CN109387235B - 基于薄膜体声波谐振器的柔性触觉传感器阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电子技术领域，提出一种基于薄膜体声波谐振器的柔性触觉传感器阵列，包括若干个薄膜体声波谐振器、多路复用器、用于测量薄膜体声波谐振器谐振频率的谐振电路以及用于信号采集和分析处理的微处理芯片，其中多个薄膜体声波谐振器阵列分布设置，薄膜体声波谐振器阵列的输出端与多路复用器的输入端连接，多路复用器的输出端与谐振电路的输入端连接，微处理芯片的输入端与多路复用器的输出端和谐振电路的输出端连接。本发明满足柔性触觉传感器对柔韧性的要求，具有高柔韧性、高谐振频率等特点，可应用于以接触的形式检测物体的形状、质地、硬度、温度、力以及振动等物理量的触觉传感器中。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，更具体地，涉及一种基于薄膜体声波谐振器的柔性触觉传感器阵列。
背景技术
触觉传感器以接触的形式检测物体的形状、质地、硬度、温度、力以及振动等物理量，其潜在应用包括类人型服务机器人、假肢感知及控制、遥感微创手术、组织器官特征诊断、材料质地和硬度检测、以及人机界面等。现有触觉传感器的敏感原理主要有压阻式、电容式、压电式、电感式、光电式以及应变片式，检测的物理量大多为力或压力，且通常局限于接触的判断，并不能全面获取触觉所包含的复杂信息，如传统压电式传感器智能检测动态信号。
近年来，薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)作为传感器日益受到重视，其具有对多物理量的高灵敏度以及高度集成的特点。有多项研究证实FBAR对表面状况、力、压力以及温度信号都非常敏感，而这些物理量都属于触觉检测的对象，因此FBAR具有用于触觉传感器的巨大潜力。然而，由于固态装配型FBAR的典型结构包括硅衬底，AlN或ZnO压电层，以及由低声阻层(SiO2、Al2O3、ZnO)和高声阻层(W、Mo、AlN)交替堆积而成的布拉格声镜，因此由这些氧化物和压电陶瓷构等常规材料体系构建的固态装配性FBAR不具备柔韧性，无法用于触觉传感器。而基于P(VDF-TrFE)的谐振器虽然柔韧性好，但因薄膜刚度低、机电耦合系数小，谐振频率和品质因素都很低，因此无法兼顾优化柔性触觉传感器所需要的高柔性和高性能。
发明内容
本发明为克服现有技术的无法兼顾柔性触觉传感器所需要的高柔性和高性能等至少一种缺陷，提供一种基于薄膜体声波谐振器的柔性触觉传感器阵列，能满足柔性触觉传感器所需要的高柔韧性和高谐振频率等要求。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
基于薄膜体声波谐振器的柔性触觉传感器阵列，包括若干个薄膜体声波谐振器、多路复用器、用于测量薄膜体声波谐振器谐振频率的谐振电路以及用于信号采集和分析处理的微处理芯片，其中多个薄膜体声波谐振器阵列分布设置，薄膜体声波谐振器阵列的输出端与多路复用器的输入端连接，多路复用器的输出端与谐振电路的输入端连接，芯片的输入端与多路复用器的输出端和谐振电路的输出端连接。
本技术方案中，将多个薄膜体声波谐振器应用于柔性触觉传感器阵列中，在使用过程中，谐振电路先对阵列进行扫描激励，柔性传感器阵列输出触觉信号，其中阵列的输出信号为体声波谐振器固有频率的变化量，并通过与阵列连接的多路复用整合为单个输出信号，再输入到用于测量谐振频率的谐振电路中进行谐振频率的计算，并发送到微处理芯片中通过分析谐振频率的变化规律和特性，包括时域和频域信号，得到所接触力的大小和方向，或者所接触物体表面温度、材料或表面纹理等物理量。
优选地，薄膜体声波谐振器为固态装配型薄膜体声波谐振器。由于隔膜型和空气隙型FBAR下电极底部均为空腔，结构强度较低，器件在接触力作用下容易损坏，而固态装配型薄膜体声波谐振器内部没有悬空结构，更适合触觉检测的要求。
优选地，薄膜体声波谐振器包括由下至上依次设置的衬底、下电极、压电层和上电极，其中上电极和下电极的材质为石墨烯、碳纳米管CNT或聚3,4-乙烯二氧噻吩PEDOT，压电层的材质为聚偏氟乙烯PVDF或共聚物P(VDF-TrFE)与压电陶瓷氧化锌ZnO、锆钛酸铅PZT或氮化铝AIN的复合材料。
优选地地，薄膜体声波谐振器还包括设置在上电极上表面的保护层，其中保护层的材料包括聚二甲基硅氧烷PDMS或硅树脂。
