CN117234336A - 一种柔性静电触觉反馈执行器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性静电触觉反馈执行器，所述反馈执行器包括层叠设置的第一电极层、电介质薄膜和第二电极层，所述第一电极层包括两层以上复合刚度的弹性体，所述两层以上复合刚度的弹性体中的至少两层具有刚度差异。其制作方法包括将第一电极层、电介质薄膜和第二电极层层叠设置的步骤，以及制作第一电极层弹性体的步骤。该执行器具有需求电压低、输出力高、频率响应带宽大、触觉反馈可编程等优势。

Description

一种柔性静电触觉反馈执行器及制作方法

技术领域

本发明涉及触觉执行器领域，特别是涉及一种柔性静电触觉反馈执行器及制作方法。

背景技术

柔性执行器是一种能够提供人体触觉的新型器件，在虚拟现实与增强现实领域，触觉交互反馈能够为人体的多感官体验提供更真实、有效地体验。在手机屏幕、汽车触控板等电子产品内集成触觉反馈元件，可以为人手的操作提供按压反馈，在一定程度上能够带来更好的使用体验。触觉交互技术作为一种人体感官的延伸体验，是智能终端的新一代研究风向，其进一步发展深深影响着信息化时代的远程交互变革。

目前，市面上较常见的触觉执行器多为电磁原理，即通过小型的电磁式执行器可以在电子产品内产生振动，比如偏转质量马达(Eccentric Rotating Mass，ERM)，或线性共振执行器(Linear Resonant Actuators，LRA)，它们能够产生较强的振动力，但这种振动一般具有较大的迟滞，并且难以精准的产生局部振动。另外还有一种基于新型材料的压电式执行器，能够模拟更加细腻真实的振动反馈，但却依赖于极高的电压驱动。当前，基于电磁原理的执行器依然为当下主流产品所使用的振动触觉反馈方式。

市面上，类似的触觉反馈执行器现有技术主要为电磁原理驱动的触觉反馈马达，包括转子马达和线性马达。电磁原理的振动马达是如今包括手机在内的各种电子产品的常用振动产生手段。该振动马达多为刚性构件，如图1所示。此外，电磁振动马达依赖于电磁效应，在使用时有较大的迟滞作用。不过，电磁马达技术已经相对成熟，可以轻松便宜的在市场上购买获得。

此外，Leroy E.等人使用液压放大执行器(Hydrauliclly Amplified Taxel，HAXEL)原理设计的一款亚毫米级厚度的柔性静电液压执行器，能够进行外面内和平面外运动，为使用者的手或手臂之间提供法向力或剪切力。该执行器单元结构如图2所示，由一个充满电介质流体的空腔组成，其外壳是由金属化聚合物及中心弹性体组成的环形电极包含上层电极和下层电极，当向环形电极的上下极板施加电压时，原本均匀充满的电介质流体会在环形电极的吸引挤压下向中间被推入而形成凸起。这个致动器仅重90mg，但能够产生超过300mN的力和500μm的平面外位移以及760μm的横向运动。但该技术对于驱动电压的依赖极高，需要上千伏特电压的驱动才能产生足够的触觉反馈力，且仅能支持低频驱动。

所以，现有技术存在以下缺陷和问题：

(1)柔性硅胶材料的制备和使用较为单一，多进行单层弹性体制备或多层相同刚度固化后的弹性体叠加制备，弹性体不具备刚度的差异特性，难以根据特定的应用场景进行特殊设计。

(2)基于新型柔性材料的触觉反馈执行器都需要百伏甚至上千伏的电压驱动才能实现触觉反馈，由于较高电压带来的使用及安全隐患，目前仅停留在实验室研究阶段。

(3)一些能够在低电压下被驱动产生触觉反馈的柔性执行器，大都振感微弱，需要在安静、不被打扰的环境下才能被人体所感知，信号识别准确率较低。

(4)基于触觉反馈执行器的应用场景受限，单一执行器振动模式很难产生多样化触觉反馈信号，缺乏更加真实、自然地交互体验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性静电触觉反馈执行器及制作方法，相比于现有的柔性执行器，需求电压低、输出力高、频率响应带宽大、触觉反馈可编程。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种柔性静电触觉反馈执行器，包括层叠设置的第一电极层、电介质薄膜和第二电极层，所述第一电极层包括两层以上复合刚度的弹性体，所述两层以上复合刚度的弹性体中的至少两层具有刚度差异。

