CN108709585B - 一种人工皮肤及其检测压力、温湿度和调节温度的方法 - Google Patents

一种人工皮肤及其检测压力、温湿度和调节温度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种人工皮肤，包括信号采集部分和后端电路，信号采集部分包括至少一个检测单元，检测单元包括湿度敏感材料层和压电材料层；湿度敏感材料层和压电材料层之间设有具有间隔的第三电极和第六电极；第三电极和压电材料层之间设置有具有间隔的第一电极和第二电极，第三电极和第一电极之间设置有N极化半导体材料层，第三电极和第二电极之间设置有P极化半导体材料层；第六电极和压电材料层之间设置有具有间隔的第四电极和第五电极，第六电极和第四电极之间设置有N极化半导体材料层，第六电极和第五电极之间设置有P极化半导体材料层。本发明结构简单，不但具备压力和温湿度检测功能，还具备调节温度的功能，适用于人工智能技术领域。

Description

一种人工皮肤及其检测压力、温湿度和调节温度的方法
技术领域
本发明属于人工智能技术领域，涉及一种人工智能皮肤，具体地说是一种人工皮肤及其检测压力、温湿度和调节温度的方法。
背景技术
随着机器人和电子医疗技术的高速发展，人工智能皮肤受到广泛的关注。人工智能皮肤是用功能性材料来模仿人体皮肤的产品。传统的人工智能皮肤大都采用传感器等电路结构采集信号，结构复杂不利于小型化和集成化，不宜扩展到大面积，并且检测灵敏度低、不具备智能检测功能。
公开号为CN 107374780A的中国发明专利公开了一种人工智能皮肤及其检测温湿度和压力的方法，该项技术的人工智能皮肤的信号采集部分包括的层数太多，结构复杂，同时其不具备调节温度的功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种人工皮肤，其结构简单、检测精确度高，不但具备检测压力和温湿度的功能，还具有温度反馈功能；本发明的另外一个目的是提供利用上述人工皮肤实现的检测压力、温湿度和调节温度的方法。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：
一种人工皮肤，包括信号采集部分和后端电路，所述信号采集部分包括至少一个检测单元，所述检测单元包括湿度敏感材料层和压电材料层；
所述湿度敏感材料层和压电材料层之间设置有具有间隔的第三电极和第六电极；
所述第三电极和压电材料层之间设置有具有间隔的第一电极和第二电极，第三电极和第一电极之间设置有N极化半导体材料层，第三电极和第二电极之间设置有P极化半导体材料层；
所述第六电极和压电材料层之间设置有具有间隔的第四电极和第五电极，第六电极和第四电极之间设置有N极化半导体材料层，第六电极和第五电极之间设置有P极化半导体材料层；
所述第三电极和第六电极均为温敏电极，第三电极作为第一温度检测组，第六电极作为第二温度检测组，第三电极和第六电极利用边缘效应形成电容，第三电极和第六电极之间的湿度敏感材料层作为所述电容的介电层，所述电容作为湿度检测组；
所述第一电极结合压电材料层形成第一压力检测组，第二电极结合压电材料层形成第二压力检测组，第四电极结合压电材料层形成第三压力检测组，第五电极结合压电材料层形成第四压力检测组；
所述第三电极、第二电极、第一电极结合三者所对应的N极化半导体材料层、P极化半导体材料层一起组成具有热电效应且用于调节温度的第一调温组；
所述第六电极、第四电极、第五电极结合三者所对应的N极化半导体材料层、P极化半导体材料层一起组成具有热电效应且用于调节温度的第二调温组。
作为限定：所述第六电极和第三电极的结构完全相同，第一电极和第二电极的结构完全相同，第四电极和第五电极的结构完全相同。
一种检测压力、温湿度的方法，利用上述的人工皮肤实现，该方法包括依次进行的以下步骤：
一、在第三电极和第六电极上分别施加一直流电流信号/直流电压信号/正负相间的方波信号，在第三电极和第六电极两端施加一交流电流信号/交流电压信号；
二、当第一电极/第二电极/第四电极/第五电极对应的人工皮肤外表面的压力发生变化时，压电材料层表面产生电荷，当第三电极/第六电极所对应的人工皮肤外表面的温度发生变化时，第三电极/第六电极的电阻率发生变化从而引起第三电极/第六电极的阻值发生变化，第一温度检测组/第二温度检测组将包含所述电阻值变化信息的直流电流信号/直流电压信号/正负相间的方波信号输出至后端电路，当第三电极和第六电极所对应的人工皮肤外表面的湿度发生变化时，二者之间的湿度敏感材料层的介电常数发生变化从而引起湿度检测组的电容的容值发生变化，湿度检测组将包含所述电容值变化信息的交流电流信号/交流电压信号输出至后端电路；
三、后端电路收集步骤二中压电材料层表面产生的电荷并进一步处理形成交流模拟电信号并处理计算出其所对应的压力值，后端电路将所述含有电阻值变化信息的电信号处理并计算出其所对应的温度值，后端电路将含有所述互感电容信息的电信号处理并计算得出其所对应的湿度值。
一种调节温度的方法，利用上述的人工皮肤实现，该方法包括以下步骤：
