CN110307778B - 柔性信号传感及处理装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种柔性信号传感及处理装置，包括：衬底，以及依次设置在衬底上的第一金属层、电介质层和第二金属层；第一金属层包括第一电极；第二金属层包括第二电极、能够根据被测对象的形变产生第一信号的第一应变传感器；第一电极，与第一电极相对的电介质层和第二电极，形成压力传感器，压力传感器用于根据受到的压力产生第二信号；压力传感器与第一应变传感器形成信号处理模块，信号处理模块能够分别对第一信号和第二信号进行信号处理，得到处理后的第一信号和处理后的第二信号；衬底、第一金属层、电介质层以及第二金属层均采用柔性材料制成。本公开既可以实现传感功能，又可以实现信号自处理功能，大大简化了信号处理部分的繁复程度。

Description

柔性信号传感及处理装置

技术领域

本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及一种柔性信号传感及处理装置。

背景技术

柔性电子器件与传统基于硬质印刷电路板的电子电路器件相同，具有传感器部分、信号处理部分等。基于柔性电子技术设计制备出来的传感器所采集的原始信号一般为模拟信号，在对模拟信号进行信号传输前需要通过信号处理部分对模拟信号进行滤波、放大等处理。相关技术中，柔性电子传感器只具有信号传感器部分，该信号传感器部分只具有信号传感功能，仍旧需要额外设置传统的电路模块组成信号处理部分来实现信号处理功能。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种柔性信号传感及处理装置，能够简化了信号处理部分的繁复程度，并可以提高检测的精确度。

根据本公开的一方面，提供了一种柔性信号传感及处理装置，包括：

衬底，以及依次设置在所述衬底上的第一金属层、电介质层和第二金属层；

所述第一金属层包括第一电极；

所述第二金属层包括第二电极、第一应变传感器，所述第一应变传感器能够根据被测对象的形变产生第一信号；

所述第一电极，以及分别与所述第一电极相对的所述电介质层和所述第二电极，形成压力传感器，所述压力传感器用于根据受到的压力产生第二信号；

所述压力传感器与所述第一应变传感器形成信号处理模块，所述信号处理模块能够分别对所述第一信号和所述第二信号进行信号处理，得到处理后的第一信号和处理后的第二信号；

所述衬底、所述第一金属层、所述电介质层以及所述第二金属层均采用柔性材料制成。

在一种可能的实现方式中，

所述装置包括多个第一应变传感器和多个压力传感器；

其中，所述装置中包括以下连接关系中的一种或多种，以形成所述信号处理模块：

一个第一应变传感器和一个压力传感器串联；

一个第一应变传感器和一个压力传感器并联；

多个第一应变传感器和多个压力传感器混连；

一个第一应变传感器和多个压力传感器混连；

多个第一应变传感器和一个压力传感器混连。

在一种可能的实现方式中，所述多个第一应变传感器分别能够检测不同方向的应变。

在一种可能的实现方式中，所述柔性信号传感及处理装置还包括封装层；

所述封装层设置在所述第二金属层上，所述第一金属层、电介质层和第二金属层被封装在所述封装层和衬底之间。

在一种可能的实现方式中，所述第一金属层还包括第二应变传感器；

所述第二应变传感器能够根据形变产生第三信号，以使外部电路根据所述第三信号，对所述处理后的第一信号进行温度解耦处理。

在一种可能的实现方式中，所述第一应变传感器具有栅形结构。

在一种可能的实现方式中，所述第一电极和所述第二电极为圆形箔片。

在一种可能的实现方式中，所述电介质的材料包括：聚酰亚胺。

在一种可能的实现方式中，所述第一金属层和所述第二金属层的材料包括：金和铬，或者金和钼。

本公开实施例中，应变传感器和压力传感器可以分别实时获得被测对象的动态的应变信号和压感信号，实现实时模拟被测对象压觉和触觉的功能，并且，由于压力传感器和第一应变传感器通过多层制备方法实现集成与互联可以形成内化的信号处理模块，能够对第一信号和第二信号进行实时信号处理，无需设置额外信号处理电路，因此，本公开既可以实现传感功能，又可以实现信号自处理功能，大大简化了信号处理部分的繁复程度，由此实现传感与信号处理的集成。此外，由于衬底、第一金属层、电介质层以及第二金属层均采用柔性材料制成，使得本公开的柔性信号传感及处理装置更易于贴合在被测对象表面，提高检测的精确度。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种柔性信号传感及处理装置的截面示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种柔性信号传感及处理装置中第一金属层的俯视图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种柔性信号传感及处理装置中第二金属层的俯视图。

