CN108446042A - 一种电容式触摸传感器、电子皮肤和智能机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电容式触摸传感器和智能机器人。本发明一种电容式触摸传感器，包括多个传感器单元，每个传感器单元包括4个多功能层包含的区域，4个多功能层构成用于判别外部物体的识别和接近程度的两个电容C1和C2；每个多功能层的内部均设置有两层电极，两层电极构成用于测定三维力的大小和方向4个平行板电容。其有益效果是：本发明的多功能层可以形成电容的电极，完整实现接触觉功能要求；多功能层还可以作为其内部的多个平行板电容的电磁屏蔽层，从而在有效提高三维力测量抗干扰能力的前提下，还可以实现接触觉的全部功能；当形成传感器矩阵时，多功能层可以用来实现分区域屏蔽式扫描，有效地避免了相邻传感器单元的串扰问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容式触摸传感器、电子皮肤和智能机器人，适用于人工智能的技术领域。
背景技术
近年来，智能机器人在工业领域已经发展到大规模实用阶段，智能机器人与外部世界的交互作用需要模仿人类的各种感官功能的智能传感器，主要包括：视觉传感器、听觉传感器、触觉传感器和嗅觉传感器。到目前为止，视觉传感器和听觉传感器已经发展成熟并广泛地应用在工业机器人领域。但随着智能机器人向人类活动的各个领域深入扩展，特别是农业机器人、家庭服务机器人、医疗服务机器人和酒店餐饮业服务机器人等领域，需要机器人能够完成更加灵活、复杂的动作，同时由于这些领域的机器人需要与人类做更加密切的接触，必须保证机器人与人类接触的安全性和舒适性。因此，具有类似人类触觉功能的高度敏感的触觉传感器就显得越来越重要。世界各国均对仿生触觉传感器开展了广泛的研究。
智能触觉传感器应具备以下基本功能：
接触觉：当智能机器人的肢体即将或刚刚接触外部物体时，应能对即将或刚刚接触的外部物体进行大致的分类并判断即将接近的外部物体的速度和距离。例如：服务类机器人应能分辨出即将或刚刚接触的物体是人类肢体或其他物体，农业采摘机器人应能分辨即将或刚刚接触的物体是水果、棉花或植物枝叶，同时应能判断接近的速度和距离，以便智能机器人能恰当的控制其肢体接近或接触外部对象的初速度，以避免对即将接触的人体造成伤害或对即将接触的物体造成损坏。
压觉和滑动觉：当智能机器人的肢体接触到外部物体后，应能感知其施加的三维压力的大小和方向，以便智能机器人能将其施加于外部物体的三维压力控制在适合的范围，例如：服务类机器人端起茶杯时应控制其施加于茶杯的三维压力，使其即不至于被捏碎，又不至于滑落。另外，当智能机器人的肢体在外部物体上滑动时应能感知滑动的方向和滑动速度，以便智能机器人能将控制滑动的方向和速度，例如：按摩服务机器人应能将其手掌在人体上滑动的速度和方向控制在适当的范围。
温湿度觉：当智能机器人的肢体接近或接触到外部物体时应能感知外部环境和外部物体的温度，以便智能机器人保护智能机器人自身的肢体不受到高温或低温的损坏，同时保护其服务对象不受到高温或低温的伤害，例如：服务机器人给老人或病人端茶水时应判断茶水的温度是否适合人类饮用；当智能机器人肢体接近火焰或高温物体时应能主动趋避。另外，智能机器人的肢体接近或接触到外部物体时应能感知外部环境和外部物体的湿度，例如：家庭服务机器人，帮人类晾晒衣物时应能分辨出衣物是否已经晾干。
除上述基本功能外，由于仿生机器人的全部肢体需要大面积覆盖具有大量触摸传感器的仿生皮肤，因此，智能触摸传感器还需要符合小型化、低功耗、便于形成传感器矩阵的要求。
现有智能触摸传感器技术研究，按传感原理划分，主要分为，电阻式、电容式、光电式、压电式、电感式、微机电式和复合式(两种或两种以上原理复合)。目前大都处在实验室研究阶段，还没有成熟到实用阶段，随着研究的深入，越来越多的研究团队将关注点聚焦于电阻式、电容式和阻容复合式，由于其制作工艺简单、成本低便于批量生产等特点已经接近于成熟。
纯电阻式触摸传感器是利用柔性压阻可变材料(例如导电橡胶)，当受到压力时其电阻率发生变化，从而反应受到压力的大小的原理实现的。其优点是：能实现压觉即三维力的感知，制作工艺简单、成本低、抗干扰能力较强，便于批量生产；但缺点是：几乎无法实现接触觉的要求，无法对接触的物体进行分类识别，当即将接触外部物体时无法判断接近的速度和距离，灵敏度偏低，产品一致性较难控制。在一些对接触觉和灵敏度要求不高的应用领域，具有一定的市场潜力。
电容式或阻容复合式触摸传感器是目前最具发展前景的，与其他形式的触摸传感器相比，电容式触摸传感器对于实现接触觉具有独有的优势，电容式触摸传感器利用电场理论，其电场线可以穿越接近或接触到外部物体，利用不同物体具有不同介电常数的特性对外部物体进行分类识别，特别是可以准确分辨外部物体是人体或其他物体。对于实现压觉和滑动觉电容式触觉传感器也有灵敏度高、一致性好、易于制作、成本低、易于实现矩阵等优点。但现有电容式触觉传感器技术的不足是：
