CN109341727B - 一种柔性可拉伸式传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性可拉伸式传感器，属于传感器技术领域，解决了现有柔性可拉伸式传感器易损坏、探测结果不准确、电路设计不合理的问题。本发明公开的柔性可拉伸式传感器包括M×N个探测单元排列形成的M×N阵列；其中，每个所述探测单元包括可拉伸部分和不可拉伸部分；每个探测单元的传感模块设置于不可拉伸部分，通过可拉伸部分设置的导线与相邻探测单元的传感模块连接。使用时，通过可拉伸部分实现宏观的拉伸功能，同时不影响不可拉伸部分的探测功能。通过不可拉伸部分的结构设计，能够避免传感模块被拉伸导致电学性能变差，使得传感器读出数值稳定、可靠。并且，利用阵列化设计，使得整个系统结构尺寸较小，控制电路简单，且成本低廉。

Description

一种柔性可拉伸式传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种柔性可拉伸式传感器。

背景技术

皮肤是人体最大的感觉器官，其具有柔软性、可延展性(可拉伸性)、阵列性和良好的感知性等特性。电子皮肤是在功能和结构形态上模拟人体皮肤，一般采用柔性可拉伸式传感器来实现。

现有的柔性可拉伸式传感器，一般采用在柔性衬底上设置柔性传感器来实现。当柔性衬底被拉伸时，设置在其上方的柔性传感器和相应的电子器件也将被拉伸。柔性传感器是一种高精密的传感器件，其灵敏度与传感器的结构、材料和电学特性直接相关，在拉伸过程中，由于柔性传感器结构发生扭曲、材料改性、电学特性发生改变，导致柔性传感器工作性能下降，甚至发生损坏。

现有技术中，为了精确地读出柔性传感器的传感数值，一般需要配置高精度的读出电路。在拉伸过程中，由于读出电路的电学特性发生了变化，读出数值的稳定性也将变差，无法获得准确数值。与此同时，当柔性可拉伸式传感器排列形成的阵列规模逐渐增大时，读出信号线的数量将呈指数级剧增，保证柔性传感器阵列单元之间的信号不发生串扰非常困难。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种柔性可拉伸式传感器，用以解决现有柔性可拉伸式传感器易损坏、探测结果不准确、电路设计不合理的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种柔性可拉伸式传感器，包括M×N个探测单元排列形成的M×N阵列；其中，每个所述探测单元包括可拉伸部分和不可拉伸部分；每个探测单元的传感模块设置于不可拉伸部分，通过可拉伸部分设置的传输导线与相邻探测单元的传感模块连接；

所述不可拉伸部分，用于所述探测单元选通后，通过传感模块采集外部传感信息，并将所述外部传感信息转换成电信号传输至处理器进行处理；

所述可拉伸部分，用于在外力作用下进行拉伸，改变探测单元的形状，并通过设置的所述传输导线选通所述探测单元的传感模块采集信息。

上述技术方案的有益效果如下：使用时，通过可拉伸部分能够实现探测阵列宏观的拉伸功能，同时不影响不可拉伸部分传感模块的探测功能。通过不可拉伸部分的结构设计，能够避免传感模块被拉伸而导致其电学性能变差，能够使在探测单元在被拉伸状态下，上面的传感模块除了位置改变，不发生任何结构方面的变化，使得传感模块读出数值稳定、可靠。而且，利用阵列化设计，能够缩小整个系统的尺寸，降低整体电路设计的复杂度，节约成本。

基于上述方法的另一个实施例中，所述可拉伸部分可采用桥状结构，所述不可拉伸部分可采用岛状结构。

上述技术方案的有益效果是：对可拉伸部分和不可拉伸部分的具体结构进行限定，将桥状结构和岛状结构设计相结合，其中，桥状结构能够保证整个系统能够具备宏观的可拉伸功能，岛状结构的不可拉伸性能够保证位于其上的传感模块(传感器及其控制电路)不被拉伸，从而最大限度地保证传感器和控制电路的电子器件的工作性能和精度。