在本发明的一些实施例中，所述弹性体为硅胶类材料。

在本发明的一些实施例中，所述弹性体为PDMS、Ecoflex、SEBS中的任一种。

在本发明的一些实施例中，所述第一电极层为执行器中的下电极层。

在本发明的一些实施例中，所述至少两层的刚度从上至下刚度递增；优选地，所述至少两层包括三层以上。

在本发明的一些实施例中，所述两层以上复合刚度的弹性体的最上层表面形成有凸起阵列结构。

在本发明的一些实施例中，所述凸起阵列结构包括若干个卧置的三棱柱，所述卧置的三棱柱的截面为等腰三角形，底面为矩形，优选为正方形。

在本发明的一些实施例中，所述电介质薄膜为柔性驻极体薄膜，优选为FEP薄膜；所述第一电极层包括所述弹性体和形成在所述弹性体上的导电电极，所述第二电极层包括PET薄膜和形成在所述PET薄膜上的ITO电极。

本发明还提供一种提供触觉反馈的电子设备，包括如上任一项所述的柔性静电触觉反馈执行器。

本发明还提供一种制作所述柔性静电触觉反馈执行器的方法，包括将第一电极层、电介质薄膜和第二电极层层叠设置的步骤，其特征在于，还包括制作所述第一电极层的弹性体的步骤：

S1、配制至少两份第一电极层制备液，每份制备液中所含的弹性体基础溶液与固化剂的配比不同；

S2、将第一份制备液倒入模具，在液表平整的状态下静置片刻或进行短时烘烤，形成第一初凝聚层；

S3、在所述第一初凝聚层上覆盖第二份制备液；优选地，以“Z”字形路线将所述第二份制备液均匀覆盖所述第一初凝聚层；

S4、对步骤S3得到的产物进一步烘烤固化，得到两层以上复合刚度的弹性体。

本发明有如下有益效果：

提供一种柔性静电触觉反馈执行器，其中第一电极层包括两层以上复合刚度的弹性体，所述两层以上复合刚度的弹性体中的至少两层具有刚度差异。多层复合刚度的弹性体能够在相同外部压力下产生更高的弹性反馈力，通过调整层与层的刚度组合，还可以调制弹性体在不同外部压力下的不同弹性反馈行为。基于该多刚度弹性体设计的柔性静电执行器，相比于已有的柔性执行器具有需求电压低、输出力高、频率响应带宽大、触觉反馈可编程等优势。

由于具有复合刚度弹性体，该执行器可以在合理范围内根据需求进行尺寸大小设计，能够为柔性执行器的屏下集成应用提供有价值的思路。

由于具有复合刚度弹性体，该执行器能够在较低的驱动电压下产生较高的输出力反馈，摆脱了当前柔性执行器依赖于几百伏至上千伏驱动电压的制约。同时，也摆脱了对于特定高频驱动的限制。基于此，可以通过施加不同的驱动电信号来控制执行器的输出力反馈，而对于电信号的调制方法包括电压调制、频率调制以及电压和频率的混合调制方式，由此可以在执行器上产生能够分辨振动幅度和振动频率的复杂触觉体验。因此，该执行器具备多样化的触觉反馈可编程能力。

本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。

附图说明

图1为本发明背景中电磁马达执行器示意图；

图2为本发明背景中柔性静电液压执行器结构图；

图3为单层、双层与多层PDMS弹性体结构示意图

图4为本发明实施例中执行器弹性体层及其串联等效弹簧阻尼模型示意图；

图5为本发明实施例中静电执行器基本结构图；

图6为本发明实施例中执行器截面微结构示意图；

图7为本发明实施例中执行器凸起阵列结构示意图；

图8为本发明实施例中测试方法流程图；

图9为单层、双层与三层刚度PDMS弹性体执行器在5-35V驱动电压下的输出性能对比图；

图10为本发明实施例中弹性体执行器电极层制备工艺图；

图11为本发明实施例中薄膜电极层及驻极体薄膜制备工艺图；

图12为本发明实施例中多层与单层刚度PDMS弹性体执行器在5-200V驱动电压下的输出性能对比图；

图13为本发明实施例中3×2盲文阵列显示屏示意图；

图14为本发明实施例中执行器3×2阵列盲文系统测试结果图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