第一、无法实现触摸传感器的全部要求：接触觉，包括对外部物体的分类识别和对外部物体接近程度的判别；压觉和滑觉，即三维力的大小和方向测量；温度觉和湿度觉。
第二、抗干扰能力较差，易于受到环境温度、湿度、电磁干扰的影响，在测量三维力时通常采用差分的方法消除环境温、湿度的影响，并采用电磁屏蔽的方法提高抗电磁场干扰能力。而一旦采用电磁屏蔽措施，虽然有效的提高了抗电磁干扰的能力，但同时丧失了对外部物体进行分类识别和判断接近速度及距离的能力，即无法实现接触觉功能。
第三、当形成传感器矩阵时，无法避免相邻传感器单元的电场串扰。
近年来，国内外的研究者发表了众多的论文和专利文献，大体上可以分为以下2大类：
仅具有压觉和/或滑觉功能，即仅能测量三维力的传感器，其中又分为有屏蔽和无屏蔽措施两小类：例如：
申请号为CN201410245030专利公开了一种全柔性电容式触觉传感器该专利将平行板电容的上极板直接接地作为屏蔽层，虽然提高了抗干扰能力，但由于屏蔽层内部电场线无法穿越屏蔽层，因而丧失了对外部物体的分类识别和接近程度的功能，不能实现接触觉。
公开号US2008/0174321A1专利公开了一种可同时测量物体接近和滑觉的电容传感器，该传感器可以在两种模式下工作，该专利的电容电极采用上下两层结构，上层由两个电极构成平面电容，可以实现接触觉的对外部物体分类识识别的功能，但无法实现接触觉的对外部物体接近程度的测量，其上层电极和下层电极又可以形成平行板电容，可以实现压觉的法向力测量，但无法实现切向力的测量，该专利无法实现屏蔽或差分等任何抗干扰措施。当形成矩阵时也无法实现任何抗串扰措施。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电容式触摸传感器。
本发明提供的一种电容式触摸传感器，其技术方案为：
本发明提供的一种电容式触摸传感器，其特征在于：所述触摸传感器包括多个传感器单元，每个传感器单元包括4个多功能层，各多功能层包含对应的一个的区域，4个多功能层构成两个电容C1和C2，所述电容C1和C2用于判别外部物体的识别和接近程度；
每个多功能层的内部均设置有两层电极，上层为十字形公共电极，下层为与上层十字型公共电极对应的4个独立电极，所述十字形公共电极和4个独立电极构成4个平行板电容；所述十字型公共电极接激励信号，独立电极接模数转换电路，所述平行板电容用于测定三维力的大小和方向；
当受到切向力时，平行板电容的对应极板的面积变化，从而测定切向力的大小和方向；当受到法向力时，平行板电容的两极板之间的间距变化，从而测定法向力的大小和方向；当受到滑动力时，平行板电容受到的法向力和切向力将发生震动，使得平行板电容的间距和面积均变化，从而测定滑动力的大小和方向。
本发明提供的一种电容式触摸传感器，还包括如下附属技术方案：
其中，第一多功能层和第三多功能层等高且相对设置，第二多功能层和第四多功能层等高且相对设置；第一多功能层和第三多功能层的中心距为d1，第二多功能层和第四多功能层的中心距为d2，d1与d2的比值为1.2-5；第一多功能层与第三多功能层的高度为h1，第二多功能层和第四多功能层的高度为h2，h1与h2的差值为1-3mm。
其中，每个多功能层包含的区域包括与多功能层对应的上部和底部，上部由柔性导电材料构成，柔性导电材料的外部设置有由柔性绝缘材料构成的保护层，底部包括多层PCB板或FPC板，PCB板或FPC板下面设置有柔性绝缘层，柔性绝缘层下面设置有由模拟开关控制的接地屏蔽层，由模拟开关控制的接地屏蔽层下面设置有绝缘保护层；第一层PCB板或FPC板上设置有与每个多功能层对应的环状电极，第二层PCB板或FPC板上设置有圆形电极，圆形电极上设置有过孔，所述过孔连接环状电极与圆形电极，以形成独立的导电区域，所述上部与底部之间电连接；所述上层十字型公共电极通过设置在所述多功能层内部的中心导电柱电连接在所述第一层PCB板或FPC板上，所述下层独立电极直接设置在所述第一层PCB板或FPC板上。
其中，所述多功能层覆盖在所述上层十字型公共电极和下层独立电极的外部；所述多功能层通过模拟开关分别接地或者连接到多功能层内部的平行板电容激励信号，实现多功能层的接地屏蔽或接等电位屏蔽；
将多功能层的模拟开关切换到接地位置，即可将多功能层接地，以实现对外部电磁信号的接地屏蔽；
将多功能层的模拟开关切换到接对应平行板电容公共电极的激励信号，使多功能层与平行板电容的公共电极形成等电位，以实现对外部电磁信号的等电位屏蔽。
其中，所述多功能层通过模拟开关连接在处理器上，所述处理器连接在外电路上；
所述多功能层通过模拟开关的分时切换及总线的控制来分区域屏蔽传感器：