进一步，每个探测单元中，所述可拉伸部分还包括韧性基材结构一；所述传输导线设置于所述韧性基材结构一上表面，或被所述韧性基材结构一包覆；

所述不可拉伸部分还包括韧性基材结构二；所述传感模块包括传感器及其对应的控制电路，二者设置于所述韧性基材结构二的上表面。

上述进一步方案的有益效果是：对可拉伸部分和不可拉伸部分的组成进行了进一步限定。在可拉伸部分，通过韧性基材结构一对传输导线进行固定和保护，整个拉伸过程只是一种形态的变化，由弯曲状态被拉直，并不改变其组成内部结构改变，因此可以最大限度地保护导线的传输性能不受影响。在不可拉伸部分，通过韧性基材结构二对传感器及其对应的控制电路进行固定和保护，保证拉伸过程中，传感器及其对应的控制电路工作性能不发生任何变化，只发生位置改变。通过上述设计，使得整个传感器结构简单，使用方便。

进一步，每个所述探测单元还包括柔性基材结构；所述可拉伸部分和不可拉伸部分设置于所述柔性基材上的同一水平位置；

所述柔性基材结构，用于在外力作用下进行拉伸，改变探测单元可拉伸部分的形状，进而改变传感模块的位置。

上述进一步方案的有益效果是：通过设置柔性基材结构，能够使得整个柔性可拉伸式传感器具有良好的延展性，同时对可拉伸部分和不可拉伸部分具有限定作用，使用方便，结构合理。

进一步，所述控制电路包括半导体薄膜晶体管和电源；

所述M×N阵列中，每一行，所有半导体薄膜晶体管的栅极连接，并与对应的行选通信号连接；每一列，所有半导体薄膜晶体管的源极连接，并与对应的列选通信号连接；所有半导体薄膜晶体管的漏极通过对应传感器与电源连接。

上述进一步方案的有益效果是：创造性地将半导体薄膜晶体管应用在探测阵列的控制电路中，用作选通开关，能够大幅度降低探测阵列的引线数量和复杂度。

进一步，所述韧性基材结构一和所述韧性基材结构二的材料为PI、PET、PEN、PEI、PEEK、Paylene材料中的至少一种；

所述韧性基材结构一采用桥状结构；

所述韧性基材结构二采用岛状结构。

上述进一步方案的有益效果是：韧性基材结构一和韧性基材结构二所选的材料需要具有韧性、与微电子工艺兼容、表面粗糙度低的特点，鉴于此，选择上述材料中的至少一种以保证满足相应功能。将不可拉伸的功能器件制备于岛状结构上，可以保证在整体拉伸时，位于其上的功能器件不被拉伸，保证传感器的功能器件、读出电路、元器件等不被损坏。与此同时，将可拉伸部分，包括导线，制备成桥状结构，桥状结构为细长的曲线结构，能够在外力作用下发生拉伸的同时，保证电学互连的性能。

进一步，所述桥状结构为折线形结构、蛇形结构、正弦曲线结构中的至少一种；

所述岛状结构为圆形、长方形、正方形、六边形、八边形中的至少一种。

上述进一步方案的有益效果是：对岛状结构和桥状结构的具体形状进行了限定，可采用多种类型的结构，将不可拉伸的功能器件制备于岛状结构上，可以保证在整体拉伸时，位于其上的功能器件不被拉伸，保证传感器的功能器件、读出电路、元器件等不被损坏。与此同时，将可拉伸部分，包括导线，制备成桥状结构，桥状结构为细长的曲线结构，能够在外力作用下发生拉伸的同时，保证电学互连的性能。

进一步，所述传感器包括压力、温度、应力、光、电、磁、声、电化学传感器中的至少一种。

上述进一步方案的有益效果是：通过探测阵列的优化布设，能够将多种传感器制备于同一个探测阵列中，实现多种信息的同时监测和传感，从而实现更加复杂的功能。即上述进一步方案的探测阵列具有兼容多种传感器的能力。

进一步，所述柔性基材结构的材料为硅胶、PDMS、布料、橡胶、塑料中的至少一种。

上述进一步方案的有益效果是：韧性基材结构二和其上面的探测阵列中功能性器件的厚度一般较薄，借助于上述柔性基材进行使用，一方面，柔性材料制备的柔性基材层能够为该结构(韧性基材结构二和其上面的探测阵列中的功能性器件)提供一个良好的物理支撑和物理防护，提高其结构可靠性，便于使用，另一方面，所选柔性材料为可拉伸材料，能够为该结构提供一个可拉伸的扩展空间。但在提供可拉伸空间的同时，上述柔性基材也具有拉伸极限，在大幅度拉伸比例下，能够限制拉伸尺寸，避免岛状结构或桥状结构被拉坏、拉断，起到一定的保护作用。