本发明实施例提供一种柔性静电触觉反馈执行器，包括层叠设置的第一电极层、电介质薄膜和第二电极层，所述第一电极层包括两层以上复合刚度的弹性体，所述两层以上复合刚度的弹性体中的至少两层具有刚度差异。

具体示例中，多层复合刚度聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)弹性体的结构与制备工艺设计，以及基于该复合刚度弹性体的柔性触觉反馈执行器的结构设计。多层复合刚度PDMS弹性体能够实现硅胶类材料的多样性制备目标，能够充分利用硅胶材料自粘合的特点，在完整的固化硅胶块上实现纵向或横向的刚度区分能力。从材料角度，这种复合刚度的PDMS工艺适用于多种硅胶材料的制备，如Ecoflex(脂肪族芳香族无规共聚酯)、SEBS(氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物，Styrene Ethylene Butylene Styrene等，并可以在多个方向制备多刚度的固化体；从工艺角度，该方法同样适用于3D打印工艺或流体点胶工艺等来制备多层硅胶类材料。

多层复合刚度的PDMS弹性体能够在相同外部压力下产生更高的弹性反馈力，通过调整层与层的刚度组合，还可以调制弹性体在不同外部压力下的不同弹性反馈行为。

实施例的执行器为全柔性材料，具备粘附在人体皮肤上的条件，能够灵活、轻便的使用在人体各个部位以产生真实的触觉振动反馈感受，可以在极低的电压(35V以内)驱动下产生足够人体感知的振动力反馈，且支持从15Hz至450Hz范围内的任意频率驱动，这在目前绝大多数的柔性执行器技术中都是具有显著优势的。基于该复合刚度弹性体的执行器相比于其它相关柔性执行器还具有需求电压低、输出力高、频率响应带宽大、触觉反馈可编程等特点，执行器可以在合理范围内根据需求进行尺寸大小设计，能够为柔性执行器的屏下集成应用提供有价值的思路。

触觉反馈可编程指复合刚度弹性体执行器能够在较低的驱动电压下产生较高的输出力反馈，摆脱了当前柔性执行器依赖于几百伏至上千伏驱动电压的挑战。同时，也摆脱了对于特定高频驱动的限制。基于此，我们可以通过施加不同的驱动电信号来控制执行器的输出力反馈，而对于电信号的调制方法包括电压调制、频率调制以及电压和频率的混合调制方式，由此可以在执行器上产生能够分辨振动幅度和振动频率的复杂触觉体验。因此，该器件具备多样化的触觉反馈可编程能力。

实施例提供一种制作柔性静电触觉反馈执行器的方法，包括将第一电极层、电介质薄膜和第二电极层层叠设置的步骤，还包括制作所述第一电极层的弹性体的步骤：

S1、配制至少两份第一电极层制备液，每份制备液中所含的弹性体基础溶液与固化剂的配比不同；

S2、将第一份制备液倒入模具，在液表平整的状态下静止片刻或进行短时烘烤，形成第一初凝聚层；短时烘烤或静置片刻是使溶液表面流动性降低，但并没有固化，倒入第二份制备液时不会与第一初凝聚层产生大幅度混合；

S3、在所述第一初凝聚层上覆盖第二份制备液；

S4、对步骤S3得到的产物进一步烘烤固化，得到两层以上复合刚度的弹性体。一经固化后弹性体形成一个整体，任一单层不会被剥离或脱落。

以PDMS弹性体为例，以往的PDMS单层弹性体制备为单层一体制备，将混合好的PDMS溶液倒入任意模具，待其固化后即可获得PDMS弹性体。本发明提出了一种新型成型工艺，能够制备出多层PDMS弹性体，这种多层弹性体具备多层刚度复合的特征。由于不同的PDMS溶液配比可以导致固化后的PDMS刚度差异化，因此本发明利用这一特性，分别使用不同刚度的PDMS溶液进行组合并固化，经固化后的弹性体在执行器性能测试中也表现出了不同效果。