其中，一个测量周期T由两个子周期T1和T2构成：
在T1时，第一多功能层接多功能层的激励信号，第三多功能层接模数转换电路，第二多功能层和第四多功能层同时接地，或第二多功能层和第四多功能层同时接其内部平行板电容公共电极的激励信号，将控制第一多功能层和第三多功能层内部平行板电容的模拟开关断开，同时将控制第二多功能层和第四多功能层内部平行板电容的模拟开关接其内部平行板电容公共电极的激励信号，以使由第一多功能层和第三多功能层构成的电容C1在实现接触觉时既不受第二多功能层和第四多功能层的外部串扰，也不受第一多功能层和第三多功能层内部的平行板电容串扰，同时还能使第二多功能层和第四多功能层处于屏蔽状态下，其内部的平行板电容仍能处于工作状态，以测量三维力的变化；
在T2时，第二多功能层接多功能层的激励信号，第四多功能层接模数转换电路，第一多功能层和第三多功能层同时接地，或第一多功能层和第三多功能层同时接其内部平行板电容公共电极的激励信号，将控制第二多功能层和第四多功能层内部平行板电容的模拟开关断开，同时将控制第一多功能层和第三多功能层内部平行板电容的模拟开关接其内部平行板电容公共电极的激励信号，以使由第二多功能层和第四多功能层构成的电容C2在实现接触觉时既不受第一、三多功能的外部串扰，也不受第二多功能层和第四多功能层内部平行板电容的串扰，同时还能使第一多功能层和第三多功能层处于屏蔽状态下，其内部的平行板电容仍能处于工作状态，以测量三维力的变化；在接下来的T3周期内时，将处于屏蔽状态的传感器单元的4个多功能层同时接地，或同时接其内部平行板电容公共电极的激励信号，并将4个多功能层内部平行板电容的公共电极接通对应的公共电极的激励信号，使处于屏蔽状态的传感器单元能测三维力的变化，其中的T3＝T。
其中，所述测量周期T为1-20ms，且T1＝T2＝0.5T。
其中，所述柔性导电材料为有机导电银胶材料，所述有机导电银胶材料与所述多功能层之间设有导电银胶粘结层。
其中，所述多功能层的上部和底部之间通过导电胶粘结或压接形成电连；所述导电柱通过焊接、压接或导电胶电连接在所述第一层PCB板或FPC板上。
本发明还提供了一种电子皮肤，其特征在于，包括如上述任一项所述的电容式触摸传感器。
本发明还提供了一种智能机器人，其特征在于，包括如上述的电子皮肤。
本发明还提供了一种人工智能假肢，其特征在于，包括如上述的电子皮肤。
本发明的实施包括以下技术效果：
本发明的一种电容式触摸传感器，借助多功能层可以完整实现触摸传感器的全部功能要求：第一，多功能层本身可以形成电容的电极，完整实现接触觉功能要求；第二，多功能层可以作为其内部包含的多个平行板电容的电磁屏蔽层，从而在有效提高了三维力测量抗干扰能力的前提下，还可以实现接触觉的全部功能；第三，当形成传感器矩阵时，多功能层可以用来实现分区域屏蔽式扫描，有效地避免了相邻传感器单元的串扰问题。
附图说明
图1为本发明的传感器单元的外观结构图。
图2为本发明的一种方式的多功能层的布置图。
图3为本发明的另一种方式的多功能层的布置图。
图4为本发明的再一种方式的多功能层的布置图。
图5为本发明的传感器单元的分层图。
图6为本发明的一个实施例中串感器单元的爆炸图。
图7为本发明的多功能层的电场线分布图。
图8为本发明的外部物体未进入电容C1和C2电场线分布区域时的电场线分布图。
图9为本发明的外部物体进入了电容C1电场线分布区域，但未进入电容C2电场线分布区域时的电场线分布图。
图10为本发明的外部物体进入电容C1和C2电场线分布区域时的电场线分布图。
图11为本发明的外部物体接触到电容C1，但未接触到电容C2时的电场线分布图。
图12为本发明的外部物体同时接触到电容C1和C2时的电场线分布图。
图13为传统传感器的矩阵扫描图。
图14为本发明的分区域屏蔽式矩阵扫描图。
图15为本发明的一个实施例中多功能区域的剖面图。
图16为本发明的一个实施例中平行板电容的结构图。
图17为本发明的一个实施例中平行板电容未受力时的示意图。
图18为本发明的一个实施例中平行板电容受到法向力时的示意图。
图19为本发明的一个实施例中平行板电容受到切力时的示意图。
图20为本发明的一个实施例中平行板电容受到滑动力时的示意图。
图21为本发明的一个实施例中的电路控制图。
图22为本发明的一个实施例中的传感器单元的等效电路图。
图23为本发明的另一个实施例中的多功能层的剖面图。
图24为图23的局部爆炸图。
图25为本发明的另一个实施例中压敏电阻受热膨胀时的示意图。
图26为本发明的另一个实施例中压敏电阻遇冷收缩时的示意图。
图27为本发明的另一个实施例中的传感器单元的等效电路图。
具体实施方式
