CN104251751A - 一种多感官集成的电子皮肤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种多感官集成的电子皮肤，由若干个设置在柔性基底上的电子感官单元组成，电子感官单元的主体是一个以电阻为负载并采用共源极接法的有源场效应晶体管，可同时实现触觉感官的测力功能、温度感官的测温功能和距离感官的测距功能。本发明可模拟人类皮肤的几种基本功能，具有良好的弹性和延展性，可贴合在机械手表面，判断和收集目标物体的形状、大小、材质、软硬程度等一系列物理特性以及温度、距离信息，为智能机械手或机器人完成一系列精细、高难度动作提供数据支持和基础保证。

Description

一种多感官集成的电子皮肤及其制造方法

技术领域

本发明涉及机器仿生技术领域，更具体地涉及一种电子皮肤，尤其是一种多感官集成的电子皮肤及其制造方法。

背景技术

仿生机器人的迅速发展获得了全世界的瞩目，越来越多的智能机器人被应用到日常生活和医疗护理中，引来了国内外的研究热潮。目前机器人已经具备独立行走、抓取等能力，并且配备了较为完善的视觉和听觉辅助系统。为了使机器人更加贴近真实人类，需要给机器人配备基本的感知器官。

对于进行复杂抓取工作的机器人，触觉传感器是不可缺少的。进行抓取动作时，要求机器人在能够抓紧但是不损坏物体的情况下进行操作。因此需要机器人感知机械手与目标物体相互作用时的物理特征量，获取目标物体的多种物理信息(接触力的大小、柔软性、硬度、弹性、粗糙度、形状等)。

过高的环境温度和接触物体温度会使电子皮肤内部的器件性能改变，导致电子皮肤加快老化、性能下降甚至是功能失灵，从而造成各种故障的产生，对电子皮肤造成损坏。因此需要机器人获取周围的环境温度和接触物体温度，在高温时进行自我调节和自我保护。

机器人在工作时会不可避免的和各种物体进行接触，为了保证机器人在和周围环境接触时能够做出合理的反应并且确保机器人工作时不对周围环境或接触物体造成破坏，因此需要机器人配备感知周围物体距离的能力，从而对周围环境做出很好的判断，实现避障。

目前，现有的电子皮肤研究重点大多集中在触觉的测量上，对环境感知信息获取不全面，没有办法完全替代人类皮肤。并且至今的研究成果中大多依赖于材料本身的弹性进行力的传递，对材料要求太高且效果并非十分良好。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种多感官集成的电子皮肤，以解决电子皮肤感知功能不完善和测力不精准的问题。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种多感官集成的电子皮肤，包括至少一个电子感官单元，所述电子感官单元包括栅电极1、有源半导体层2、源电极3、弹性绝缘层6和漏电极7，其中所述弹性绝缘层6位于所述栅电极1和有源半导体层2之间，所述源电极3和漏电极7对称的分布在有源半导体层2下方，构成一绝缘层厚度可变的有源场效应晶体管。

其中，所述电子感官单元中还包括具有负温度系数的热敏电阻层4和具有正温度系数的热敏电阻层5，并肩位于所述源电极3和漏电极7下方，中间有柔性基底9相隔，所述的两个热敏电阻层4、5通过通孔8与所述漏电极7电连接，构成所述有源场效应晶体管的偏置电阻；以及

两个热敏电阻层4、5的热敏效应互相抵消，整体保持零温度系数。

其中，所述两个热敏电阻层4、5以聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺为基体相，导电相分散到所述基体相中，通过旋涂和刻蚀方法制备而成；以及通过调节掺杂导电相的质量分数来改变所述两个热敏电阻层4、5的温敏特性，当掺杂浓度低时呈正温度系数，提高掺杂浓度到一临界值后呈负温度系数。

其中，所述弹性绝缘层6上均匀分布高密度、有弹性的倒锥形微针结构，用于提高器件的灵敏度及减少器件的迟滞时间。

其中，所述电子皮肤中包括多个所述的电子感官单元，以及通过相邻的所述电子感官单元的栅电极1组成测距模块。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种多感官集成电子皮肤的制造方法，包括下列步骤：

