CN106382997B - 一种摩擦静电感应式电子皮肤 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种摩擦静电感应式电子皮肤，该摩擦静电感应式电子皮肤包括：摩擦层、上电极、绝缘层、下电极和柔性衬底，从上到下依次固定排列，所述上电极与所述下电极之间相互绝缘。所述上电极和所述下电极的每一个交叉点代表一个探测位置，当人体皮肤触碰任意探测位置时，所述上电极的和所述下电极的相应电极上会分别有输出信号，因此可以得知触碰位置，本发明利用摩擦静电感应效应，通过人体和摩擦层之间的接触和分离来产生电信号，从而感知外部物体的触碰情况，该电子皮肤具有自驱动、稳定性好、灵敏度高、响应快等优点；同时，采用了具有生物相容性的柔性聚合物薄膜材料，使用范围广泛。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域领域，具体涉及一种摩擦静电感应式电子皮肤。
背景技术
近年来，科学家一直在努力实现电子产品获得人类触觉能力的技术。电子皮肤是一种可以让机器人产生触觉的系统，其结构简单、可被加工成各种形状，能像衣服一样附着在设备表面，能够让机器人感知到物体的地点和方位等信息。电子皮肤模拟、还原甚至取代人体皮肤，首先要具备触觉，即与人体皮肤一样感知不同外界压力，畅通传导触觉信号的最基本功能。2003年，日本东京大学的研究团队利用低分子有机物－并五苯分子制成薄膜，通过其表面密布的压力传感器，实现了电子皮肤感知压力。
现有技术存在的主要问题为：目前的电子皮肤进行监测时需要电池或外部电源供电，造成能源的浪费，因此带来了巨大的成本。而且，电池的定期更换和电池本身对环境的污染，限制了其应用领域。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种摩擦静电感应式电子皮肤，所述电子皮肤包括摩擦层、上电极、绝缘层、下电极和柔性衬底,所述摩擦层、上电极、绝缘层、下电极和柔性衬底由上而下依次固定排列；
进一步地，所述上电极包括多个第一矩形电极，所述多个第一矩形电极在同一平面等间距平行排列；
进一步地，所述下电极包括多个第二矩形电极，所述多个第二矩形电极在同一平面等间距平行排列；
进一步地，每个所述第一矩形电极均垂直于任意一个第二矩形电极，所述第一矩形电极为m个，所述第二矩形电极为n个，其中，m、n均为正整数；
进一步地，所述电子皮肤还包括多个探测位置，所述探测位置为所有第一矩形电极和第二矩形电极的交叉点；
进一步地，人体皮肤触碰坐标为（x,y）的探测位置时，所述上电极的第x个电极和所述下电极的第y个电极上分别有输出信号，其中x<m，y<n，且x,y为正整数；
进一步地，所述电子皮肤还包括微结构，所述微结构通过化学刻蚀法、等离子刻蚀法或模板法设置在所述摩擦层的上表面，所述微结构由微纳柱状结构、纳米棒、纳米线、纳米颗粒、纳米管或纳米花中的至少一者组成；
进一步地，所述摩擦层由对电子束缚能力较强的柔性聚合物材料制成，所述柔性聚合物材料为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯；
进一步地，所述上电极和下电极由具有柔性和导电性的材料制成，所述具有柔性和导电性的材料包括铟锡氧化物、导电高分子材料、银纳米线膜、导电碳纤维、金属薄膜和合金薄膜；
进一步地，所述绝缘层的材料包括聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯和聚酰亚胺的任一种或两种以上的组合，所述柔性衬底由具有生物相容性的聚二甲基硅氧烷制成；
本发明的有益效果如下：
1）利用摩擦静电感应效应，通过外部物体和摩擦层之间的接触和分离来产生电信号，从而感知外部物体的触碰；
2）具有自驱动、稳定性好、灵敏度高、响应快等优点；
3）采用柔性无毒的聚合物薄膜材料，可以和人体皮肤更好的融合。
附图说明
图1为本发明摩擦静电感应式电子皮肤的立体结构示意图；
图2为本发明摩擦静电感应式电子皮肤一个单元的截面结构示意图；
图3为本发明的敏感层的表面结构示意图；
图4为本发明的电极网络的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：
图1是本发明摩擦静电感应式电子皮肤的立体结构示意图，图2是本发明摩擦静电感应式电子皮肤一个单元的截面结构示意图，图3是本发明的摩擦层的表面结构示意图，图4是本发明的电极网络的结构示意图。下面结合图1-图4，详细说明本发明摩擦静电感应式电子皮肤的结构。
如图1和图2所示，在本实施例中，所述摩擦静电感应式电子皮肤包括：从上到下依次固定排列的摩擦层1、上电极2、绝缘层3、下电极4和柔性衬底5。