图3展示了执行器第一电极层的弹性体部分的多层划分方式，即以往的单层、本发明的双层与多层PDMS弹性体结构，第一电极层的弹性体为复合刚度的PDMS弹性体，弹性体为硅胶类材料，这种工艺同样适用于多种硅胶材料的制备，如Ecoflex、SEBS等，本实施例弹性体为PDMS、Ecoflex、SEBS中的任一种，并可以在多个方向制备多刚度的固化体。本实施例在此仅展示PDMS的多层弹性体制备工艺及性能研究，在总厚度为2mm，形成不可剥离的一层至三层完全固化PDMS弹性体。

多层PDMS的制备工艺与双层类似。注意层与层之间的叠加过程避免出现气泡，每倒入一层PDMS保证表面平整且内部无微小气泡才叠加下一层。

在步骤S1中，配制至少两份第一电极层制备液，每份制备液中所含的弹性体基础溶液(PDMS溶液)与固化剂的配比不同，比如，可以首先配备PDMS溶液与固化剂的配比分别为25:1，15:1，10:1的三种PDMS溶液，分别经行星式搅拌脱泡机(THINKY Mixer AR-100)充分旋转搅拌5分钟后再消泡5分钟取出，放入真空泵中继续抽除气泡至泵内真空度降低至0.1psi内并静置10分钟，重复以上真空泵内对于PDMS混合溶液的消泡步骤，直到混合溶液内皆无任何肉眼可见微小气泡为止，该PDMS混合溶液便是第一电极层制备液。

准备好模具后，可依次倒入调配好的第一电极层制备液，这里仅对复合刚度25:1-15:1-10:1弹性体的制备工艺进行介绍，其它复合刚度弹性体的制备工艺步骤相同，仅替换对应弹性体配比即可，25:1、15:1、10:1浓度的第一电极层制备液可分别称为第一份制备液、第二份制备液、第三份制备液。

步骤S2，均匀倒入最上层配比为25:1的第一份制备液，覆盖至模具厚度的二分之一处，充分静置后使溶液上表面平整，然后放入40摄氏度烘箱进行约20分钟短时烘烤，形成第一初凝聚层；

步骤S3，在第一初凝聚层上再倒入15:1的第二份制备液，需要快速且均匀的以“Z”字形路线使之覆盖在原先平整的25:1溶液上方，至模具厚度的四分之三处，再次静置片刻待表面平整后，放入40摄氏度烘箱进行约20分钟短时烘烤，完成第二初凝聚层(如果只制作两层复合的话，则第二层不需要处理成第二初凝聚层烘烤步骤，即最后一层都不需要该处理步骤)；

接下来以同样的“Z”字形方式倒入10:1的第三份制备液，直至模具被均匀填满即可。如果在溶液倒入模具的过程中混入少量气泡，需要将模具和已经倒入的溶液一同放入真空箱中进行抽泡处理，抽至真空度降低至0.1psi内并静置10分钟或以上，然后再进行固化过程。

步骤S4，对步骤S3得到的产物进一步烘烤固化，将充满PDMS的溶液放入40℃烘箱，固化24小时，取出后于室温条件下再静置2小时，即可从模具中剥离PDMS弹性块，得到两层以上复合刚度的弹性体，制备完成后，复合刚度弹性体层表面光滑且透明，微结构清晰可见，固化完整无瑕疵。

弹性体各层厚度的均匀性和一致性使用质量对其进行调配，该技术中，三层PDMS厚度之比自上而下约为2:1:1，总厚度为2毫米，不同的模具对应的PDMS总质量不同，相应的厚度比例也可以根据需求的总厚度进行调整。

该方法支持制备多层PDMS弹性体，且一经固化后复合PDMS将完全成为一体，任何一层无法被剥离，该技术的使用有着类似于“弹簧”的效果，能够使执行器的输出力反馈能力最大化。

本实施例如图4所示建立了对应于下层弹性体电极的多层复合刚度PDMS串联二阶弹簧阻尼系统等效理论模型。该模型将双层弹性体的每一层都等效为一个二阶弹簧阻尼系统，其中x₁，x₂代表每层弹性体在受力下的绝对位移；k₁，k₂代表每层弹性体的弹性系数；m₁，m₂代表每层弹性体的质量；c₁，c₂代表每层弹性体的阻尼；F₁sin(ωt),F₂sin(ωt)作为每层弹性体的受力项。ω是正弦的角频率，t是时间，sin(ωt)是一种常用的表示方式，在本公式中只是作为一个受力项的整体来使用