在模具上用预聚物形成绝缘层6；

在所述绝缘层6上用导电金属制成栅电极1；

在所述栅电极1上旋涂预聚物薄膜作为电极保护层，加热固化成型；

将制作好的薄膜从模具上剥离，得到顶层柔性基底层；

在刚性载体上旋涂预聚物薄膜，加热固化形成底层柔性基底；

将导电颗粒均匀分散到预聚物中，调节添加导电颗粒的质量分数，制作温度特性完全相反的柔性热敏材料；

使用上述制备的温度特性完全相反的柔性热敏材料，在所述底层柔性基底上并排形成具有负温度系数的热敏电阻层4和具有正温度系数的热敏电阻层5；

在所述底层柔性基底上旋涂预聚物薄膜，加热固化后在相应位置刻蚀出通孔8，在通孔8中沉积导电金属，从而使所述热敏电阻层4、5与后续形成的漏电极7形成电连接；

在所述热敏电阻层4、5上方用导电金属形成源电极3和漏电极7；

在所述底层柔性基底上形成有源半导体层2；

将所述顶层柔性基底层和所述底层柔性基底层键合；

将所述键合的柔性材料从所述刚性载体上剥离。

其中，所述预聚物为聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺的预聚物。

其中，所述有源半导体层采用并五苯、三苯基胺、富勒烯、酞菁、苝衍生物、花菁等有机液状可固化半导体材料。

其中，所述电极材料的导电金属为Cu、Au、Ag、Pt、Pd。

其中，所述导电颗粒采用炭黑、石墨烯、石墨粉、银粉、铜粉。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种多感官集成电子皮肤的触觉检测方法，包括下列步骤：

当有外力作用在如上任意一项所述的电子皮肤上时，所述绝缘层6被压缩，绝缘层厚度改变，通过检测所述有源场效应晶体管的漏电极7的电压实现触觉感官的测力功能。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种多感官集成电子皮肤的温度感观测量方法，包括下列步骤：

当温度发生变化时，如上任意一项所述的电子皮肤的所述两个热敏电阻层4、5的阻值产生两个方向的变化，测量中间节点的电压，通过已知的温度-电压曲线对温度进行判定，实现温度感官的测温功能。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种多感官集成电子皮肤的距离感官的测量方法，包括下列步骤：

如上所述的电子皮肤相邻的两个电子感官单元的栅电极1组成测距模块，当物体靠近所述电子皮肤时，相邻的所述两个电子感官单元的两个栅电极1的极板间电容值发生改变，通过距离-电容曲线对距离进行标定，即可实现距离感官的测距功能。

通过上述技术方案可知，本发明可模拟人类皮肤的几种基本功能，可具有良好的弹性和延展性，可贴合在机械手表面，判断和收集目标物体的形状、大小、材质、软硬程度等一系列物理特性以及温度、距离信息，为智能机械手或机器人完成一系列精细、高难度动作提供数据支持和基础保证。本发明通过结构复用的方法，可同时检测接触物体接触力、温度和距离三种信息，对周围环境和接触物体进行全方位的判断，从而为智能机器人路径规划、接触控制等提供更加详细的信息，帮助机器人完成更加精细的动作；本发明采用绝缘层厚度可变的有源晶体管原理进行接触力的测量，相比于现有的压阻式、压容式等设计，具有柔韧性强、灵敏度高、迟滞时间短、稳定性好、量程大和成本低等优点，适用于大面积的人工电子皮肤研制；本发明采用弹性微针作为绝缘层，与无微针结构设计相比，器件恢复原始形态的时间更短，使用寿命更长，灵敏度更高。

附图说明

图1是本发明的多感官集成的电子皮肤的剖面示意图；

图2是本发明的多感官集成的电子皮肤测温和测压的工作模式图；

图3是本发明的多感官集成的电子皮肤测温和测压模式的原理示意图；

图4是本发明的多感官集成的电子皮肤测距模式的原理示意图；

图5是本发明的多感官集成的电子皮肤具有微针结构和不具有该结构的器件在相同压力变化下的形变量仿真图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的多感官集成的电子皮肤，可同时检测接触物体接触力、温度和距离三种信息，参见图1，本发明的多感官集成电子皮肤，由若干个设置在柔性基底上的电子感官单元组成，电子感官单元呈阵列式排列。每个电子感官单元包括栅电极1、有源半导体层2、源电极3、具有负温度系数的热敏电阻层4、具有正温度系数的热敏电阻层5、弹性微针绝缘层6、漏电极7、通孔8和柔性基底层9。单个电子感官单元11可同时对接触力和温度信息进行标定，同时一电子感官单元11和其临近电子感官单元12可组成一个测距模块。