（一）在第一电极和第二电极两端施加一直流电压信号，在第四电极和第五电极两端施加一直流电压信号；
（二）调节第一电极和第二电极两端的电压值，二者所对应的N极化半导体材料层和P极化半导体材料层中产生电荷堆积，进而引起第三电极的温度值发生相应的变化；调节第四电极和第五电极两端的电压值，二者所对应的N极化半导体材料层和P极化半导体材料层中产生电荷堆积，进而引起第六电极的温度值发生相应的变化。
本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
（1）本发明的人工皮肤结构简单，检测精确度高；
（2）本发明与现有的人工皮肤相比，简化了结构，厚度降低，不但使人工皮肤的柔性和弹性增加，用途更加广泛，还减小了成本，便于大批量生产
（3）本发明的人工皮肤采用包含N极化和P极化半导体材料组成具有热点效应的电路，使得本发明不但具备检测压力和温湿度的功能，还具备调节温度的功能；
（4）本发明采用第三电极和第六电极一方面用于组成温度检测组，另一方面用于组成湿度检测组，结构巧妙；
（5）本发明不但公开了利用所述人工皮肤检测温湿度和压力的方法，还提供了利用其调节温度的方法，在人工皮肤技术领域具有开拓性。
本发明适用于人工智能技术领域。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明实施例1的纵切面结构示意图。
图中：1、N极化半导体材料层，2、P极化半导体材料层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例 1 一种人工皮肤
如图1所示，本实施例包括信号采集部分和后端电路，信号采集部分包括至少一个检测单元，检测单元包括湿度敏感材料层和压电材料层。
湿度敏感材料层和压电材料层之间设置有结构相同的第三电极和第六电极，第三电极和第六电极之间具有间隔；
第三电极和压电材料层之间设置有结构相同的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极之间具有间隔，第三电极和第一电极之间设置有N极化半导体材料层1，第三电极和第二电极之间设置有P极化半导体材料层2；
第六电极和压电材料层之间设置有结构相同的第四电极和第五电极，第四电极和第五电极之间具有间隔，第六电极和第四电极之间设置有N极化半导体材料层1，第六电极和第五电极之间设置有P极化半导体材料层2。
在本实施例中，第三电极和第六电极均为温敏电极，第三电极作为第一温度检测组，第六电极作为第二温度检测组，第三电极和第六电极利用边缘效应形成电容，第三电极和第六电极之间的湿度敏感材料层作为所述电容的介电层，所述电容作为湿度检测组；第一电极结合压电材料层形成第一压力检测组，第二电极结合压电材料层形成第二压力检测组，第四电极结合压电材料层形成第三压力检测组，第五电极结合压电材料层形成第四压力检测组；第三电极、第二电极、第一电极结合三者所对应的N极化半导体材料层、P极化半导体材料层一起组成具有热电效应且用于调节温度的第一调温组；第六电极、第四电极、第五电极结合三者所对应的N极化半导体材料层、P极化半导体材料层一起组成具有热电效应且用于调节温度的第二调温组。
实施例2 一种检测压力、温湿度的方法
本实施例采用实施例1来实现，包括依次进行的以下步骤：
一、在第三电极和第六电极上分别施加一直流电流信号/直流电压信号/正负相间的方波信号，在第三电极和第六电极两端施加一交流电流信号/交流电压信号；
二、当第一电极/第二电极/第四电极/第五电极对应的人工皮肤外表面的压力发生变化时，压电材料层表面产生电荷，当第三电极/第六电极所对应的人工皮肤外表面的温度发生变化时，第三电极/第六电极的电阻率发生变化从而引起第三电极/第六电极的阻值发生变化，第一温度检测组/第二温度检测组将包含所述电阻值变化信息的直流电流信号/直流电压信号/正负相间的方波信号输出至后端电路，当第三电极和第六电极所对应的人工皮肤外表面的湿度发生变化时，二者之间的湿度敏感材料层的介电常数发生变化从而引起湿度检测组的电容的容值发生变化，湿度检测组将包含所述电容值变化信息的交流电流信号/交流电压信号输出至后端电路；
三、后端电路收集步骤二中压电材料层表面产生的电荷并进一步处理形成交流模拟电信号并处理计算出其所对应的压力值，后端电路将所述含有电阻值变化信息的电信号处理并计算出其所对应的温度值，后端电路将含有所述互感电容信息的电信号处理并计算得出其所对应的湿度值。
实施例3 一种调节温度的方法
本实施例采用实施例1来实现，包括以下步骤：
（一）在第一电极和第二电极两端施加一直流电压信号，在第四电极和第五电极两端施加一直流电压信号；
（二）调节第一电极和第二电极两端的电压值，二者所对应的N极化半导体材料层1和P极化半导体材料层2中产生电荷堆积，进而引起第三电极的温度值发生相应的变化；调节第四电极和第五电极两端的电压值，二者所对应的N极化半导体材料层1和P极化半导体材料层2中产生电荷堆积，进而引起第六电极的温度值发生相应的变化。

