接收信号数据，并且提供在传感器电路系统上所得的施加力的图形显示(例如，图表)。

各种具体实施例可以包括将上述传感器电路系统与机器人和假肢集成。例如，传感器电路系统可以作为机器人皮肤的机械感受器施加于用于机器人触觉感测系统的机器人的目标皮肤上。在机器人皮肤或其他假肢上，柔性的三轴电容触觉传感器对于以下三个不同种类的灵巧活动是自由适用且不可缺少的：响应、操纵和探索；其包括以下活动：对外部实体的检测和反应的响应、对接触位置和力控制的操纵、以及对表面纹理和局部特征的探索。在具体实施方式中，传感器电路系统被形成为机器人手的部分，并且用于检测由该机器人手持有或触摸的物体的滑移。在相关的具体方面，传感器电路系统被形成作为具有多个不同类型的传感器(包括传感器电路系统、压力传感器电路系统、应变传感器电路系统和/或温度传感器电路系统、以及其他类型的传感器)的装置(例如，机器人、假肢和其他实现方式)的部分。

根据本公开的实施例不限于放置在机器人或假肢装置的外表面(例如，靠近环境)上的传感器电路系统，并且可以涉及植入物或其他应用。在一些具体实施例中，传感器电路系统和/或包括传感器电路系统的装置可以被植入到用户或其他动物的皮肤的外表面下面(例如，皮下的)，和/或机器人或假肢的表面下方，类似于或包括无源射频(RF)宠物植入物。例如，传感器电路系统可以被植入到皮肤的表面下方足以到皮下但不在肌肉中的深度(例如，在用户或其他动物和/或假肢的间隙空间内)和/或机器人/假肢的表面或外表面的下方的深度。在各实施例中，植入物位于皮肤、机器人和/或假肢的表面的下方，足以使包括传感器电路系统的植入物与外部电路系统通信(例如，接收并输出通信，诸如RF或其他无线信号)。

实验/更多详细实施例

在各实施例中，上述传感器装置可以用于机器人类型的应用。触觉感测可用于接触检测和工具操纵。传感器装置可以用在机器人中，以提供触觉感测系统。作为具体示例，可以使机器人手使用触觉感测能力通过实时检测和区分向量空间中的接触力分析接触检测和物体操纵来模仿并帮助人类。为了向如人类机械感受器的各种机器人手提供该能力，如上所述的柔性多轴触觉传感器可以覆盖机器人的各种表面。传感器装置具有用于其不规则表面的灵活形状因数，并传递经分析的接触力信息，该接触力信息以类似于人类皮肤的高灵敏度(<1kPa)和宽范围(>100kPa)区分法向(z轴)力、剪切(x轴和y轴)力、以及旋转力(以z轴为中心)。此外，触觉感测在指尖上被提供有1-2个传感器的空间分辨率、以及0-60Hz的类似于人类皮肤的响应时间。

因此，上述传感器装置可用于提供可用于灵巧机器人手的柔性多轴灵敏的力传感器。传感器可以通过电极形状和电介质结构设计来检测和区分z轴法向力、x轴剪切力、y轴剪切力和旋转力中的组合力。传感器通过基于大型多孔弹性体的电介质层具有高的力灵敏度(<5kPa(法向)和<1kPa(剪切)力分辨率)和宽的力范围(>500kPa(法向)和>33kPa(剪切)力范围)。此外，空间分辨率为10mmx10mmx3.2mm，使得可以在指尖上应用1-2个传感器。响应时间100Hz，其高于用于实时检测力的人类机械感受器(0-60Hz)。

图11示出了与本公开的实施例一致的传感器装置的示例性能。传感器装置可以与如图4A和图5A-图5C所描述的传感器一致。在各实施例中，传感器装置具有低拉伸模量的可拉伸性，具有低滞后性但具有宽的力范围，以便从轻量到重量地多次操纵广泛范围的物体。通过显示对300kPa法向力、30kPa平面内剪切力和20度平面内旋转的电容响应的结果这名了这一点，该结果显示了传感器的力灵敏度和力范围。

更具体地，图11示出了施加法向力、x方向剪切力、y方向剪切力和扭转力(诸如，图6A-图6C所示的那些)的实验结果。

如前所述，法向力可以由传感器电路系统通过四个电极对的电容的平均值进行分类。在一些具体实施例中，对于z方向，法向力的感测范围为0至500kPa。当500kPa常压增大时，所有四个电极对的电容都增大为与电容线性相对应的3500计数。由于所有四个电容器的间隙距离相等地减小，所有电极对均以相同的电容趋势响应于法向压力。