下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，本实施例提供的一种电容式触摸传感器，所述触摸传感器包括多个传感器单元，每个传感器单元包括4个多功能层包含的区域，4个多功能层两两相对布置，可以以两对中心连接线的交点为圆心，按任意角度布置。如图2所示，4个多功能层正交布置，即，按90度角布置；如图3所示，4个多功能层水平布置，即，按0度角布置；如图4所示，4个多功能层按45度角布置。
如图5、6所示，每个多功能层包含对应的区域包括与多功能层对应的上部11和底部，上部11由柔性导电材料构成，柔性导电材料的外部设置有由柔性绝缘材料构成的保护层12，底部包括多层PCB板或FPC板，PCB板或FPC板下面设置有柔性绝缘层17，柔性绝缘层17下面设置有由模拟开关控制的接地屏蔽层18，由模拟开关控制的接地屏蔽层18下面设置有绝缘保护层19；第一层PCB板或FPC板14上设置有与每个多功能层对应的环状电极141，第二层PCB板或FPC板15上设置有圆形电极151，圆形电极151上设置有过孔152，过孔152用于连接环状电极141与圆形电极151，以形成独立的导电区域，所述由柔性导电材料组成的上部11与第二层PCB板或FPC板15形成完整的多功能层，由于单层PCB板或FPC板的厚度只有0.025mm，因此能完全满足多功能层作为屏蔽层功能的需要。触摸传感器单元的电子器件布置在第三层PCB板或FPC板16的下表面162上，第三层PCB板或FPC板16的上表面161和下表面162用于电子电路布线；如图6所示，在每一个多功能层对应的区域内部填充柔性绝缘材料13，所述柔性绝缘材料13使上下两层电极以及多功能层之间相互绝缘；所述上层十字型公共电极6通过设置在所述多功能层内部的中心导电柱20电连接在所述第一层PCB板或FPC板上，所述下层独立电极7直接设置在所述第一层PCB板或FPC板141上；所述上层十字型公共电极和下层独立电极之间的距离为0.5-3mm。
优选地，所述传感器单元的体积为1mm3-100mm3。
优选地，所述由模拟开关控制的接地屏蔽层18采用有机硅导电银胶材料制作，所述绝缘保护层19采用PDMS材料制作。
优选地，所述柔性导电材料为有机导电银胶材料，所述有机导电银胶材料与所述多功能层通过导电银胶粘结。
优选地，所述多功能层的上部11和底部之间通过导电胶粘结或压接形成电连接；所述导电柱20通过焊接、压接或导电胶电连接在所述第一层PCB板或FPC板141上。
为便于说明，本实施例以水平布置为例。如图7所示，本实施例的4个多功能层中，第一多功能层1与第三多功能层3构成电容C1，第二多功能层2与第四多功能层4构成电容C2，图中长虚线表示电容C1的电场分布，短虚线表示电容C2的电场分布，第一多功能层1与第三多功能层3高于第二多功能层2与第四多功能层4，且第一多功能层1与第三多功能层3的中心距大于第二多功能层2与第四多功能层4。如此设置，使得电容C1的电场线分布区域高于电容C2的电场线分布区域。如图8所示，当外部物体5未进入电容C1和电容C2的电场线分布区域时，电容C1和电容C2的电场线分布区域的介质均为空气，电容C1和电容C2的电容值会随环境温度和湿度变化等比例变化，这个等比变化的特性可以用数字差分算法消除环境温度、湿度变化的影响。如图9所示，当外部物体5进入电容C1的电场线分布区域，而未进入电容C2的电场线分布区域时，由于不同材质的物体的介电常数不同，电容C1的电容量将发生变化，C1的电容量的变化量与外部物体的介电常数近似成正比，C2的电容量不变；如图10所示，当外部物体5同时进入C1和C2的电场线分布区域时，C1和C2的电容量的变化量同时与物体的介电常数成正比，依据C1和C2的变化量和变化时间的关系可以算出外部物体的介电常数和接近距离、速度，从而实现对外部物体5的分类识别和接近程度判别功能。
需要说明的是，本实施例中，设置在每个传感器单元内部的多功能层的底部均设置在同一个平面上，因此，本实施例提供的电容可以视为类平面电容。
如图11所示，当外部物体5刚刚接触到传感器单元相对较高的第一多功能层1和第三多功能层3，而尚未接触到相对较低的第二多功能层2和第四多功能层4时，第一多功能层1和第三多功能层3内部的检测单元受力，而第二多功能层2和第四多功能层4内部的检测单元尚未受力，因而没有发生变化。当外部物体5进一步对传感器单元施加压力，如图12所示，第二多功能层2和第四多功能层4内部的检测单元也受到压力而发生变化。据此，能进一步准确地判别接触到外部物体的时刻，并准确地计算出外部物体接触传感器表面的速度。
本实施例提供的触摸传感器，当多个触摸传感器单元形成传感器矩阵时(用于智能仿生皮肤)，通过模拟开关和总线同步控制，可以实现分区域屏蔽式传感器矩阵扫描功能，以避免矩阵扫描时，相邻传感器单元的相互串扰。