进一步，所述半导体薄膜晶体管包括栅电极、源电极、漏电极、半导体层、栅绝缘层；

所述栅绝缘层设置于所述栅电极上方；所述半导体层设置于所述栅绝缘层上方；所述源电极和所述漏电极位于所述半导体层的两侧，并与所述半导体层接触；

所述半导体层的材料为非晶硅、铟镓锌氧、多晶硅、氧化锌、并五苯中的至少一种。

上述进一步方案的有益效果是：利用半导体薄膜晶体管的开关特性，能够选择性地读出传感器阵列中任一传感器的数值，并在传感器之间形成电学隔离，降低串扰，提高其检测精度。此外，利用薄膜晶体管形成的阵列结构，能够在大规模传感器阵列的读出电路中，大幅度降低读出引线的数量。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1柔性可拉伸式传感器结构示意图；

图2为本发明实施例2柔性可拉伸式传感器结构示意图；

图3为本发明实施例2探测单元电路连接示意图；

图4为本发明实施例2半导体薄膜晶体管结构示意图；

图5为本发明实施例2柔性可拉伸式传感器局部细节结构示意图。

附图标记：

1-半导体薄膜晶体管的栅电极；2-半导体薄膜晶体管的栅绝缘层；3-半导体薄膜晶体管的半导体层；4-半导体薄膜晶体管的源电极；5-半导体薄膜晶体管的漏电极；6-韧性基材结构一；7-柔性基材结构；8-传感器；9-半导体薄膜晶体管；G1～G3-行选通信号；S1～S4-列选通信号；V1-电源。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种柔性可拉伸式传感器，如图1所示，包括M×N个探测单元排列形成的M×N阵列。其中，每个所述探测单元包括可拉伸部分和不可拉伸部分；每个探测单元的传感模块设置于不可拉伸部分，通过可拉伸部分设置的传输导线与相邻探测单元的传感模块连接。

不可拉伸部分，用于在所述探测单元选通后，通过传感模块采集外部传感信息，并将所述外部传感信息转换成电信号，以电信号传输方式传输至处理器进行处理。所述处理器可以为计算机。

图1中不可拉伸部分显示为圆形结构，但不限于圆形结构。

可拉伸部分，用于在外力作用下进行拉伸，改变探测单元的形状，并通过上述设置的传输导线选通所述探测单元对应的传感模块采集外部传感信息。

图1中可拉伸部分显示为蛇形结构，但不限于蛇形结构。

实施时，柔性可拉伸式传感器的可拉伸部分能够被物理拉伸，不可拉伸部分由于不具备结构可拉伸性，其位置能够发生变化但结构保持不变，这样位于其上的传感模块就不被物理拉伸，从而在最大程度上保护了传感模块中的传感器和其他电子器件不受拉伸的影响，而能发挥正常的功能，保证其电学性能良好。

与现有技术相比，本实施例提供的柔性可拉伸式传感器将可拉伸部分和不可拉伸部分结构设计相结合，其中，可拉伸部分能够保证整个系统能够具备良好的物理可拉伸特性，而不改变不可拉伸部分的结构和功能。不可拉伸部分的不可拉伸特性，能够保证位于其上的传感模块不被拉伸，从而在最大程度上保证传感模块中传感器和其他电子器件的工作性能和精度。同时，由于进行了模块化的阵列设计，整体结构较小，容易复制，成本较低。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，所述可拉伸部分可采用桥状结构，所述不可拉伸部分可采用岛状结构，如图2所示。桥状结构狭长且呈弯曲状，能够被拉伸。岛状结构呈块状，不能够被拉伸。

岛状结构呈阵列状排列，所有岛状结构之间由对应的桥状结构连接。桥状结构和岛状结构设计相结合。其中，桥状结构保证整个系统具备良好的可拉伸特性，岛状结构的不可拉伸性保证位于其上的传感模块不被拉伸，从而最大程度上保留了传感模块的工作性能和精度。