为了在法向力和剪切力之间进行区分，可以通过比较四个电极对中的不同的电容变化来确定剪切力和扭转的方向。例如，对于y方向，当y方向剪切力从0增大到33kPa时，在施加的力方向侧上的电极对的电容增大到800计数。另一方面，其余的那些减小750计数，这与另一侧上的电极对的增大的电容量相同。由于当下电容器的重叠面积减小时上侧电容器的重叠面积增大，因此接地电极(例如，顶部)和四通道电极(例如，底部)以相反的电容趋势响应于+y方向剪切压力。接地电极(顶部)与四通道电极(底部)之间的电容差可用于计算y方向剪切压力的大小。

对于x方向剪切力，所施加的x方向剪切压力为0至33kPa，并且在施加力的方向侧上的电极对的电容增大100计数，这是由于边缘电容而导致的。另一方面，其余电极对减小400计数，这是比另一侧上电极对的增加的电容量大得多的量。这与y方向剪切压力响应不同，因为接地电极(例如，顶部)的形状不是正方形形状而是长矩形形状的，其短边与四通道电极(例如，底部)的边对准。由于当左电容器的重叠面积保持不变时右电容器的重叠面积减小，因此左电极对和右电极对以不同的量以相反的电容趋势响应于-x方向剪切压力。在没有重叠面积和间隙变化的情况下，左电极对的电容由于其从左边缘到增大的接地电极(顶部)的边缘电容作出反应而增大。左电极对与右电极对之间的电容差可用于计算x方向剪切压力的大小。

对于扭转力，电极对的电容减小或增大的组合是不同的，如在针对剪切力的平行侧对中和扭转的对角侧对中。作为具体示例，当从0度到20度施加以z为中心的旋转压力时，右上侧和左下侧上的电极对的电容增大250计数。另一方面，其余的那些减小250计数，这是与另一侧上的电极对的增大的电容量相同的量。由于右上侧和左下侧电容的重叠面积在其他的减小时增大，因此右上侧电极对和左下侧电极对对于右下侧和左上侧以相反的电容趋势响应于以+z为中心的旋转压力。对角侧电极对之间的电容差可用于计算以z为中心的旋转压力的大小。

图12A-图12C示出了与本公开的实施例一致的使用传感器装置的示例重复感测。在各种应用(诸如，对于机器人)中，传感器装置检测多个力，其可包括多个时间周期而不中断。图12A-图12C示出了对于以下每个力输入，来自十个连续的加载-卸载周期的传感器响应曲线反复产生相同的电容响应：z方向法向(图12A)、y方向剪切(图12C)和x方向剪切(图12C)，并且其中每个都示出施加的力(例如，左侧，示出施加力30kPA 300kpa，30kPA)、测量的(中间，示出300kPa法向和30kPa剪切的施加力)、以及测量的(例如，左侧，示出100kPa法向和10kPa剪切的施加力)。这通过显示施加于传感器的300kPa法向力和30kPa剪切力的十个周期的结果来显示感测的可重复性。当施加多个压力时，传感器输出是可再现的，并且该设备的特性不因高压力而改变。此外，该传感器装置可以相互独立地测量法向压力和剪切压力。

在施加300kPa的恒定法向压力并释放至0kPa达10个周期后，最小电容和最大电容(Cmin和Cmax)值的差增大大约700计数。此外，在300kPa达10个周期的情况下，大约有百分之十的电容变化。恒定地，在施加100kPa的恒定法向压力并释放至0kPa达10个周期之后，最小电容值和最大电容值的差增大到大约300计数。

在施加10kPa的恒定y方向剪切压力并释放至0kPa达10个周期后，最小电容和最大电容(Cmin和Cmax)值的差增大大约800计数。在施加10kPa的恒定法向压力并释放至0kPa的10个周期之后，最小电容值和最大电容值的差增大大约400计数。

在施加10kPa的恒定x方向剪切压力并释放至0kPa的10个周期后，最小电容和最大电容(Cmin和Cmax)值的差响应于重叠区域的变化而减小大约400计数，而其他的响应于边缘电容变化而增大150计数。在施加10kPa的恒定法向压力并释放至0kPa达10个周期后，最小电容值和最大电容值的差减小大约250计数，而其他的增大100计数。

