發(fā)布時間：2020-04-08 09:40

【摘要】：應(yīng)用于機器人、智能假肢等領(lǐng)域的觸覺傳感器是實現(xiàn)仿人體皮膚感知外界刺激的媒介。柔性觸覺傳感器可以模仿人體皮膚感知觸覺、滑覺、熱覺等感知性能,是實現(xiàn)機器人高精度抓取,感受外界刺激的關(guān)鍵所在。本課題依據(jù)微光學(xué)理論中的光柵衍射理論,設(shè)計分析了一種應(yīng)用于觸覺傳感器的柔性微陣列結(jié)構(gòu),并結(jié)合矢量衍射理論和等效介質(zhì)理論研究了該柔性微陣列結(jié)構(gòu)在按壓拉伸應(yīng)變下的“力-光”響應(yīng)機制。主要研究內(nèi)容包括:(1)在理論上分別分析推導(dǎo)了矩形微陣列結(jié)構(gòu)、鋸齒形微陣列結(jié)構(gòu)、階梯微陣列結(jié)構(gòu)、錐形微陣列結(jié)構(gòu)、亞波長微陣列結(jié)構(gòu)以及二維方向微柱陣列結(jié)構(gòu)的衍射光效率的計算方法。(2)基于微光學(xué)理論設(shè)計了一維方向柔性矩形微陣列,并研究了該器件的結(jié)構(gòu)因素對反向衍射效率的影響,同時分析了TE光和TM光的波長、入射角對該矩形微陣列反向衍射效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)在周期確定的柔性矩形微陣列中矩形高度在0.25μm~0.8μm范圍內(nèi)一級衍射效率最大時所對應(yīng)的矩形陣列高度為0.53μm占空比為0.5。在入射光源為可見光波長0.4μm~0.8μm范圍內(nèi),波長在0.64μm~0.8μm之間占空比為0.5的微陣列衍射效率最高。反向一級衍射角隨著波長的增加呈線性增大,入射光波長影響反向光場各級衍射光位置分布。反向一級衍射角度均隨入射角的增加而線性增大,入射角度在0°~50°之間反向一級及零級衍射光衍射效率基本不變,入射角在50°~90°之間反向一級衍射光衍射效率出現(xiàn)波動。同時發(fā)現(xiàn)在微陣列表面制作銀反射層后可顯著增加反向衍射效率。(3)本課題通過研究鋸齒形微陣列結(jié)構(gòu)一級反向衍射效率與衍射角的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)閃耀角為35.942°反向衍射效率的應(yīng)變率最大。然后借鑒了BOE技術(shù)中的用二進制多臺階微結(jié)構(gòu)逼近DOE器件的工藝方法,從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度設(shè)計分析了一維方向柔性梯形微陣列結(jié)構(gòu)和錐形微陣列結(jié)構(gòu)的反向衍射光效率與應(yīng)變的關(guān)系,研究發(fā)現(xiàn)隨著器件的按壓應(yīng)變,反向衍射光衍射效率應(yīng)變做周期性變化,而一級衍射光場位置分布并未改變,在4μm周期下一級衍射光始終為-9.497°。(4)基于亞波長理論研究了特征尺寸在亞波長范圍的柔性矩形微陣列結(jié)構(gòu)。計算發(fā)現(xiàn)在無拉伸應(yīng)變的情況下,該亞波長柔性矩形微陣列在入射光下薄膜無衍射光產(chǎn)生,拉伸應(yīng)變在1.5倍以上時衍射效應(yīng)逐漸產(chǎn)生,且一級衍射角度也隨著拉伸應(yīng)變的增加衍射角度從90°突變?yōu)?83.7°,拉伸應(yīng)變進一步增加到7.58倍時一級衍射角度減小到-16.95°。根據(jù)此現(xiàn)象制作的微陣列薄膜具有大應(yīng)變和衍射突變性能。(5)設(shè)計分析了二維方向上微柱陣列結(jié)構(gòu)的衍射光場變化與應(yīng)變的關(guān)系。計算發(fā)現(xiàn)二維方向大面積微陣列結(jié)構(gòu)薄膜與一維方向矩形微陣列類似,并同時可對按壓和拉伸產(chǎn)生響應(yīng)。計算發(fā)現(xiàn)薄膜微柱陣列周期為4μm占空比為0.5時,在波長為0.66μm偏振方向為45°的正入射光下,該大面積二維方向微柱陣列反向衍射光衍射效率隨薄膜按壓應(yīng)變做周期性變化,光場位置分布并未改變,反向(+1,+1)級、(+1,0)、(0,+1)級、(0,0)級的衍射角度始終為13.5°、9.5°、9.5°和0°。沿x軸單向拉伸時(+1,+1)級和(+1,0)級隨著應(yīng)變的增加反向衍射效率出現(xiàn)波動同時衍射角均逐漸減小,同樣雙向等應(yīng)變拉伸時(+1,+1)級、(+1,0)級和(0,+1)級衍射角也隨著應(yīng)變的增加而逐漸減小。
【圖文】：