为说明人手指尖所获得的振动反馈力，可以分析人手获得振动反馈力的位置。人手指尖直接触摸执行器获得触觉反馈力。在串联弹簧阻尼系统中，系统向上的反弹力即人手所获得的触觉反馈力。由于多层复合弹性体的层与层之间紧密相连，在理论模型中可以将弹性体运动的主振型作为与人手获得的反馈力的相关项。对于该等效串联二阶弹簧阻尼系统，由牛顿第二定律可以写出其机械振动运动方程：

为了简化公式，令

可得：

其中，a、b、c、p₁、p₂、q₁、q₂是设置的辅助变量，

分别是第一层弹性体和第二层弹性体变形的速度，

分别是第一层弹性体和第二层弹性体变形的加速度。

在上式的二阶常系数非齐次微分方程组中，可以将它的解划分为代表弹簧阻尼系统自由振动的齐次解，以及代表执行器在受力下被迫振动的非齐次特解。在实际执行器受力产生触觉反馈的过程中，正是由于阻尼的存在，使得自由振动很快便被衰减不在，仅剩下由静电力刺激所产生的受迫振动，这也就是本实施例所研究的系统稳态振动。因此，本实施例致力于求解出该方程组的非齐次特解，从而获得执行器的真实振动模型。

设方程组特解为：

其中，x₁,x₂代表双层弹性体的振动位移，其频率等于施加至执行器的交流电信号的频率，B₁,B₂为双层弹性体的振动振幅。将特解代入方程组可得：

要获得方程组的特解，意味着需求解B₁，B₂的非零解，则方程的系数行列式为零：

令Δ＝0，可以求解出双层弹性体的两个固有频率ω_n1(系统的第一固有频率)，ω_n2(系统的第二固有频率)，且ω_n1<ω_n2，两项固有频率可以具体写为：

根据克莱姆法则，解得：

从上式同样可以看出，执行器中弹性体部分的机械振动受驱动电信号所影响，其振动的频率即为驱动电信号的频率，而振动的振幅则受驱动电信号的振幅、频率影响，同时，也与执行器本身的材料和弹性行为相关。

当驱动电信号的频率趋近于系统本身的固有频率时，振动幅度可以有效地被提升；若驱动电信号的频率等于系统固有频率时，(a－ω²)(c－ω²)－bc＝0，系统的振幅将会达到最大值，称之为共振现象。于理论而言，共振发生时，系统的振幅趋于无穷大，但在现实生活中，由于阻尼的存在，导致振动仅能达到有限值而并非无穷大，但在对该系统等效模型的研究中，有关振动趋势及如何增大振幅的基本结论并不受阻尼项所影响，因此，在接下来对振幅的研究中，将阻尼项忽略，研究在振动频率为固有频率附近时，执行器复合多层弹性体的振动行为。

对于串联弹簧阻尼系统而言，双自由度振动的系统有两个共振频率点，分别对应于ω_n1和ω_n2，而其振幅比是一定的，在固定的驱动电信号刺激下，能够获得任一瞬间确定的位移比和确定的振幅比。

于是，可以列出其振幅比为：

振幅比可以代表系统的振动形态，当系统按照固有频率振动时，振幅比仅取决于系统本身的物理特性，与运动的初始条件无关。

在上式中，μ₁代表第一主振型，对应第一固有频率ω_n1的振幅比；μ₂代表第二主振型，对应第二固有频率ω_n2的振幅比。系统按照任一固有频率被驱动时，该频率下的振动即称为系统的主振型。此外，在0<ω<ω_n1阶段，B1、B2均为正值，故质量m1、m2的位移和振幅是同相的，即两个质量的位移也同相。但在第二固有频率ω_n2附近，两个质量振动之间的相位相反。这导致实际测得的信号在第一固有频率时较强第二固有频率时相对较弱，这也对应了后文在实验中所测得的结果中只能显示出一个明显主峰的现象。