这些值与图11(以及图6A-图6C)中的传感器特性一致。伴随增大的最大压力的的连续的压力测量表明，即使对于在法向方向上的高达300kPa以及在剪切方向上的高达30kPa的大压力，，该设备输出也是可再现的。传感器响应重复地循环，这可用于传感器进行反复的物体操纵的应用中。与感测表征的结果类似，伴随增大的最大压力的的连续的压力测量表明，即使对于在法向方向上的高达300kPa以及在剪切方向上的高达30kPa的大的施加压力，该设备输出也是可再现的。此外，快速的响应时间(10ms)和循环耐用性满足对于物体操纵的实施监测的要求。

图13A-图13C示出了与本公开的实施例一致的传感器装置的示例性能。在特定实验性实施例中，将传感器装置附接到机器人手的各种形状的手指的表面上，并测试触觉感测能力。当抓握并提起轻且易碎的物体(诸如，豆腐)时，传感器以数字计数的形式传递相对于机器人手的手指的表面的施加力的大小和方向。传感器评估实时的力相互作用，从而允许在物体操纵期间的反馈控制。

更具体地，图13A-图13C示出机器人手指上的传感器集成。柔性多轴触觉传感器可以是机器人皮肤，该机器人皮肤在物体操纵期间识别变化的接触力。传感器附接到固定在机器人臂上的机器人手的手指，并且通过将传感器连接到多路复用电路来实时地对相对于表面的力大小和方向进行分类。传感器与处理电路通信。处理电路可以从传感器接收模拟电容数据，并向计算机提供与在传感器上施加的力相对应的数字值。在传感器和电路集成后，对传感器集成的机器人2指机器人手和UR5机器人手进行编程，以抓握并提起棕色盒子。左图显示了用于抓握控制的实验装置，而右图显示了抓握和提起期间的相对应的电响应。

图表上的蓝色区域指示在抓握物体瞬间期间的电容响应。图表上的粉色区域指示在提起瞬间期间的电容响应，由于物体的重量以及传感器表面与物体之间的摩擦力，该提起引起剪切压力。当所有电极对中的电容增大时，抓握显示法向响应。当上侧电极对的电容增大而其他电极对的电容减小时，提起显示剪切响应。

图13A示出了在抓握和提起具有重量的盒子时的触觉感测的结果。在图13A的左右之间的不同参数是抓握力；提起重量(200g)和提起高度相同。测量以增大的法向压力提起物体的情况，分别通过72、74、76、78、80的手指间隙参数施加该法向压力。当比较结果图表时，法向压力响应随着800、1000、1200、1600、2200计数变化为最大；同时切向压力响应随着抓握力增大减小为1000、800、600、400、200计数差。根据电容响应，可以分析用于每个提起任务的施加的法向力和剪切力。

图13B从左到右的图像和图表示出了具有不同提起重量的相同任务的结果；抓握力(手指间隙的距离)和提起高度相同。图13B中的左图像和图表示出了提起200g物体的情况，而右图和图表示出了提起400g物体的情况。通过结果之间的比较，在实验设置的图像中的下一个图像上，随着对于Ch1、Ch2、Ch3、Ch4的600、1150、1300、800计数变化，法向压力响应在200g物体和400g物体两者的结果中相同；而随着重量增大200g至400g，剪切压力响应从200计数差增大到400计数差。根据电容响应，可以在200g和400g提起任务期间通过固定法向力与不同剪切力的组合来测量每个力分量。

如图13C中所示，执行具有易碎物体操纵的高级应用，以演示将传感器用作用于操纵易碎物体的机器人手的电子皮肤的优势。豆腐是即使对于人类来说也是柔软且易碎而难以抓握和操纵的物体。通过控制机器人手的抓握压力并且集成高度灵敏的、多方向力可区分传感器，可以完成要求高灵活性的任务。演示是在预先编程的动作下进行的，按照机器人手和机器人臂的抓握、提起和放下的顺序进行。图13C的左边两个图像示出了当手指不能施加适当量的抓握力时的失败结果。左图显示，当施加大的抓握力时，物体可能被粉碎。中间的图像显示，当施加小的抓握力时，当手向上移动时无法提起物体，但是在机器人手的表面上已经发生滑移。如右图所示，当利用手指上的力传感器施加了精确的抓握量时，机器人手提起物体而不对其造成损坏。将(重量为105g的)豆腐放置在两个机器人手指之间(图上的蓝色区域)并按压，在所有四个电极对中，来自抓握的法向力被检测为3500、4200、4700、6200计数电容变化。机器人臂一竖直向上行进，法向压力(图表中的粉色区域)和剪切压力两者就都施加到设备上。