Claims (4)

1.一种人工皮肤，包括信号采集部分和后端电路，其特征在于：所述信号采集部分包括至少一个检测单元，所述检测单元包括湿度敏感材料层和压电材料层；
所述湿度敏感材料层和压电材料层之间设置有具有间隔的第三电极和第六电极；
所述第三电极和压电材料层之间设置有具有间隔的第一电极和第二电极，第三电极和第一电极之间设置有N极化半导体材料层，第三电极和第二电极之间设置有P极化半导体材料层；
所述第六电极和压电材料层之间设置有具有间隔的第四电极和第五电极，第六电极和第四电极之间设置有N极化半导体材料层，第六电极和第五电极之间设置有P极化半导体材料层；
所述第三电极和第六电极均为温敏电极，第三电极作为第一温度检测组，第六电极作为第二温度检测组，第三电极和第六电极利用边缘效应形成电容，第三电极和第六电极之间的湿度敏感材料层作为所述电容的介电层，所述电容作为湿度检测组；
所述第一电极结合压电材料层形成第一压力检测组，第二电极结合压电材料层形成第二压力检测组，第四电极结合压电材料层形成第三压力检测组，第五电极结合压电材料层形成第四压力检测组；
所述第三电极、第二电极、第一电极结合三者所对应的N极化半导体材料层、P极化半导体材料层一起组成具有热电效应且用于调节温度的第一调温组；
所述第六电极、第四电极、第五电极结合三者所对应的N极化半导体材料层、P极化半导体材料层一起组成具有热电效应且用于调节温度的第二调温组。
2.根据权利要求1所述的一种人工皮肤，其特征在于：所述第六电极和第三电极的结构完全相同，第一电极和第二电极的结构完全相同，第四电极和第五电极的结构完全相同。
3.一种检测压力、温湿度的方法，利用权利要求1或2所述的人工皮肤实现，其特征在于该方法包括依次进行的以下步骤：
一、在第三电极和第六电极上分别施加一直流电流信号/直流电压信号/正负相间的方波信号，在第三电极和第六电极两端施加一交流电流信号/交流电压信号；
二、当第一电极/第二电极/第四电极/第五电极对应的人工皮肤外表面的压力发生变化时，压电材料层表面产生电荷，当第三电极/第六电极所对应的人工皮肤外表面的温度发生变化时，第三电极/第六电极的电阻率发生变化从而引起第三电极/第六电极的阻值发生变化，第一温度检测组/第二温度检测组将包含电阻值变化信息的直流电流信号/直流电压信号/正负相间的方波信号输出至后端电路，当第三电极和第六电极所对应的人工皮肤外表面的湿度发生变化时，二者之间的湿度敏感材料层的介电常数发生变化从而引起湿度检测组的电容的容值发生变化，湿度检测组将包含电容值变化信息的交流电流信号/交流电压信号输出至后端电路；
三、后端电路收集步骤二中压电材料层表面产生的电荷并进一步处理形成交流模拟电信号并处理计算出其所对应的压力值，后端电路将含有电阻值变化信息的电信号处理并计算出其所对应的温度值，后端电路将含有互感电容信息的电信号处理并计算得出其所对应的湿度值。
4.一种调节温度的方法，利用权利要求1或2所述的人工皮肤实现，其特征在于该方法包括以下步骤：
（一）在第一电极和第二电极两端施加一直流电压信号，在第四电极和第五电极两端施加一直流电压信号；
（二）调节第一电极和第二电极两端的电压值，二者所对应的N极化半导体材料层和P极化半导体材料层中产生电荷堆积，进而引起第三电极的温度值发生相应的变化；调节第四电极和第五电极两端的电压值，二者所对应的N极化半导体材料层和P极化半导体材料层中产生电荷堆积，进而引起第六电极的温度值发生相应的变化。
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