本发明的多感官集成电子皮肤的电子感官单元主体是一个以电阻为负载并采用共源极接法的有源场效应晶体管，当外力作用在电子感官单元上时，晶体管的栅绝缘层厚度发生改变，从而使漏源电流发生变化，因此通过检测晶体管的漏极电压可以实现触觉感官的测力功能。晶体管漏极负载电阻为两个温度系数相反的热敏性电阻串联组成，通过调整设计参数将这两个串联电阻的热敏特性相互抵消，使晶体管的漏极负载电阻呈现零温度系数，从而可以在消除温度改变对测力功能影响的基础上，通过测量两个串联热敏电阻中间节点的电压，实现温度感官的测温功能。相邻两个电子感官单元组成一个测距单元，通过检测两个栅极极板间的电容变化，可以实现距离感官的测距功能。

更具体地，下面针对需要检测的三种不同信息分别对本发明的多感官集成的电子皮肤进行详细阐述。

电子皮肤触觉感官的实现：

参见图1，栅电极1、有源半导体层2、源电极3、弹性微针绝缘层6和漏电极7构成一个触觉电子感官单元主体11，其本质是一绝缘层厚度可变的有源场效应晶体管。该晶体管以电阻为负载，采用共源极接法。该晶体管漏极所接偏置电阻由温度系数相反的两个热敏电阻组成，通过调节设计参数，两个电阻的热敏效应可以互相抵消，整体保持零温度系数，从而可以在消除温度改变对测力功能的影响。

参见图2，工作状态下，在栅电极1和源电极3之间加栅电压V_gs，漏电极7通过偏置电阻连接到系统电源V_dd，调节V_gs使晶体管处于饱和区，此时的漏电流I_D公式为：

$I_D=\frac{W}{2L}\mathrm{\μ}{C}_i{(V_{\mathrm{gs}}-V_T)}^2$

其中，W为栅宽，L为栅长，μ为载流子迁移率，C_i为栅绝缘层的单位面积电容，V_T为阈值电压。

当有外力作用在传感器11上时，弹性微针绝缘层6被压缩，绝缘层厚度改变，栅绝缘层的单位面积电容C_i发生变化，从而使漏源电流发生变化。电流的变化可以通过漏电压V_ds反应，通过检测晶体管的漏极电压V_ds的大小可以实现触觉感官的测力功能。

电子皮肤温度感官的实现：

参见图1，触觉电子感官单元11复用，由于其偏置电阻是由温度系数相反的两个热敏电阻层组成，分压节点具有温度敏感特性，因此兼有测量温度的功能。

柔性热敏电阻层4和5采用导电橡胶制作。导电橡胶的温度系数对炭黑的掺杂量敏感，通过调节炭黑的质量分数可以制作温度特性相反的两种热敏结构。掺杂浓度较低时，基体的体积热膨胀起主导作用，温度上升，导电橡胶的电阻率升高，整体呈正温度系数；提高掺杂浓度到一临界值后，炭黑粒子间的隧道效应占主导，导电橡胶的电阻率降低，温度特性发生翻转，整体呈现负的温度系数。

如图3所示，当温度发生变化时，具有负温度系数的热敏电阻层4和具有正温度系数的热敏电阻层5产生两个方向的变化，电阻分压节点具有温度敏感效应，测量中间节点的电压，通过已知的T-V(温度-电压)曲线对温度进行判定，可实现温度感官的测温功能。

电子皮肤距离感官的实现：

参见图1，触觉传感器单元11中的栅电极1以及其临近电子感官单元12的栅电极10组成测距模块。

如图4所示，其传感原理是一容值受被测物体距离影响的可变平行板电容设计。没有物体靠近时，传感器单元11中的栅电极1和其临近电子感官单元12的栅电极10之间存在固有电场；当物体靠近传感器时，物体改变了电容极板间空气介质的介电常数，从而使极板间电容值发生改变，通过D-C(距离-电容)曲线，可以得知物体离传感器的距离，实现距离感官的测距功能。

本发明所述的多感官集成电子皮肤采用分层工艺进行加工，所述柔性基底层9可以选择聚二甲基硅氧烷(PDMS)或者聚酰亚胺薄膜制作。下面以采用PDMS制作柔性基底层9为例进行说明：

1、将PDMS预聚物Sylgard 184(购自美国道康宁公司)与固化剂以质量比10∶1的比例混合、搅拌；放入真空箱抽真空30min去除气泡，制成PDMS溶液备用。

2、在与弹性微针绝缘层6互补的硅模具上浇筑PDMS溶液，放入真空箱中抽真空30min，以保障PDMS溶液完全无缝隙的贴合模具。在热板上加热固化30min成型，形成弹性微针绝缘层6的结构。