现有技术的电容矩阵扫描方式如图13所示，其中行扫描线通过多路开关连接激励信号，列扫描线通过多路开关接电容输入测量通道。当选中某行和某列，例如第二行，第二列时，被选中行上的激励信号会同时施加到所有列的电容激励极，只有被选中列的电容输入级被接入电容测量通道，但此时在选中行上未被选中的相邻列上的电容的激励电极会对选中的电容产生串扰，此外，选中行上的连接线上的激励信号也会对选中电容造成串扰。
本实施例的分区域式屏蔽式扫描方式如图14所示，SPI总线通过地址位选择测量状态的传感器单元标记为O；未指定地址位的传感器单元标记为X接地屏蔽，因此不会对被选中的传感器单元造成串扰。被选中的传感器单元，其4个多功能层形成2个电容，用来实现触觉的功能，其激励信号来自与该传感器单元的内部。当传感器单元作为接地屏蔽单元吋，其4个多功能层同时接地，屏蔽区域的大小即被接地屏蔽的单元数可以根据实际需要选择。当传感器单元作为接地屏蔽单元时，其多功能层暂时丧失了接触觉的功能，但每个多功能层内部用于三维力测量的单元仍处于正常工作状态，以保证其仍具有压觉和滑觉功能。由于未被选中的传感器单元的4个多功能层均被接地，因而不会对相邻的被选中单元造成串扰。
实施例1
本实施例中，多功能层内部的用于检测三维力的检测单元为平行板电容。
每个传感器单元上的4个多功能层内部的平行板电容结构相同，为简化说明，我们仅以第一多功能层1的内部结构为例进行说明。
如图15、16、21、22所示，第一多功能层1的上层十字形公共电极6分别与下层对应设置的4个矩形独立电极7形成4个平行板电容C3、C4、C5、C6，第二多功能层2的上层十字形公共电极6分别与下层对应设置的4个矩形独立电极7形成4个平行板电容C7、C8、C9、C10，第三多功能层3的上层十字形公共电极6分别与下层对应设置的4个矩形独立电极7形成4个平行板电容C11、C12、C13、C14，第四多功能层4的上层十字形公共电极6分别与下层4个矩形独立电极7形成4个平行板电容C15、C16、C17、C18；其中公共电极6接激励信号，矩形电极7分别接入4个电容量模数转换通道。
为方便说明，仅以上层十字形公共电极6与下层矩形电极7组成的平行板电容C4、C5为例进行说明。
如图17所示，在未受到外力时，平行板电容C4的两极板之间的间距为a1、两极板之间的正对面积为s1，平行板电容C5的两极板之间的间距为a2、两极板之间的正对面积为s2，其中a1＝a2，s1＝s2，因此平行板电容C4和平行板电容C5的电容值也相等。当受到外部物体5的法向压力时，如图18所示，平行板电容C4的两极板之间的间距a1和平行板电容C5两极板之间的间距a2均发生变化，从而使平行板电容C4和平行板电容C5的电容值均发生变化。据此可以测定受到的法向力的大小和方向。当受到外部物体5的切向力时，如图19所示，平行板电容C4的两极板之间的正对面积s1和平行板电容C5的两极板之间的正对面积s2均发生变化，从而使平行板电容C4和平行板电容C5的电容值均发生变化。据此可以测定受到的切向力的大小；并且根据平行板电容C4和平行板电容C5的电容值的变化值的不同可以判断出受到的切向力方向。具体地，当受到图19中箭头所示的方向的切向力时，平行板电容C4的电容值变化值的绝对值大于平行板电容C5的电容值变化值的绝对值。当受到与图19中箭头所示的方向相反的切向力时，平行板电容C4的电容值变化值的绝对值小于平行板电容C5的电容值变化值的绝对值。可见，根据本实施例中平行板电容C4和平行板电容C5的电容值的变化值的不同可以判断出传感器受到的切向力的方向。当受到滑动力时，如图20所示，平行板电容C4和平行板电容C5受到的法向力和切向力将发生震动，引起平行板电容C4的两极板之间的间距a1和平行板电容C5的两极板之间的间距a2、以及平行板电容C4的两极板之间的正对面积s1和平行板电容C5的两极板之间的正对面积为s2均发生变化，从而导致平行板电容C4和平行板电容C5电容量发生波动。据此可以测定滑动的速度和方向。
本实施例中所述多功能层覆盖在所述上层十字型公共电极和下层独立电极的外部；其中，所述多功能层的形状可以为半球形或椭球形等；
所述多功能层用于对其内部的平行板电容实现电磁屏蔽功能，其实现电磁屏蔽的方式有两种：接地屏蔽和等电位屏蔽；
将多功能层的模拟开关切换到接地位置，即可将多功能层接地，以实现对外部电磁信号的接地屏蔽；将多功能层的模拟开关切换到接对应平行板电容公共电极的激励信号，使多功能层与平行板电容的公共电极形成等电位，以实现对外部电磁信号的等电位屏蔽。
具体地，本实施例的所述多功能层通过模拟开关连接在处理器上，所述处理器通过总线连接在外电路上；
所述多功能层能通过模拟开关的分时切换及总线的控制实现分区域屏蔽传感器的功能，在进行分区域扫描时：
如图21所示，将处于扫描状态的传感器单元执行下述T周期操作；其中，一个测量周期T由两个子周期T1和T2构成：