1-1 微結(jié)構(gòu)觸覺傳感陣列: (a)PDMS 微結(jié)構(gòu)制作示意圖; (b)PDMS 金字塔微結(jié)構(gòu)的 SEM 照片;壁碳納米管(SWNT)涂敷在 PDMS 金字塔微結(jié)構(gòu)的示意圖，插圖為壓力傳感器對不同壓力范圍阻響應(yīng)情況；(d)PDMS 金字塔微結(jié)構(gòu)制作的電阻式壓力傳感器示意圖；(e)由微細毛和 PDMS塔微結(jié)構(gòu)組合制作的電容式壓力傳感器的示意圖，可用于人體脈搏檢測；(f)PDMS 微結(jié)構(gòu)制作壓力晶體管的示意圖Hyunhyub Ko 等人[12]提出了一種互鎖微丘結(jié)構(gòu)壓力傳感器，得到了非常高的電阻力靈敏度(~15.1 kPa-1)、0.2 Pa 的最小探測極限和非�？斓捻憫�(yīng)時間(~40 ms)。另哲楠課題組還開發(fā)了一種電阻隨壓力可調(diào)控的壓力傳感器(如圖 1d 所示)，即在加力時金字塔微結(jié)構(gòu)的相應(yīng)高度發(fā)生變化而使傳感器的電阻響應(yīng)和電阻開關(guān)閾值能行調(diào)控[13](如圖 1c 所示)，，這在壓力控制的人機界面等領(lǐng)域?qū)⒂兄匾獞?yīng)用。同時，題組采用這種技術(shù)發(fā)明了壓力調(diào)控的電致變色系統(tǒng)[14]。此外，PDMS 微結(jié)構(gòu)不僅可備在刻蝕處理的硅片上，也可以制備在一些常見的物品上，從而有利于降低制備成如，絲綢布面就具有規(guī)律的微結(jié)構(gòu)[15]，用此微結(jié)構(gòu) PDMS 薄膜制成的壓力傳感器較高的靈敏度(1.80 kPa-1)、非常快的響應(yīng)時間(<10 ms)和較低的探測極限(0.6 Pa

圖 1-2 (a)單色發(fā)光電子皮膚在彎曲條件下的發(fā)光照片；(b)和(c)分別是多色皮膚在正常伸展和彎曲條件下的發(fā)光照片；(d)單色發(fā)光皮膚的單元選擇性發(fā)光實物圖片圖 1-3 基于壓電效應(yīng)的超高分辨率可視化應(yīng)力-應(yīng)變傳感系統(tǒng)Shepherd 組設(shè)計的人造皮膚其主要功能層為類 PDMS 硅樹脂(eco-flex silicone)電致發(fā)光層[31]，發(fā)光層含有硫化鋅(ZnS)電致發(fā)光粉體，通過發(fā)光體組成不同通電后會產(chǎn)生
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O484.41

【參考文獻】

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1 曲道奎;;中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn)[J];科協(xié)論壇;2015年12期

2 宋章軍;;服務(wù)機器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J];集成技術(shù);2012年03期

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本文編號：2619193