根据本公开的特定传感器装置可以在施加不同的法向压力和剪切压力时在不同的物体操纵期间测量和区分组合的法向压力和剪切压力。传感器随着电容在所有四个电极中变化而对法向压力作出响应，，并且平均电容被用于分析法向压力。另一方面，甚至对于切向力，传感器随当电容在其他电极中减小时在两个电极中增大的电容的差对剪切压力作出响应，因此电容的相减用于分析剪切压力。演示示出了设备的触觉感测能力，该能力许机器人设备通过操纵豆腐与可变形、甚至可拉伸且易碎的物体进行交互。

在各实施例中，多方向灵敏的力传感器与用于机器人手的电子皮肤集成。传感器由图案化的四个电极对组成，这些电极对夹持多孔电介质结构，并且能够实时测量和区分四个方向的力；z方向法向力，x方向和y方向的平面内剪切力以及以z为中心的平面内旋转。传感器被集成并在机器人手上执行各种灵巧的任务。灵活性、轻便和强健性拓宽了在机器人技术假肢和各种其他表面类型中需要符合弯曲或带有边缘的表面的潜在应用。高灵敏度、宽感测范围和方向感测能力使其能够在机器人的各个领域(包括食品加工、医学诊断、手术、工业以及难以到达的地方(诸如，地下区域)的探索任务)中得到未来的应用。

在具体实验性实施例中，通过对电极进行图案化、建立电介质结构并以对准方式接合这些元件来制造上述装置。

可以基于具体的传感器来设计传感器装置和电极。例如，传感器的材料是四柔性金属化聚酯薄膜，数百纳米厚的导电材料被烧蚀或印刷在微米厚的柔性膜的顶部，该柔性膜包括PET、聚酰亚胺(PI)和ITO膜，以及可拉伸弹性体，该可拉伸弹性体(诸如，SBS、SEBS、PVDF-HFP、PDMS、PU)可以形成多孔结构，并且当多孔弹性体以压力按压时孔不彼此粘附。通过考虑目标应用的机械和电气属性可更改这些材料。电极材料是柔性的，并且电介质材料是柔性的且可拉伸的，以使得柔性传感器响应于多轴力。

基于传感器的设计，通过光刻、激光烧蚀、喷墨印刷或3D印刷来制造电极，诸如，将柔性膜上的导电材料层图案化为电极、导线以及对准参考，以对准和堆叠具有不同图案的电极。为了将电极放置在对准步骤的柱中，通过光刻、激光切割或切割印刷机切割电极图案的边缘上的圆。

可以通过用于从光刻、激光烧蚀、激光添加剂、喷墨印刷、3D印刷、可溶材料框架、乳液液滴框架到海绵框架技术制造电介质层的多孔结构制造的各种技术来制造电介质结构。为了建立包含空孔隙的电介质结构，一种示例技术涉及模板，该模板随后被移除以制造多孔弹性体，并且该模板根据应用留下具有各种孔径的3D多孔微结构弹性体。多孔电介质的孔隙大小是可调节的；通过制造较薄的层，较小的孔隙大小对于较高的力范围和较高的基础电容值是有用的。预计大孔隙更灵敏。较高电介质弹性体也预计更灵敏。另一种技术包括基于液滴的微流体辅助乳液自组装(DMESA)技术。由去离子水组成的水溶液流经垂直布置的毛细管并被注入由十六烷/PDMS/固化剂/跨度80(表面活性剂)组成的油溶液中。由于水-油界面充当空间屏障，因此将表面活性剂添加到油溶液中以防止水滴彼此融合。通过控制两种溶液的相对流速，可以将水滴大小精确控制在100至500μm之间。在PDMS固化过程期间(80℃持续3h)，PDMS的气体渗透性允许水蒸发，从而留下具有均匀的微孔隙大小的3D多孔微结构PDMS。但是实施例不限于此，并且可以使用各种技术，诸如使用可以后续被移除的模板。

在对准下的接合(例如，将电极与电介质层集成/传感器设备集成)包括将电介质结构与两个电极对准地接合，并准备对准阶段。该阶段由模拟板和光学柱组成，它们符合电极中切孔的形状。为了在电极层与电介质层之间创建强结合，可以使用可以接合弹性体和电极表面两者的粘合剂。作为示例，用粘合剂将准备的PDMS多孔电介质结构接合到经粘合剂底漆处理的电极。但是实施例不限于此，并且可以使用各种不同类似的粘合剂来接合弹性体和电极表面。