3、将步骤2中制备的弹性微针绝缘层6上方光刻出用于沉积金属电极的窗口，蒸发200nm金属Cu制成栅电极1。

4、在步骤3中制备的薄膜上旋涂30μm的PDMS薄膜，作为电极保护层，在热板上加热固化30min成型。

5、将步骤4中制作好的薄膜从硅模具上缓慢剥离，得到顶层柔性基底层。

6、准备普通单抛硅片作为底层柔性基底层制作的刚性载体。

7、在刚性硅片上旋涂30μm厚的PDMS薄膜，用热板加热固化30min，形成底层柔性基底。

8、将PDMS预聚物Sylgard 184与固化剂以质量比10∶1的比例混合、搅拌，添加炭黑，或者石墨烯、石墨粉和碳纳米管为导电颗粒，添加正己烷为稀释剂，在机械搅拌和超声震荡的作用下，将导电颗粒均匀地分散到PDMS中。调节添加导电颗粒的质量分数，制作温度特性完全相反的柔性热敏材料。

9、将步骤8中调好的两份胶体放入真空箱抽真空30min去除气泡，等待正己烷全部挥发。

10、在步骤7中制备的底层柔性基底上旋涂20μm厚的具有负温度系数的柔性热敏电阻薄膜，用热板加热固化1hr。

11、在步骤10中制备的热敏电阻薄膜上图形化，刻蚀出各单元相互独立的热敏电阻层4。

12、在步骤11中刻蚀后的图形上光刻牺牲层，旋涂20μm厚的具有正温度系数的柔性热敏电阻薄膜，用热板加热固化1hr后，用丙酮去除牺牲层，留下具有正温度系数的柔性热敏电阻薄膜5。

13、在步骤12后的基底上旋涂30μm厚的PDMS薄膜，加热固化后在相应位置刻蚀出通孔8，在通孔中沉积金属Cu形成电气连接。

14、将步骤13中制备的薄膜图形化，在热敏电阻层上方对称的光刻出两个用于沉积金属电极的窗口，蒸发200nm金属Cu形成源电极3和漏电极7。

15、在步骤14中制作的薄膜上旋涂10μm厚度的并五苯膜，图形化后形成有源半导体层2，至此底层柔性基底层制作完毕。

16、将步骤5中制作的顶层柔性基底层和步骤15中制作的底层柔性基底层经DQ-500B氧等离子体去胶机做表面等离子体处理。通过紫外光在纯氧环境下照射30s后，表面基团改性，化学键被打开，通过对准标记对准，在2min之内完成键合。

17、将传感器阵列从硅片上剥离，整个制作工艺就完成了。这样制造出来的传感器阵列具有良好的静态和动态性能，可靠性和稳定性好。

在上述步骤中，电极材料也可以采用其它导电金属，例如Au、Ag、Pt、Pd等。所掺导电颗粒也可以采用导电金属粉末，例如银粉、铜粉等。稀释剂也可以采用其他易挥发有机物，例如四氢呋喃、丙酮等。有源半导体层除了并五苯之外，也可以采用其他有机液状可固化半导体材料，例如三苯基胺、富勒烯、酞菁、苝衍生物和花菁等。

在上述步骤中，导电电极的制作方式，可根据实验室工艺条件自由选择，也可以采用电镀、气相沉积、溅射或离子镀膜等方式。

通过实验检测，本发明的多感官集成电子皮肤可同时检测接触物体的接触力、温度和距离三种信息，对周围环境和接触物体进行全方位的判断，从而为智能机器人路径规划、接触控制等提供更加详细的信息，帮助机器人完成更加精细的动作。本发明能够检测到的接触物体接触力的大小范围为100kPa，温度范围为0-40℃，距离范围为20mm，具有柔韧性强、灵敏度高、迟滞时间短、稳定性好、量程大和成本低等优点，适用于大面积的人工电子皮肤研制，且与无微针结构设计相比，器件恢复原始形态的时间更短，使用寿命更长，灵敏度更高。经结构改良之后，其灵敏度提升有50倍左右，如图5中仿真(使用COMSOLMultiphysics)结果所示，在相同压力作用下，具有微针结构的器件相比于PDMS层无结构器件会有明显的形变。

本发明的多感官集成的电子皮肤，包括触觉感官、温度感官和距离感官，可模拟人类皮肤的几种基本功能，可具有良好的弹性和延展性，可完美的贴合在机械手表面，判断和收集目标物体的形状、大小、材质、软硬程度等一系列物理特性以及温度、距离信息，为智能机械手或机器人路径规划、接触控制等提供数据支持和基础保证，帮助其完成一系列精细、高难度动作。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多感官集成的电子皮肤，包括至少一个电子感官单元，所述电子感官单元包括栅电极(1)、有源半导体层(2)、源电极(3)、弹性绝缘层(6)和漏电极(7)，其中所述弹性绝缘层(6)位于所述栅电极(1)和有源半导体层(2)之间，所述源电极(3)和漏电极(7)对称的分布在有源半导体层(2)下方，构成一绝缘层厚度可变的有源场效应晶体管。