所述上电极2包括多个第一矩形电极21，所述多个第一矩形电极21在同一平面平行排列。所述下电极2包括多个第二矩形电极41，所述多个第二矩形电极在同一平面等间距平行排列，所述上电极2所形成的平面平行于所述下电极4所形成的平面，但是每个所述第一矩形电极1均空间异构垂直于任意一个第二矩形电极41，所述第一矩形电极21为m个，所述第二矩形电极41为n个，其中，m、n均为正整数。
由垂直于所述上电极2形成的平面和下电极4平面的方向上看，每个第一矩形电极21与下电极4均具有n个交点，每个第二矩形电极41与上电极2均具有m个交点，上述所有交点称为所述电子皮肤的探测位置。当人体皮肤触碰坐标为（x,y）的探测位置时，所述上电极2的第x个电极和所述下电极4的第y个电极上分别有输出信号，其中x<m，y<n，且x,y为正整数。所述电子皮肤还包括微结构，所述微结构通过化学刻蚀法、等离子刻蚀法或模板法设置在所述摩擦层的上表面，所述微结构由微纳柱状结构、纳米棒、纳米线、纳米颗粒、纳米管或纳米花中的至少一者组成。
所述摩擦层1由对电子束缚能力较强的柔性聚合物材料制成，所述柔性聚合物材料为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯，所述上电极2和下电极4由具有柔性和导电性的材料制成，所述具有柔性和导电性的材料包括铟锡氧化物、导电高分子材料、银纳米线膜、导电碳纤维、金属薄膜和合金薄膜，所述绝缘层3的作用是使上下电极之间相互绝缘，其材料为聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯和聚酰亚胺的任一种或两种以上的组合；所述柔性衬底5的作用是作为支撑层，其材料为具有生物相容性的聚二甲基硅氧烷。
在本发明一实施例中，所述上电极2由同一方向等间距排列的4个第一矩形电极组成；所述下电极4由与上电极垂直的4个第二矩形电极组成；所述上电极2与所述下电极4之间由绝缘层3隔开，相互绝缘。
如图3所示，所述摩擦层1的上表面具有纳米颗粒微结构，以增加摩擦层1和外部物体的接触面积，从而更有利于提高电子皮肤的灵敏度。
如图4所示，上电极与下电极构成4*4阵列，每个交叉点处为一个传感单元6，即所述探测位置，因此构成16个传感单元。
本发明提出的摩擦静电感应式电子皮肤的工作原理如下：当传感单元的摩擦层1受到外部物体的触碰后，摩擦层1表面产生摩擦电荷；在外部物体与摩擦层1发生接触和分离的过程中，在传感单元6对应的上电极2和下电极4中分别产生电信号，从而可以得知触碰的位置。可以通过测量设备监测响应的电信号，所述传感单元6的上电极2和下电极4的测量分别为单电极模式。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种摩擦静电感应式电子皮肤，其特征在于，所述电子皮肤包括摩擦层、上电极、绝缘层、下电极和柔性衬底,所述摩擦层、上电极、绝缘层、下电极和柔性衬底由上而下依次固定排列，所述上电极包括多个第一矩形电极，所述多个第一矩形电极在同一平面等间距平行排列，所述下电极包括多个第二矩形电极，所述多个第二矩形电极在同一平面等间距平行排列，每个所述第一矩形电极均垂直于任意一个第二矩形电极，所述第一矩形电极为m个，所述第二矩形电极为n个，其中，m、n均为正整数。
2.根据权利要求1所述的电子皮肤，其特征在于，所述电子皮肤还包括多个探测位置，所述探测位置为所有第一矩形电极和第二矩形电极的交叉点。
3.根据权利要求2所述的电子皮肤，其特征在于，当人体皮肤触碰坐标为(x,y)的探测位置时，所述上电极的第x个电极和所述下电极的第y个电极上分别有输出信号，其中x<m，y<n，且x,y为正整数。
4.根据权利要求3所述的电子皮肤，其特征在于，所述电子皮肤还包括微结构，所述微结构通过化学刻蚀法、等离子刻蚀法或模板法设置在所述摩擦层的上表面，所述微结构由微纳柱状结构、纳米棒、纳米线、纳米颗粒、纳米管或纳米花中的至少一者组成。
5.根据权利要求1所述的电子皮肤，其特征在于，所述摩擦层由对电子束缚能力较强的柔性聚合物材料制成，所述柔性聚合物材料为聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯。
6.根据权利要求1所述的电子皮肤，其特征在于，所述上电极和下电极由具有柔性和导电性的材料制成，所述具有柔性和导电性的材料为铟锡氧化物、导电高分子材料、银纳米线膜、导电碳纤维、金属薄膜或合金薄膜。
7.根据权利要求1所述的电子皮肤，其特征在于，所述绝缘层的材料为聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯或聚酰亚胺的任一种或两种以上的组合，所述柔性衬底由具有生物相容性的聚二甲基硅氧烷制成。
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