为了说明人手指尖所获得的振动反馈力，可以分析人手获得振动反馈力的位置。由于多层复合弹性体的层与层之间紧密相连，因此人手总是在触摸最上层的弹性体层而获得振感，于是在理论模型中可以将两阶主振型作为与人手获得的反馈力的相关项。在实际的执行器工作中，外界力仅作用于最上层与人手所接触的PDMS，同时也是交流电信号所施加的一层，可以设F₁＝0使上式简化，于是得到：

为使两阶主振型最大化，代入式(13)中的ω_n1,ω_n2，并令两层弹性体刚度之比k₁＝τk₂，质量之比m₁＝σm₂，τ和σ分别表示两层弹性体的刚度和质量之比，最终可以得到包含弹性体刚度以及质量参数的执行器主振型函数，其中，

使用MATLAB分析主振型函数后，可以得到，质量之比σ保持不变的情况下，刚度之比τ越大，弹性体的所带来的弹性输出力越大。因此，在设计工艺时，可以将刚度比差别较大的弹性体进行组合，以实现多层复合刚度弹性体对执行器输出能力的显著增强。

执行器作为人机交互中一种重要的触觉反馈手段，能够通过执行器运动所产生的反馈力大小是评判其性能的重要特征。对于所有的静电执行器而言，产生其运动的本质是两个带有不同电荷的电极层之间产生的异性相吸、同性相斥作用。常见研究中的静电执行器仅包含两个电极层与一个电介质薄膜层，如图5所示。但这些基本的结构往往需要超过千伏的电压进行驱动以产生触觉反馈，且由于薄膜平整，电极之间极易完全吸引贴附，导致其难以应对人手的触摸压力等等问题。本实施例说明一种柔性静电触觉反馈执行器，包括层叠设置的第一电极层、电介质薄膜和第二电极层，所述第一电极层包括两层以上复合刚度的弹性体，所述两层以上复合刚度的弹性体中的至少两层具有刚度差异。所设计的柔性静电触觉反馈执行器能够解决目前研究中静电执行器所面临的依赖高压、鲁棒性差、输出力反馈微弱等问题，能够在低电压下产生高输出力反馈的静电执行器用以构建盲文、导航系统等多种应用。

柔性静电触觉反馈执行器截面结构示意图及其材料如图6所示，由两电极层和一个电介质薄膜组成，两电极层分别为第一电极层和第二电极层，第一电极层为执行器中的下电极层，包括两层以上复合刚度的弹性体，所述两层以上复合刚度的弹性体中的至少两层具有刚度差异，至少两层的刚度从上至下刚度递增；优选地，所述至少两层包括三层以上。第一电极层使用的导电材料是银(Ag)，第二电极层使用的导电材料是透明导电聚合物氧化铟锡(Indium tin oxide，ITO)透明电极ITO被刻蚀在聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)聚合物薄膜上，所以第二电极层包括PET薄膜和形成在PET薄膜上的ITO电极，而银电极则通过电子束蒸发镀膜的方式附着在PDMS弹性体上，所以第一电极层包括所述弹性体和形成在所述弹性体上的银电极；电介质薄膜选用柔性驻极体薄膜，优先为经电晕充电工艺制备的FEP(Fluorinated Ethylene Propylene，氟乙烯丙烯共聚物)薄膜。

弹性体在受到人手触摸压力下会产生预形变，预形变的存在会影响执行器提供足够的振动反馈效果，因此在对柔性静电触觉反馈执行器的研究中，将人手的触摸压力列入考虑范围内。在此，为了提高执行器的耐压能力，同时使执行器机械结构更加稳定，本实施例在两层以上复合刚度的弹性体的上层设计了一种凸起阵列结构，凸起阵列结构包括若干个卧置的三棱柱，所述卧置的三棱柱的截面为等腰三角形，底面为矩形，优选为正方形，三棱柱结构的材料也是PDMS弹性体，只是在PDMS表面制作了一个这样的结构形状而已，微结构依然是弹性体的一部分，凸起阵列结构示意图如图7所示，三棱柱侧边与弹性体相接，三棱柱的底面是是边长为1mm的正方形，侧面为45°的等腰三角形，这种三棱柱结构作为支撑，能够给执行器提供竖直方向上提供运动的空间，帮助执行器更好的产生振动反馈力。