优选地，每个探测单元中，所述可拉伸部分包括韧性基材结构一和传输导线。传输导线设置于韧性基材结构一的上表面，或被所述韧性基材结构一包覆。

优选地，每个探测单元中，所述不可拉伸部分包括韧性基材结构二和传感模块。所述传感模块包括传感器及其对应的控制电路，二者设置于所述韧性基材结构二上表面。

优选地，每个所述探测单元还包括柔性基材结构。所述可拉伸部分和不可拉伸部分设置于所述柔性基材结构上同一水平位置。柔性基材结构，用于在外力作用下进行拉伸，改变探测单元可拉伸部分的形状，进而改变对应传感模块的位置。

优选地，所述控制电路包括半导体薄膜晶体管和电源(V1)，其连接关系如图3所示，还可包括其他优化电路对应的电阻器、电容器、电感器等。M×N阵列中，每一行，所有半导体薄膜晶体管的栅极连接，并与对应行选通信号(G1～G3)连接；每一列，所有半导体薄膜晶体管的源极连接，并与对应列选通信号(S1～S4)连接；所有半导体薄膜晶体管的漏极通过对应传感器与电源(V1)连接。

优选地，所述韧性基材结构一和所述韧性基材结构二的材料可为PI、PET、PEN、PEI、PEEK、Paylene材料中的至少一种，或者其他材料。所述韧性基材结构一采用桥状结构。所述韧性基材结构二采用岛状结构。PI为聚酰亚胺，其他材料可查阅材料手册，此处不再详细介绍。

优选地，所述桥状结构可为折线形结构、蛇形结构、正弦曲线结构中的至少一种。所述岛状结构可为圆形、长方形、正方形、六边形、八边形中的至少一种。

优选地，上述传感器包括压力、温度、应力、光、电、磁、声、电化学传感器中的至少一种。采用多种类型的传感器，能够使得探测阵列具有获得多中外部传感信息的能力，具有更强大的功能和性能。

优选地，所述半导体薄膜晶体管包括栅电极1、源电极4、漏电极5、半导体层3、栅绝缘层2，如图4和图5所示。栅绝缘层2设置于栅电极1上方；半导体层3设置于所述栅绝缘层2上方；源电极4和漏电极5位于所述半导体层3的两侧，并与半导体层3接触。半导体层3的材料可为非晶硅、铟镓锌氧、多晶硅、氧化锌、并五苯中的至少一种，或者其他材料。

与实施例1相比，本实施例将桥状结构和岛状结构设计相结合用于探测阵列的设计，其中，桥状结构能够保证整个系统能够具备良好的可拉伸功能，岛状结构的不可拉伸性保证位于其上的传感器及其控制电路不被拉伸，从而最大限度地保留了传感器和电子器件的性能和精度。并且，创造性地将半导体薄膜晶体管应用在传感器阵列(探测阵列)的控制电路中，用作选通开关，能够大幅度降低传感器阵列的引线数量和复杂度。

实施例3

本发明的另一个实施例，公开了一种关于实施例2所述柔性可拉伸式传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1.制备韧性基材层一.

S2.在所述韧性基材层一上，制备M×N个传感模块排列形成的M×N阵列，以及各传感模块的连接导线。

S3.在所述M×N阵列以及各传感模块的连接导线上方，淀积韧性基材层二。所述韧性基材层二与所述韧性基材层一表面接触，并覆盖整个M×N阵列以及各传感模块的连接导线。

S4.刻蚀所述韧性基材层一和所述韧性基材层二，制备柔性可拉伸式传感器的可拉伸部分和不可拉伸部分，其中，每个可拉伸部分包括一条连接导线，每个不可拉伸部分包括一个传感模块。

S5.将所述可拉伸部分和不可拉伸部分进行转移，贴合至事先制备的柔性基材结构上，获得柔性可拉伸式传感器。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柔性可拉伸式传感器，其特征在于，包括M×N个探测单元排列形成的M×N阵列；其中，每个所述探测单元包括可拉伸部分和不可拉伸部分；每个探测单元的传感模块设置于不可拉伸部分，通过可拉伸部分设置的传输导线与相邻探测单元的传感模块连接；所述传感模块包括温度、应力、光、电、磁、声、电化学传感器中的至少一种；