在T1时，第一多功能层1的模拟开关K1接多功能层激励信号S1，第三多功能层3的模拟开关K3接模数转换电路M1，第二多功能层2的模拟开关K2、第四多功能层4的模拟开关K4同时接地，或第二多功能层2的模拟开关K2接其内部平行板电容公共电极6的激励信号S2-1、第四多功能层4的模拟开关K4接其内部平行板电容公共电极6的激励信号S4-1，第一多功能层1内部平行板电容的模拟开关K1-1与第三多功能层3内部平行板电容的模拟开关K3-1均断开，以使电容C1在实现接触觉时既不受第二多功能层2和第四多功能层4外部串扰，也不受第一多功能层1和第三多功能层3内部平行板电容的串扰；同时，将控制第二多功能层2内部平行板电容的模拟开关K2-1接其内部平行板电容的公共电极6的激励信号S2-1、将控制第四多功能层4内部平行板电容的模拟开关K4-1接其内部平行板电容的公共电极6的激励信号S4-1，以使第二多功能层2和第四多功能层4处于屏蔽状态下，其内部的平行板电容仍能处于工作状态，以测量三维力的变化；
在T2时，第二多功能层2的模拟开关K2接多功能层激励信号S2，第四多功能层4的模拟开关K4接模数转换电路M2，第一多功能层1的模拟开关K1、第三多功能层3的模拟开关K3同时接地，或第一多功能层1的模拟开关K1接其平行板电容公共电极6的激励信号S1-1、第三多功能层3的模拟开关K3接其内部平行板电容公共电极6的激励信号S3-1，第二多功能层内部平行板电容的模拟开关K2-1与第四多功能层内部平行板电容的模拟开关K4-1均断开，以使电容C2在实现接触觉时既不受第一多功能层1和第三多功能层3的外部串扰，也不受第二多功能层2和第四多功能层4内部平行板电容的串扰；同时，将控制第一多功能层1内部平行板电容的模拟开关K1-1接其内部平行板电容的公共电极6的激励信号S1-1、将控制第三多功能层3内部平行板电容的模拟开关K3-1接其内部平行板电容的公共电极6的激励信号S3-1，以使第一多功能层1和第三多功能层3处于屏蔽状态下，其内部的平行板电容仍能处于工作状态，以测量三维力的变化；
将处于屏蔽状态的传感器单元执行下述T3周期操作；其中T3＝T：
在T3时，将处于屏蔽状态的传感器单元的4个多功能层的模拟开关K1、K2、K3、K4同时接地，或使4个多功能层的模拟开关K1、K2、K3、K4同时接其内部平行板电容公共电极6的激励信号S1-1、S2-1、S3-1、S4-1，并将控制4个多功能层内部平行板电容的公共电极的模拟开关K1-1、K2-1、K3-1、K4-1同时接其对应的平行板电容公共电极6的激励信号S1-1、S2-1、S3-1、S4-1，使处于屏蔽状态的传感器单元能测三维力的变化。
如图22所示，本实施例的电容测量采用ad1公司的7150芯片、处理器采用ARM-m0内核的32位处理器，外部通讯采用SPI总线。
优选地，所述测量周期T为1-20ms，且T1＝T2＝0.5T。
优选地，所述多功能层与所述平行板电容的结合能实现温觉功能。事实上，可以直接利用用于测量三维力的平行板电容测量温度，环境温度变化可以引起平行板电容之间的介质膨胀或收缩，从而改变平行板电容的间距，导致了电容量的变化。但是，现有的触摸传感器由于没有多功能层，无法区分电容的变化是由外部物体的压力引起的还是由于温度变化引起的，因而无法直接利用平行板电容实现触摸传感器的温觉。本实施例利用多功能层可以准确判定是否有外部物体接触摸传感器，在没有外部物体接触触摸传感器的情况下，由于多功能层的电磁屏蔽作用，引起内部平行板电容变化的唯一因素只能是温度，如图8、25所示，当环境温度升高时，平行板电容间的柔性绝缘物质将膨胀，引起平行板电容之间的间距变大，从而使4个平行板电容的电容值同比变小；反之，如图26所示，当环境温度降低时，平行板电容间的柔性绝缘物质将收缩，引起平行板电容之间的间距变小，从而使4个平行板电容的电容值同比变大，从而依据电容的变化量可以推算出温度的变化量。
如图11所示，当外部物体5接触到触摸传感器时，由于两对多功能层存在高度差，较高的第一多功能层1和第三多功能层3先受到压力，而较低的第二多功能层2和第四多功能层4尚未受到压力，如图25所示，若外部物体5的温度高于环境温度，由于热传感导的作用，未受到压力的第二多功能层2和第四多功能层4的内部平行板电容极板间的柔性绝缘物质将受热膨胀，从而引起其电容量同比减小；反之，如图26所示，若外部物体5的温度低于环境温度，由于热传感导的作用，未受到压力的第二多功能层和第四多功能层的内部平行板电容极板间的柔性绝缘物质将收缩，引起其电容量同比增大。从而依据第二多功能层2和第四多功能层内的平行板电容的电容量的变化可以推算出接触到外部物体的温度。
优选地，所述平行板电容的测量范围为0.001pf-100pf。
优选地，第一多功能层1和第三多功能层3的中心距为d1，第二多功能层2和第四多功能层4的中心距为d2，d1与d2的比值为1.2-5；第一多功能层1与第三多功能层3的高度为h1，第二多功能层2和第四多功能层4的高度为h2，h1与h2的差值为1-3mm。