本技术方案中，柔性触觉传感器阵列中阵列分布的薄膜体声波谐振器包括有由下至上依次设置的由柔性材料制成的衬底、下电极、压电层和上电极，全面满足柔性触觉传感器柔韧性的要求。其中，上下电极层所采用的石墨烯、碳纳米管CNT或聚3,4-乙烯二氧噻吩PEDOT等高声阻材料具有优异的导电性和柔韧性，其与由聚偏氟乙烯PVDF或共聚物P(VDF-TrFE)与压电陶瓷氧化锌ZnO、锆钛酸铅PZT或氮化铝AIN的复合材料等低声阻材料构成的压电层形成声反射界面，将大部分声波限制在压电层内；上下电极层和衬底、保护层形成第二重的声反射界面，将剩余穿过压电层的声波限制在上下电极层中，从而保证所有声波限制与薄膜体声波谐振器内，有效降低声漏，保证输出高谐振频率；ZnO纳米棒、锆钛酸铅PZT或氮化铝AIN等材料能够在保持聚偏氟乙烯PVDF或共聚物P(VDF-TrFE)柔韧性的同时，提高其压电系数、介电常数以及温度稳定性，ZnO纳米棒、锆钛酸铅PZT或氮化铝AIN等材料的高弹性模量也有助于提高聚偏氟乙烯PVDF或共聚物P(VDF-TrFE)材料薄膜的谐振频率。
优选地，薄膜体声波谐振器中的上电极和下电极正交重叠设置。
优选地，薄膜体声波谐振器中的保护层在上下电极重叠区域呈突起状。
优选地，保护层的高度为10-200μm，底部面积为400-1×105μm2。
优选地，上电极和下电极的厚度为0.1-10μm，宽度为10-200μm；衬底的厚度为100-500μm；压电层的厚度为1-10μm。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：通过采用薄膜体声波谐振器阵列作为柔性触觉传感器，使其具有高柔韧性、高谐振频率等特点，可准确测量所接触力的大小和方向、物体表面温度、物体材料和表面纹理等物理量，可应用于以接触的形式检测物体的形状、质地、硬度、温度、力以及振动等物理量的触觉传感器中。
附图说明
图1为本实施例的柔性触觉传感器阵列的电路连接示意图。
图2为本实施例的薄膜体声波谐振器的结构示意图。
图3为本实施例的柔性触觉传感器阵列的频率变化图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本实施例的基于薄膜体声波谐振器的柔性触觉传感器阵列如图1所示，包括若干个阵列分布固态装配型薄膜体声波谐振器1、多路复用器2、用于测量薄膜体声波谐振器谐振频率的谐振电路3和用于信号采集和分析处理的微处理芯片4，其中阵列分布的薄膜体声波谐振器的输出端与多路复用器的输入端连接，多路复用器的输出端与谐振电路的输入端连接。
本实施例中的固态装配型薄膜体声波谐振器如图2所示，包括由下至上依次设置的聚酰亚胺PI衬底11、石墨烯下电极12、由共聚物P(VDF-TrFE)与压电陶瓷氧化锌ZnO复合制成的ZnO/P(VDF-TrFE)复合薄膜压电层13、石墨烯上电极14、聚二甲基硅氧烷PDMS保护层15。其中，下电极12和上电极14正交重叠设置，PDMS保护层15在对应正交重叠的区域呈突起状，其突起形状为不完全球体，PDMS保护层15的高度为10-200μm，底部面积为400-1×105μm2；下电极12和上电极14的厚度为0.1-10μm，宽度为10-200μm；衬底11的厚度为100-500μm；压电层13的厚度为1-10μm。
本实施例的薄膜体声波谐振器1由高声阻和低声阻材料交替搭配构成，其中，构成压电层13的ZnO/P(VDF-TrFE)复合材料为低声阻材料，构成上下电极层12/14的石墨烯材料为高声阻材料，由该高声阻和低声阻材料形成的上下声反射界面将大部分声波限制在压电层13内，剩余部分声波穿过界面进入上下电极层12/14传播，而由低声阻材料PET构成的衬底11和PDMS构成的保护层15与由石墨烯材料构成的上下电极层12/14组成第二重的声反射界面，对剩余部分声波进一步反射使其限制在上下电极层12/14内，从而保证所有声波限制于薄膜体声波谐振器1内，有效降低声漏，提高薄膜体声波谐振器1的品质因素。