图案化的电极和固化的多孔电介质结构与参考孔和固定在模拟板上的光学柱堆叠。堆叠按以下序列：屏蔽电极–接地电极(顶部)–粘合剂–电介质结构–粘合剂–四通道电极(底部)–屏蔽电极。屏蔽层由与电极层相同的材料制成，并通过粘合剂(例如，胶带)接合到接地电极(顶部)和四通道电极(底部)。

根据2018年7月10日提交的带有附录的、题为“电容式和触觉传感器及相关感测方法(Capacitive and Tactile Sensors and Related Sensing Methods)”的优先的临时申请(序列号62/696,221)来实施各种实施例，本申请要求该临时申请的权益，并且该临时申请通过引用一般和具体教导整体并入本文。例如，本文和/或临时申请及其附录中的实施例可以不同程度(包括全部地)进行组合。也可以参考优先的临时申请中提供的实验教导和优先参考。除非特别指出，否则在该临时申请中讨论的实施例并不旨在以任何方式限于总体技术公开也不限于要求保护的公开的任何部分。

进一步地，形成该临时申请的一部分的附录通过引用其教导并入。各种实施例可以与所附附录(也在PCT专利申请序列号PCT/US2011/051222中，标题为：压力感测装置和方法(公开号为WO 2012/034121))中公开的特征、方面、应用和其他教导以各种组合使用。附录描述并示出了具有不同形状区域以检测不同压力水平的传感器电路系统。例如，如上文在各种具体实施例中所述，传感器装置和/或多个传感器电路被放置在机器人和/或近似于人手的大小的机器人的部分的表面上，如附录的图7A-图7B所示。传感器电路系统可以用于近似人类机械感受器的属性，并用于检测各种力，包括剪切力和法向力。公认的是，本文中的各种附图和说明书可以与如以上引用的附录中所述的各种不同的结构和技术应用结合使用，其全部内容通过引用整体并入本文。

用于举例说明取向的术语，诸如，俯视图/侧视图、在……之前或之后、上/下、左/右、顶/底、上方/下方、和x方向/y方向/z方向，可以在本文中用于指代如附图中所示的元件的相对位置。应当理解，术语仅用于表示方便，并且在实际使用中，所公开的结构能以与附图中示出的取向不同的方式来取向。因此，不应当以限制性的方式解释这些术语。

作为示例，本说明书描述和/或示出了对于通过各种电路或电路系统来实现要求保护的公开有用的方面，这些电路或电路系统可以被示为或使用诸如块、模块、设备、系统、单元、控制器和/或其他电路类型描绘之类的术语。此类电路或电路系统与其他元件(机器人、电子设备、假肢、处理电路系统等)一起使用，以举例说明某些实施例可以如何以形式或结构、步骤、功能、操作、活动等来实现。例如，在上文讨论的实施例中的某些实施例中，该上下文中的一个或多个所示项表示用于实现这些操作/活动的电路(例如，分立逻辑电路系统或(半)可编程电路)，如可以在附图中所示方法中执行的那样。在某些实施例中，此类所示项表示一个或多个电路系统和/或处理电路系统(例如，微型计算机或其他CPU)，其被理解为包括存储器电路系统，该存储器电路系统存储用于执行基本算法(例如，输入、度具有某种信号强度或振幅的信号进行计数、使用由传感器电路系统输出的电容值对力的类型(包括大小和方向)进行分类、采样)、和/或涉及滑动窗口平均的代码(被执行为一组/多组指令的程序)、和/或如将从描述此类专用参数感测的已知文献中可以理解的更复杂的过程/算法。将具体实现此类过程/算法以执行适用于具体应用的相关步骤、功能、操作、活动。本说明书还可以提及不暗示结构的任何属性的形容词(第一“[结构类型]”和“第二[结构类型]”)，在这种情况下，该形容词仅用于英语先行词，以区分一个此类类似命名的结构和另一个类似命名的结构(例如，“第一电极……”被解释为“被配置为……的电极)”。

基于上述讨论和图示，本领域技术人员将容易地认识到，可以对各种实施例进行各种修改和改变，而不严格遵循本文所示和描述的示例性实施例和应用。例如，如附图中所例示的方法可以涉及以各种顺序执行的步骤，本文保留了实施例的一个或多个方面，或者可以涉及更少或更多步骤。此类修改不背离本公开的各个方面(包括权利要求中所述的方面)的范围。