实施例2
本实施例中，多功能层内部的用于检测三维力的检测单元为压敏电阻。
如图23-26所示，多功能层的结构和作用与实施例1中的多功能层的相同。但多功能层用于测量三维力的原理由平行板电容改为压敏电阻，多功能层内部电极结构不变，但上层十字型公共电极6和下层矩形独立电极7之间增加了4个矩形柔性压敏电阻21，上层十字型公共电极6和下层4个矩形独立电极作为压敏电阻21的两极，当受到法向力时，4个压敏电阻21受到同样的变形压力，当受到切向力和滑动力时，4个压敏电阻21受到不同的变形压力，依据四个电阻的变化可以测量三维力的变化。
本实施例中，所述多功能层覆盖在所述上层十字型公共电极、压敏电阻和下层独立电极的外部；其中，所述多功能层的形状可以为半球形或椭球形等。
优选地，所述多功能层与所述压敏电阻21的结合也能实现温觉功能。当温度变化时，多功能层内部用于测量三维力的四个压敏电阻也会受到温度变化的影响导致电阻的变化，从而也可以实现温觉功能，其测量原理与平行板电容测量温度的原理类似，故在此不再赘述。具体地，所述压敏电阻21采用导电橡胶压阻材料制成，力敏导电橡胶压阻材料是用特定的工艺将碳或其他高导电粒子均匀地分布到绝缘的柔性聚合物基体材料中制成的高分子材料，压阻材料的导电能力取决于内部导电粒子的密度。当压阻材料受到压力产生变形时，其内部的导电粒子的密度也将发生改变，从而使传感器两端的电阻发生变化，而根据电阻的变化，就可以测出多功能层内部的三维力的变化。
如图27所示，所述多功能层通过模拟开关连接在处理器上，所述处理器通过总线连接在外电路上；由模拟开关控制的多功能层和多功能层内部的压敏电阻的功能是周期性分时切换的；其中一个测量周期T由两个子周期T1和T2构成：
T1周期时，第一多功能层1的模拟开关K1将第一多功能层1与多功能层激励信号S1接通，第三多功能层3的模拟开关K3将第三多功能层3与电容模数转换电路m1接通，使得第一多功能层1和第三多功能层3形成一个电容C1，第二多功能层2的模拟开关K2和第四多功能层4的模拟开关K4同时接地，而将控制第一多功能层1内部压敏电阻21的模拟开关K1-1和控制第三多功能层3内部压敏电阻21的模拟开关K3-1同时开路，使得电容C1在实现接触觉时既不受第二多功能层2和第四多功能层4的外部串扰，也不受第一多功能层1和第三多功能层3内部的串扰，与此同时，将控制第二多功能层2内部压敏电阻21的模拟开关K2-1和控制第四多功能层4内部压敏电阻21的模拟开关K4-1与其内部的压敏电阻21的公共电极6接通，使得第二多功能层2和第四多功能层4在处于屏蔽状态下其内部的压敏电阻仍处于工作状态，仍能测量三维力的变化。
T2周期时，第二多功能层2的模拟开关K2将第二多功能层2与多功能层激励信号S2接通，第四多功能层4的模拟开关K4将第四多功能层4与电容模数转换电路m2接通，使得第二多功能层2和第四多功能层4形成一个电容C2，第一多功能层1的模拟开关K1和第三多功能层3的模拟开关K3同时接地，而将控制第二多功能层2内部压敏电阻21的模拟开关K2-1和控制第四多功能层4内部压敏电阻21的模拟开关K4-1同时开路，使得电容C2在实现接触觉时既不受第一多功能层1和第三多功能层3的外部串扰，也不受第二多功能层2和第四多功能层4内部的串扰，与此同时，将控制第一多功能层1内部压敏电阻21的模拟开关K1-1和控制第三多功能层3内部压敏电阻21的模拟开关K3-1与其内部的压敏电阻21的公共电极6接通，使得第一多功能层1和第三多功能层3处于屏蔽状态下其内部的压敏电阻处于工作状态，仍能测量三维力的变化。
测量周期T的时间应控制在1至20ms之间，T1＝T2＝1/2T。
当进行分区域矩阵式扫描时，被选中处于测量状态的传感器单元执行上述T周期，被选中作为屏蔽区域的传感器单元执行一个特殊的周期T3。
将处于屏蔽状态的传感器单元的4个多功能层的模拟开关K1、K2、K3、K4接地，同时使控制4个多功能层内部压敏电阻21的模拟开关K1-1、K2-1、K3-1、K4-1接其内部压敏电阻21的十字型公共电极6，使处于屏蔽状态的传感器单元能测三维力的变化。
如图27所示，本实施例的电容测量采用ad1公司的7150芯片、处理器采用ARM-m0内核的32位处理器，外部通讯采用SPI总线。
优选地，所述测量周期T为1-20ms，且T1＝T2＝0.5T。
本申请的另一方面还涉及一种包括上述电容式触摸传感器的电子皮肤，由于改进点仅涉及人工皮肤上的传感器，而其他部件均可以采用现有技术中比较成熟的技术。所以，本申请不再对电子皮肤的其他部件进行描述。
本申请的再一方面还涉及一种包括上述电子皮肤的机器人，由于改进点仅涉及电子皮肤上的接触传感器，而其他部件均可以采用现有技术中比较成熟的技术。所以，本申请不再对智能机器人的其他部件进行描述。