为说明多层复合刚度PDMS弹性体执行器(柔性触觉反馈执行器)的有效性，实验对复合刚度的弹性体输出性能进行了测试，测试方法步骤如图8所示：

S1：将制备好的多层复合刚度PDMS弹性体执行器正负极连接至电压放大器端，将交流电压源的输出接口连接至电压放大器的输入接口；

S2：将连接好驱动电源线路的执行器放置在ATI NANO43力传感器上，并开启传感器进行输出力检测；

S3：打开执行器驱动电压，设置交流电源电压峰-峰值为0.35V，设置电压放大器的放大倍率为100倍；

S4：在ATI NANO43传感器的软件端依次记录多个执行器输出力的实时数据；

S5：使用MATLAB对测量数据进行滤波处理，并计算上下包络线之差作为执行器在该电压驱动下的振动幅度。

如图9所示是双层刚度PDMS弹性体与单一刚度弹性体输出性能的对比结果。不难看出，复合刚度PDMS弹性体的设计对执行器输出性能的影响显著。双层复合弹性体在35V电压驱动下的输出力约为22mN，单层弹性体在35V电压驱动下的输出力仅8mN，因此，双层弹性体概念的提出使得执行器在低电压驱动下的输出力反馈提高了275％。

最终，本实施例制备了三层复合刚度的弹性体执行器，制备过程包括图10的弹性体电极层制备工艺，包括准备弹性体3D模具、制作单层PDMS、制作多层复合PDMS、40℃下固化24小时、电子束蒸发镀膜等主要步骤，图11的薄膜电极层及驻极体薄膜制备工艺，包括制作PET绝缘薄膜基底、透明ITO电极层、粘连FEP薄膜、在130℃下高温充电测试等主要步骤，实验测试了从输入驱动电压峰-峰值5V至200V下的执行器输出力大小。

从图12单层与多层刚度弹性体执行器输出性能对比可以看出，图中所述多层刚度弹性体执行器即三层复合刚度弹性体执行器，基于三层复合刚度弹性体的弹性体执行器最低能在5V交流驱动电压下产生触觉反馈力，在35V正弦交流电压驱动下(空心五角星标注)，执行器所产生的触觉反馈力约34.4mN，这已经接近单一刚度弹性体执行器在100V交流驱动电压下的触觉反馈力，而单一刚度弹性体执行器35V驱动电压下输出力仅12.2mN；在50V交流驱动电压下，基于三层复合刚度弹性体的柔性静电执行器可以产生42.7mN的触觉反馈力，接近单一刚度弹性体执行器在140V交流驱动电压下的触觉反馈力；在200V交流驱动电压下(实心五角星标注)，基于三层复合刚度弹性体的柔性静电执行器产生212.3mN的触觉反馈力，而单一刚度弹性体执行器仅90.0mN。

当驱动电压逐步升高时，本研究的低电压触觉反馈执行器的输出力大小显示出了更强的增强能力，这代表柔性静电触觉反馈执行器有着更优的输出潜力。低电压触觉反馈执行器能够在人体安全电压36V下进行工作，并为盲文识别、导航等应用领域提供更安全、便捷的解决方案。

该执行器可以拓展为阵列化形式的应用，触觉反馈执行器的3×2阵列化与传统盲文文字点位相同，如图13所示的3×2盲文阵列显示屏示意图，因此该形式能够很好的模拟盲文文字的振动触感显示。16位志愿者分别测试了传统盲文写字板与本设计所提出的执行器所显示的文字，测试结果如图14所示。测试实验包括8位正常视力的志愿者和8位盲人志愿者，志愿者们首先触摸本发明的多层复合刚度弹性体执行器的盲文阵列，依次识别对应文字“清”“华”“深”“圳”，实验人员记录志愿者在执行器上的触摸结果；然后志愿者们再依次触摸传统盲文板的对应文字“清”“华”“深”“圳”，实验人员记录志愿者在传统盲文板上的触摸结果。最后，将所提供的文字与触摸结果文字进行对比，计算准确率。其中A代表本发明所研究的执行器，T代表传统盲文显示板，N代表正常人群，B代表视力障碍人群。从图中可以看出，对于正常人而言，触觉反馈执行器的平均触摸准确率为81.25％，高于传统盲文显示板的平均触摸准确率75％，而对于视力障碍人群而言，触觉反馈执行器的触摸准确率为91％，略低于传统盲文显示板的触摸准确率96％，这可能是由于视力障碍人群对于执行器以振动方式传递信息的感受尚不熟悉，但对于传统盲文触摸板的触摸经验较足。而从正常人群的触摸感知结果可以看出，执行器的识别易于传统盲文触摸板的识别难度。在可穿戴设备屏下集成应用中，该执行器可以为使用者获得最佳识别体验。