所述不可拉伸部分，用于所述探测单元选通后，通过传感模块采集外部传感信息，并将所述外部传感信息转换成电信号传输至处理器进行处理；所述不可拉伸部分还包括韧性基材结构二；所述传感模块包括传感器及其对应的控制电路，二者设置于所述韧性基材结构二的上表面；韧性基材结构二用于对传感器及其对应的控制电路进行固定和保护，保证拉伸过程中，传感器及其对应的控制电路只发生位置改变，不发生任何结构的变化；

所述可拉伸部分，用于在外力作用下进行拉伸，改变探测单元的形状，并通过设置的所述传输导线选通所述探测单元的传感模块采集信息；所述可拉伸部分还包括韧性基材结构一；所述传输导线设置于所述韧性基材结构一上表面，或被所述韧性基材结构一包覆；韧性基材结构一用于对传输导线进行固定和保护，整个拉伸过程只是由弯曲状态被拉直，不改变其组成、内部结构；

所述韧性基材结构一采用桥状结构；所述韧性基材结构二采用岛状结构；

每个所述探测单元还包括柔性基材结构；所述可拉伸部分和不可拉伸部分设置于所述柔性基材上的同一水平位置；所述柔性基材结构，用于在外力作用下进行拉伸，改变探测单元可拉伸部分的形状，进而改变传感模块的位置；

所述柔性可拉伸式传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1.制备韧性基材层一；

S2.在所述韧性基材层一上，制备M×N个传感模块排列形成的M×N阵列，以及各传感模块的连接导线；

S3.在所述M×N阵列以及各传感模块的连接导线上方，淀积韧性基材层二；所述韧性基材层二与所述韧性基材层一表面接触，并覆盖整个M×N阵列以及各传感模块的连接导线；

S4.刻蚀所述韧性基材层一和所述韧性基材层二，制备柔性可拉伸式传感器的可拉伸部分和不可拉伸部分，其中，每个可拉伸部分包括一条连接导线，每个不可拉伸部分包括一个传感模块；

S5.将所述可拉伸部分和不可拉伸部分进行转移，贴合至事先制备的柔性基材结构上，获得柔性可拉伸式传感器。

2.根据权利要求1所述的柔性可拉伸式传感器，其特征在于，所述可拉伸部分采用桥状结构，所述不可拉伸部分采用岛状结构。

3.根据权利要求2所述的柔性可拉伸式传感器，其特征在于，所述控制电路包括半导体薄膜晶体管和电源；

所述M×N阵列中，每一行，所有半导体薄膜晶体管的栅极连接，并与对应的行选通信号连接；每一列，所有半导体薄膜晶体管的源极连接，并与对应的列选通信号连接；所有半导体薄膜晶体管的漏极通过对应传感器与电源连接。

4.根据权利要求2所述的柔性可拉伸式传感器，其特征在于，所述韧性基材结构一和所述韧性基材结构二的材料为PI、PET、PEN、PEI、PEEK、Paylene材料中的至少一种。

5.根据权利要求2或4所述的柔性可拉伸式传感器，其特征在于，所述桥状结构为折线形结构、蛇形结构、正弦曲线结构中的至少一种；

所述岛状结构为圆形、长方形、正方形、六边形、八边形中的至少一种。

6.根据权利要求2-4之一所述的柔性可拉伸式传感器，其特征在于，所述传感器还包括压力、温度传感器。

7.根据权利要求2所述的柔性可拉伸式传感器，其特征在于，所述柔性基材结构的材料为硅胶、PDMS、布料、橡胶、塑料中的至少一种。

8.根据权利要求3所述的柔性可拉伸式传感器，其特征在于，所述半导体薄膜晶体管包括栅电极、源电极、漏电极、半导体层、栅绝缘层；

所述栅绝缘层设置于所述栅电极上方；所述半导体层设置于所述栅绝缘层上方；所述源电极和所述漏电极位于所述半导体层的两侧，并与所述半导体层接触；

所述半导体层的材料为非晶硅、铟镓锌氧、多晶硅、氧化锌、并五苯中的至少一种。

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