本申请的又一方面还涉及一种包括上述电子皮肤的人工智能假肢，由于改进点仅涉及人工皮肤上的接触传感器，而其他部件均可以采用现有技术中比较成熟的技术。所以，本申请不再对人工智能假肢的其他部件进行描述。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (11)
1.一种电容式触摸传感器，其特征在于：所述触摸传感器包括多个传感器单元，每个传感器单元包括4个多功能层，各多功能层包含对应的一个区域，4个多功能层构成两个电容C1和C2；
每个多功能层的内部均设置有两层电极，上层为十字形公共电极，下层为与上层十字型公共电极对应的4个独立电极，所述十字形公共电极和4个独立电极构成4个平行板电容；所述十字型公共电极接激励信号，独立电极接模数转换电路。
2.根据权利要求1所述的一种电容式触摸传感器，其特征在于：第一多功能层和第三多功能层等高且相对设置，第二多功能层和第四多功能层等高且相对设置；第一多功能层和第三多功能层的中心距为d1，第二多功能层和第四多功能层的中心距为d2，d1与d2的比值为1.2-5；第一多功能层与第三多功能层的高度为h1，第二多功能层和第四多功能层的高度为h2，h1与h2的差值为1-3mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种电容式触摸传感器，其特征在于：每个多功能层包含的区域包括与多功能层对应的上部和底部，上部由柔性导电材料构成，柔性导电材料的外部设置有由柔性绝缘材料构成的保护层，底部包括多层PCB板或FPC板，PCB板或FPC板下面设置有柔性绝缘层，柔性绝缘层下面设置有由模拟开关控制的接地屏蔽层，由模拟开关控制的接地屏蔽层下面设置有绝缘保护层；第一层PCB板或FPC板上设置有与每个多功能层对应的环状电极，第二层PCB板或FPC板上设置有圆形电极，圆形电极上设置有过孔，所述过孔连接环状电极与圆形电极，以形成独立的导电区域，所述上部与底部之间电连接；所述上层十字型公共电极通过设置在所述多功能层内部的中心导电柱电连接在所述第一层PCB板或FPC板上，所述下层独立电极直接设置在所述第一层PCB板或FPC板上。
4.根据权利要求1或2所述的一种电容式触摸传感器，其特征在于：所述多功能层覆盖在所述上层十字型公共电极和下层独立电极的外部；所述多功能层通过模拟开关分别接地或者连接到多功能层内部的平行板电容激励信号，实现多功能层的接地屏蔽或接等电位屏蔽。
5.根据权利要求4所述的一种电容式触摸传感器，其特征在于：所述多功能层通过模拟开关连接在处理器上，所述处理器连接在外电路上；
所述多功能层通过模拟开关的分时切换及总线的控制来分区域屏蔽传感器：其中，每个测量周期T由两个子周期T1和T2构成：
在T1时，第一多功能层接多功能层的激励信号，第三多功能层接模数转换电路，第二多功能层和第四多功能层同时接地，或第二多功能层和第四多功能层同时接其内部平行板电容公共电极的激励信号；将控制第一多功能层和第三多功能层内部平行板电容的模拟开关断开，同时将控制第二多功能层和第四多功能层内部平行板电容的模拟开关接其内部平行板电容公共电极的激励信号；
在T2时，第二多功能层接多功能层的激励信号，第四多功能层接模数转换电路，第一多功能层和第三多功能层同时接地，或第一多功能层和第三多功能层同时接其内部平行板电容公共电极的激励信号；将控制第二多功能层和第四多功能层内部平行板电容的模拟开关断开，同时将控制第一多功能层和第三多功能层内部平行板电容的模拟开关接其内部平行板电容公共电极的激励信号；
在接下来的T3周期内，将处于屏蔽状态的传感器单元的4个多功能层同时接地，或同时接其内部平行板电容公共电极的激励信号，并将4个多功能层内部平行板电容的公共电极接通对应的公共电极的激励信号，使处于屏蔽状态的传感器单元能测三维力的变化，其中的T3＝T。
6.根据权利要求5所述的一种电容式触摸传感器，其特征在于：所述测量周期T为1-20ms，且T1＝T2＝0.5T。
7.根据权利要求3所述的一种电容式触摸传感器，其特征在于：所述柔性导电材料为有机导电银胶材料，所述有机导电银胶材料与所述多功能层之间设有导电银胶粘结层。
8.根据权利要求7所述的一种电容式触摸传感器，其特征在于：所述多功能层的上部和底部之间通过导电胶粘结或压接形成电连接；所述导电柱通过焊接、压接或导电胶电连接在所述第一层PCB板或FPC板上。
9.一种电子皮肤，其特征在于：包括如权利要求1-8中任一项所述的一种电容式触摸传感器。
10.一种智能机器人，其特征在于，包括如权利要求9所述的电子皮肤。
11.一种人工智能假肢，其特征在于，包括如权利要求9所述的电子皮肤。
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