学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

仿壁虎微米粘附阵列制备及柔性触觉关键技术研究

作　者: 单建华
导　师: 褚家如；梅涛
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 仿壁虎粘附阵列深刻蚀技术微流体 MEMS技术三维力传感器柔性传感器
分类号: TB391
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 471次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

壁虎具有粘附力大、对形貌和材质适应性强、对物体表面无损伤、自洁、稳定、反复使用等优点。仿壁虎粘附阵列在爬壁机器人粘附爬行机构中具有重要的应用前景，为了对爬壁机器人爬行时与壁面间的接触力进行有效的控制，需要在机器人脚掌粘附阵列上集成柔性触觉传感器。目前关于仿壁虎粘附阵列的制造还是以模版法制造聚合物单层微米阵列为主。所制作的仿壁虎粘附阵列均不具有触觉功能，对粘附和脱离过程中的粘附力缺乏有效地监控，不能感知接触状态。而壁虎脚掌是可能存在感受机械刺激的感受器。因此，本论文以制造集成触觉功能的仿壁虎微米粘附阵列为目标，分析了模版法制造微米粘附阵列的各种工艺参数对刚毛形貌的影响，建立了粘性聚合物圆孔流动模型。研究了柔性传感器的混合集成技术，利用柔性电路版和倒装焊技术实现了三维力传感器的柔性化。首先分析了对粘附阵列的性能要求和各种工艺参数对粘附性能的影响。然后针对目前各种制造工艺，分析了其优缺点，最后确定采用模版法制造聚合物微米粘附阵列，其工艺是采用ICP Bosch深刻蚀技术制造微米孔阵列，注入有机硅，固化脱模，得到了粘附力佳的大面积柔性微米阵列。然后分析了聚合物微米粘附阵列制造工艺。首先探讨了气泡的形成及运动模型，得到了气泡上升终速度的表达式。然后建立了粘性聚合物圆孔流动模型，得到了聚合物流动时间和流动长度的关系，和流入极限长度的表达式。该模型显示了粘性聚合物在大气压的驱动下，深入到微米孔底只需毫秒级时间；聚合物的深入效率随孔径的增大而增大。给出了适合制造刚毛材料的聚合物选择准则。利用钝化侧壁工艺成功地控制了刚毛顶部形貌。分析了提高脱模效果的各种方法，针对不能直接脱模的情况，用KOH溶液腐蚀了模版，成功地脱模。对聚合物刚毛阵列进行了建模仿真和粘附力测试。首先建立了刚毛阵列和粗糙壁面粘附力模型，然后计算并仿真了阵列粘附力与间距、壁面粗糙度和刚毛长度的关系。然后用设计的粘附力测量装置，研究了不同条件下阵列的粘附力。对变化缓慢的大粗糙度表面，测得的粘附力值大于理论值，为此分析了刚毛靠模模型。最后通过实验考察了微米聚合物粘附阵列的稳定性。根据航天爬壁机器人应用环境的特点，探索了采用硅材料制造刚毛的工艺，结合ICP Bosch深刻蚀工艺和SF₆各向同性刻蚀工艺，得到了高宽比大、尖端尖锐的硅刚毛阵列。针对粘附阵列对触觉感知的需求，研究了柔性传感器的混合集成技术，最后采用柔性电路版和倒装焊技术实现了三维力传感器的柔性化。建立了E型膜片的力学模型，进行了有限元和输出信号分析，得出了E型膜片对三维力的响应。然后进行了传感器单元的工艺制造和标定实验及传感器阵列组装和触觉图片采集显示。最后初步实现了柔性触觉传感器和粘附阵列的集成，为爬壁机器人提供了具有触觉感知功能的粘附阵列。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
第一章绪论  14-36
  1.1 爬壁机器人及其技术意义  14-15
  1.2 仿生学及其在爬壁机器人领域的应用  15-16
  1.3 壁虎粘附机理研究动态  16-24
    1.3.1 壁虎粘附机理  16-17
    1.3.2 壁虎脱离机理  17-18
    1.3.3 仿壁虎粘附阵列制造研究进展  18-24
  1.4 机器人触觉传感技术研究进展  24-29
    1.4.1 柔性触觉传感器  26-29
  1.5 本文研究目标及本文主要研究内容  29-30
  参考文献  30-36
第二章仿壁虎微米粘附阵列制造  36-46
  2.1 聚合物微米粘附阵列制造工艺  38-41
  2.2 硅微米粘附阵列加工工艺  41-43
  2.3 本章小结  43-44
  参考文献  44-46
第三章聚合物微米粘附阵列工艺分析  46-70
  3.1 气泡形成及运动模型初探  46-48
  3.2 聚合物圆孔流动模型  48-56
    3.2.1 圆孔流动模型建立  48-51
    3.2.2 结果分析  51-56
  3.3 刚毛长度理论的实验验证  56-60
    3.3.1 真空度  56-57
    3.3.2 真空环境时间  57-60
  3.4 聚合物材料特性对实验的影响  60-62
    3.4.1 表面能  60-61
    3.4.2 粘度  61-62
  3.5 刚毛顶部形貌控制  62-64
  3.6 脱模过程分析  64-67
  3.7 本章小结  67-68
  参考文献  68-70
第四章刚毛阵列粘附力模型和粘附性能测试  70-90
  4.1 刚毛阵列与壁面接触模型  70-76
    4.1.1 微尺度接触模型  70-71
    4.1.2 单根刚毛与接触面的作用模型  71-72
    4.1.3 刚毛阵列与粗糙表面的作用模型  72-76
  4.2 有机硅阵列粘附性能测试  76-84
    4.2.1 实验过程  76-77
    4.2.2 实验结果与分析  77-80
    4.2.3 刚毛靠模模型  80-84
  4.3 有机硅阵列接触情况及稳定性分析  84-86
  4.4 硅刚毛阵列粘附性能测试  86
  4.5 本章小结  86-87
  参考文献  87-90
第五章柔性三维力触觉传感器  90-118
  5.1 柔性传感器的混合集成技术  91-94
    5.1.1 聚酰亚胺薄膜为柔性材料的混合集成技术  92
    5.1.2 三维力触觉传感器的柔性化  92-94
  5.2 三维力触觉传感器单元结构设计  94-101
    5.2.1 单元结构力学模型  94-96
    5.2.2 力学及有限元分析  96-100
    5.2.3 信号输出分析  100-101
  5.3 三维力触觉传感器单元制作工艺  101-104
  5.4 三维力触觉传感器单元标定  104-107
    5.4.1 标定装置  104-105
    5.4.2 传感器数据标定  105-107
  5.5 弹性层表面对触觉传感器影响  107-108
  5.6 柔性三维力触觉传感器阵列的组装  108-110
  5.7 柔性三维力触觉传感器信号采集与处理  110-113
    5.7.1 触觉信号的采集和显示  110-113
    5.7.2 实验结果  113
  5.8 柔性触觉传感器和粘附阵列的集成  113-114
  5.9 本章小结  114-115
  参考文献  115-118
第六章总结和展望  118-121
  6.1 本文总结  118-119
  6.2 本文的创新点  119-120
  6.3 对后续工作的展望  120-121
攻博期间发表的文章及申请的专利  121-122
致谢  122

仿壁虎微米粘附阵列制备及柔性触觉关键技术研究

内容摘要

全文目录

相似论文