本实施例中，柔性触觉传感器阵列中的薄膜体声波谐振器1中的所采用的ZnO/P(VDF-TrFE)材料制成的压电层13综合了ZnO纳米棒优良的压电性能以及P(VDF-TrFE)的高柔韧性，且相较于其他材料，同时具有高柔韧性、低声阻、高导电性等特点，因此能够有效提高薄膜体声波谐振器1的柔韧性，全面满足柔性触觉传感器的要求，以及满足柔性电子皮肤的要求。此外，ZnO/P(VDF-TrFE)材料制成的压电层13与石墨烯材料制成的上下电极层12/14，由于ZnO/P(VDF-TrFE)复合材料为低声阻材料，石墨烯为高声阻材料，因此压电层13和上下电极层12/14组合构成高声阻差结构，即上下声反射界面，当上下电极层12/14导电工作时，能够限制大部分声波在压电层13内导通，从而保证薄膜体声波谐振器1输出的高谐振频率。
如图3所示，为本实施例的柔性触觉传感器阵列的频率变化图。在具体实施过程中，柔性触觉传感器阵列在无触觉信号输入的情况下，其固有频率分别为f1,f2,f3,...，当有触觉信号输入时，其固有频率分别为f1',f2',f3',...，由此可知当有触觉信号输入时，固有频率发生了改变，其改变量为Δf1,Δf2,Δf3,...。因此可以通过分析柔性触觉传感器阵列中各个薄膜体声波谐振器固有频率的变化规律，即可确定所接触的触觉力F的大小、方向以及被检测对象的表面温度、物体材料和表面纹理等物理量。因此本实施例的柔性触觉传感器阵列不仅可以对动态信号进行测量，还可以对静态信号进行测量。
谐振电路3对薄膜体声波谐振器阵列以扫描的方式进行扫描激励，多路复用器2将阵列输出的多个信号整合为一个信号输入到谐振电路3中，谐振电路3采集信号并计算谐振频率，然后发送到微处理芯片4中通过分析谐振频率的变化规律和特性，包括时域和频域信号，得到所接触力的大小和方向，或者所接触物体表面温度、材料或表面纹理等物理量。
此外，基于薄膜体声波谐振器的柔性触觉传感器阵列与终端配合使用，微处理芯片5对所处理分析的谐振频率结果传送到终端，终端根据分析结果数据生成三维触觉图，可使触觉传感器所检测的结果更直观。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于薄膜体声波谐振器的柔性触觉传感器阵列，其特征在于：包括若干个薄膜体声波谐振器、多路复用器、用于测量薄膜体声波谐振器谐振频率的谐振电路以及用于信号采集和分析处理的微处理芯片，其中所述薄膜体声波谐振器以阵列分布设置，所述薄膜体声波谐振器阵列的输出端与多路复用器的输入端连接，所述多路复用器的输出端与谐振电路的输入端连接，所述芯片的输入端与多路复用器的输出端和谐振电路的输出端连接；
将多个薄膜体声波谐振器应用于柔性触觉传感器阵列中，谐振电路先对阵列进行扫描激励，柔性触觉 传感器阵列输出触觉信号，其中阵列的输出信号为体声波谐振器固有频率的变化量，并通过与阵列连接的多路复用器 整合为单个输出信号，再输入到用于测量谐振频率的谐振电路中进行谐振频率的计算，并发送到微处理芯片中通过分析谐振频率的变化规律和特性，包括时域和频域信号，得到所接触力的大小和方向，或者所接触物体表面温度、材料或表面纹理。
2.根据权利要求1所述的基于薄膜体声波谐振器的柔性触觉传感器阵列，其特征在于：所述薄膜体声波谐振器为固态装配型薄膜体声波谐振器。
3.根据权利要求2所述的基于薄膜体声波谐振器的柔性触觉传感器阵列，其特征在于：所述薄膜体声波谐振器包括由下至上依次设置的衬底、下电极、压电层、上电极和保护层，其中所述上电极和下电极的材质为石墨烯、碳纳米管CNT或聚3,4-乙烯二氧噻吩PEDOT，所述压电层的材质为聚偏氟乙烯PVDF或共聚物P(VDF-TrFE)与压电陶瓷氧化锌ZnO、锆钛酸铅PZT或氮化铝AIN的复合材料。
4.根据权利要求3所述的基于薄膜体声波谐振器的柔性触觉传感器阵列，其特征在：所述薄膜体声波谐振器还包括设置在上电极上表面的保护层，所述保护层的材质为聚二甲基硅氧烷PDMS或硅树脂。
5.根据权利要求4所述的基于薄膜体声波谐振器的柔性触觉传感器阵列，其特征在于：所述薄膜体声波谐振器中的上电极和下电极正交重叠设置。
6.根据权利要求5所述的基于薄膜体声波谐振器的柔性触觉传感器阵列，其特征在于：所述薄膜体声波谐振器中的保护层在上下电极重叠区域呈突起状。
7.根据权利要求4所述的基于薄膜体声波谐振器的柔性触觉传感器阵列，其特征在于：所述保护层的高度为10-200μm，底部面积为400-1×105μm2。
8.根据权利要求3-6任一项所述的基于薄膜体声波谐振器的柔性触觉传感器阵列，其特征在于：所述上电极和下电极的厚度为0.1-10μm，宽度为10-200μm；所述衬底的厚度为100-500μm；所述压电层的厚度为1-10μm。
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