2.根据权利要求1所述的多感官集成的电子皮肤，其中所述电子感官单元中还包括具有负温度系数的热敏电阻层(4)和具有正温度系数的热敏电阻层(5)，所述两个热敏电阻层(4、5)并肩位于所述源电极(3)和漏电极(7)下方，并与其间隔有柔性基底(9)，所述两个热敏电阻层(4、5)通过通孔(8)与所述漏电极(7)电连接，构成所述有源场效应晶体管的偏置电阻；以及

两个热敏电阻层(4、5)的热敏效应互相抵消，整体保持零温度系数。

3.根据权利要求2所述的多感官集成的电子皮肤，其中所述两个热敏电阻层(4、5)以聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺为基体相，导电相分散到所述基体相中，通过旋涂和刻蚀方法制备而成；以及通过调节掺杂导电相的质量分数来改变所述两个热敏电阻层(4、5)的温敏特性，当掺杂浓度低时呈正温度系数，提高掺杂浓度到一临界值后呈负温度系数。

4.根据权利要求1所述的多感官集成的电子皮肤，其中所述弹性绝缘层(6)上均匀分布高密度、有弹性的倒锥形微针结构，用于提高器件的灵敏度及减少器件的迟滞时间。

5.根据权利要求1所述的多感官集成的电子皮肤，其中所述电子皮肤中包括多个所述的电子感官单元，以及通过相邻的所述电子感官单元的栅电极(1)组成测距模块。

6.一种多感官集成电子皮肤的制造方法，包括下列步骤：

在模具上用预聚物形成绝缘层(6)；

在所述绝缘层(6)上用导电金属制成栅电极(1)；

在所述栅电极(1)上旋涂预聚物薄膜作为电极保护层，加热固化成型；

将制作好的薄膜从模具上剥离，得到顶层柔性基底层；

在刚性载体上旋涂预聚物薄膜，加热固化形成底层柔性基底；

将导电颗粒均匀分散到预聚物中，调节添加导电颗粒的质量分数，制作温度特性完全相反的柔性热敏材料；

使用上述制备的温度特性完全相反的柔性热敏材料，在所述底层柔性基底上并排形成具有负温度系数的热敏电阻层(4)和具有正温度系数的热敏电阻层(5)；

在所述底层柔性基底上旋涂预聚物薄膜，加热固化后在相应位置刻蚀出通孔(8)，在通孔(8)中沉积导电金属，从而使所述热敏电阻层(4、5)与后续形成的漏电极(7)形成电连接；

在所述热敏电阻层(4、5)上方用导电金属形成源电极(3)和漏电极(7)；

在所述底层柔性基底上形成有源半导体层(2)；

将所述顶层柔性基底层和所述底层柔性基底层键合；

将所述键合的柔性材料从所述刚性载体上剥离。

7.根据权利要求6所述的多感官集成电子皮肤的制造方法，其中所述预聚物为聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺的预聚物；所述有源半导体层采用并五苯、三苯基胺、富勒烯、酞菁、苝衍生物、花菁等有机液状可固化半导体材料；以及所述导电颗粒采用炭黑、石墨烯、石墨粉、银粉、铜粉。

8.一种多感官集成电子皮肤的触觉感官测量方法，包括下列步骤：

当有外力作用在如权利要求1至5任意一项所述的电子皮肤上时，所述绝缘层(6)被压缩，绝缘层厚度改变，通过检测所述漏电极(7)的电压实现触觉感官的测力功能。

9.一种多感官集成电子皮肤的温度感观测量方法，包括下列步骤：

当温度发生变化时，如权利要求2或3所述的电子皮肤的所述两个热敏电阻层(4、5)的阻值产生两个方向的变化，测量中间节点的电压，通过已知的温度-电压曲线对温度进行判定，实现温度感官的测温功能。

10.一种多感官集成电子皮肤的距离感官的测量方法，包括下列步骤：

如权利要求5所述的电子皮肤相邻的两个电子感官单元的栅电极(1)组成测距模块，当物体靠近所述电子皮肤时，相邻的所述两个电子感官单元的两个栅电极(1)的极板间电容值发生改变，通过距离-电容曲线对距离进行标定，即可实现距离感官的测距功能。