本实施例还一种提供触觉反馈的电子设备，包括实施例2所述柔性静电触觉反馈执行器。

本实施例的技术优点有：

(1)提出了一种多层复合刚度PDMS弹性体结构及其制备工艺，该工艺能够支持多种硅胶材料(PDMS、Ecoflex、SEBS等)及多种工艺(3D打印)等的加工制备，具有明显的性能优势和较大的应用潜能。

(2)基于该多层复合刚度PDMS弹性体设计了一种柔性静电触觉反馈执行器，能够在低于人体安全电压范围内产生较高的输出力反馈能力，领先于现有的柔性静电执行器的“驱动-输出”能力，该执行器具有15Hz-450Hz的宽频率响应范围，能够在最大5000mN的触摸压力下保留触觉输出能力，且具备输出力反馈的可编程性。

(3)构建了基于柔性静电触觉反馈执行器的3×2执行器阵列及其驱动方案，能完全模拟传统盲文显示板的文字显示能力，在盲文系统应用中提供多点位的文字信息传递能力，实现了盲文系统的数字化替代。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔性静电触觉反馈执行器，其特征在于，包括层叠设置的第一电极层、电介质薄膜和第二电极层，所述第一电极层包括两层以上复合刚度的弹性体，所述两层以上复合刚度的弹性体中的至少两层具有刚度差异。

2.如权利要求1所述的柔性静电触觉反馈执行器，其特征在于，所述弹性体为硅胶类材料。

3.如权利要求1所述的柔性静电触觉反馈执行器，其特征在于，所述弹性体为PDMS、Ecoflex、SEBS中的任一种。

4.如权利要求1至3任一项所述的柔性静电触觉反馈执行器，其特征在于，所述第一电极层为执行器中的下电极层。

5.如权利要求4所述的柔性静电触觉反馈执行器，其特征在于，所述至少两层的刚度从上至下刚度递增；优选地，所述至少两层包括三层以上。

6.如权利要求1至5任一项所述的柔性静电触觉反馈执行器，其特征在于，所述两层以上复合刚度的弹性体的最上层表面形成有凸起阵列结构。

7.如权利要求6所述的柔性静电触觉反馈执行器，其特征在于，所述凸起阵列结构包括若干个卧置的三棱柱，所述卧置的三棱柱的截面为等腰三角形，底面为矩形，优选为正方形。

8.如权利要求1至7任一项所述的柔性静电触觉反馈执行器，其特征在于，所述电介质薄膜为柔性驻极体薄膜，优选为FEP薄膜；所述第一电极层包括所述弹性体和形成在所述弹性体上的导电电极，所述第二电极层包括PET薄膜和形成在所述PET薄膜上的ITO电极。

9.一种提供触觉反馈的电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的柔性静电触觉反馈执行器。

10.一种制作如权利要求1至8任一项所述的柔性静电触觉反馈执行器的方法，包括将第一电极层、电介质薄膜和第二电极层层叠设置的步骤，其特征在于，还包括制作所述第一电极层的弹性体的步骤：

S1、配制至少两份第一电极层制备液，每份制备液中所含的弹性体基础溶液与固化剂的配比不同；

S2、将第一份制备液倒入模具，在液表平整的状态下静置片刻或进行短时烘烤，形成第一初凝聚层；

S3、在所述第一初凝聚层上覆盖第二份制备液；优选地，以“Z”字形路线将所述第二份制备液均匀覆盖所述第一初凝聚层；

S4、对步骤S3得到的产物进一步烘烤固化，得到两层以上复合刚度的弹性体。