图4是根据一示例性实施例示出的一种柔性信号传感及处理装置中第一金属层与第二金属层相叠加的俯视图。

图5是根据一应用示例示出的一种柔性信号传感及处理装置的框图。

图6是根据一应用示例示出的一种柔性信号传感及处理装置的框图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1是根据一示例性实施例示出的一种柔性信号传感及处理装置的截面示意图。图2是根据一示例性实施例示出的一种柔性信号传感及处理装置中第一金属层的俯视图。图3是根据一示例性实施例示出的一种柔性信号传感及处理装置中第二金属层的俯视图。图4是根据一示例性实施例示出的一种柔性信号传感及处理装置中第一金属层与第二金属层相叠加的俯视图。如图1至4所示，该柔性信号传感及处理装置可以包括：

衬底100，以及依次设置在所述衬底100上的第一金属层101、电介质层102和第二金属层103；

所述第一金属层101包括第一电极1011；

所述第二金属层103包括第二电极1031、第一应变传感器1032，所述第一应变传感器1032能够根据被测对象的形变产生第一信号；

所述第一电极1011，以及分别与所述第一电极1011相对的所述电介质层102和所述第二电极1031，形成压力传感器，所述压力传感器用于根据受到的压力产生第二信号；

所述压力传感器与所述第一应变传感器1032形成信号处理模块，所述信号处理模块能够分别对所述第一信号和所述第二信号进行信号处理，得到处理后的第一信号和处理后的第二信号；

所述衬底100、所述第一金属层101、所述电介质层102以及所述第二金属层103均采用柔性材料制成。

通常来讲，柔性可以表示为薄膜器件适应复杂曲面及复杂载荷(拉压弯扭)的能力，本公开实施例的柔性信号传感及处理装置的衬底、第一金属层、电介质层以及第二金属层均可以采用柔性材料制成。在一种可能的实现方式中，衬底和电介质层的材料可以包括PI(polyimide，聚酰亚胺)，第一金属层和第二金属层可以为金属薄膜，金属薄膜的材料可以包括金(Au，Gold)和铬，或者金和钼(Mo，molybdenum)，其中，金具有良好的导电性能，金、铬和钼均具有良好的延展性，但是金与PI衬底的粘附性能稍差，因此可以选择铬或者钼作为金与PI衬底之间的粘结层，以使得金属薄膜既获得良好的导电性能和延展性，又能与PI衬底较紧密的粘附。需要说明的是，第一金属层的材料与第二金属层的材料可以相同也可以不同，本公开实施例对此不作限定。

作为本实施例的一个示例，如图1所示，柔性信号传感及处理装置可以包括衬底100、第一金属层101、电介质层102和第二金属层103。其中，第一金属层101可以叠加在衬底100上，电介质层102可以叠加在第一金属层101上，第二金属层103可以叠加在电介质层102上。

如图2所示，第一金属层101可以包括第一电极1011。如图3所示，第二金属层103可以包括第二电极1031。如图4所示，第二电极1031可以正对于第一电极1011。第一电极1011、第二电极1031以及位于第一电极1011和第二电极1031之间的电介质层102可以形成电容式压力传感器，当第一电极1011和/或第二电极1031受压时，第一电极1011和第二电极1031之间的距离将产生变化，使得第一电极1011和第二电极1031之间的电容量发生变化，进而使压力传感器输出的第二信号也随之变化。这样，该压力传感器可以根据受到的压力产生用于反映该压力大小的第二信号(例如，该第二信号可以为电信号)。

第二金属层103还可以包括第一应变传感器1032，在本公开实施例中，该第一应变传感器1032可以为电阻应变传感器，第一应变传感器1032可以包括应变片，当第一应变传感器1032的应变片产生形变时，第一应变传感器1032的应变片的电阻值随之产生变化，使得第一应变传感器1032输出的第一信号也发生变化，这样，第一应变传感器1032可以根据被测对象的形变产生用于反映该形变大小的第一信号(例如，第一信号可以为电信号)。

通常情况下，电容与电阻串联形成的电路中，电容可以阻止直流信号通过，允许交流信号通过，电阻可以实现限流等功能，这样，电容与电阻串联形成的电路可以实现高通滤波。电容和电阻并联形成的电路中，电容同样可以阻止直流信号通过，允许交流信号通过，电阻则可以实现降压，稳压的功能。在本公开实施例中，由于压力传感器包括电容，第一应变传感器1032包括电阻，压力传感器和第一应变传感器1032相互连接(例如，压力传感器与第一应变传感器1032之间的连接关系可以包括串联、并联或混联中的任意一种)，可以构成信号处理模块，该信号处理模块可以分别对第一信号和第二信号进行信号处理(例如，滤波处理，限流处理或稳压处理等)，得到处理后的第一信号和第二信号。

本公开实施例的柔性信号传感及处理装置中，应变传感器和压力传感器可以分别实时获得被测对象的动态的应变信号和压感信号，实现实时模拟被测对象压觉和触觉的功能，并且，由于压力传感器和第一应变传感器通过多层制备方法实现集成与互联可以形成内化的信号处理模块，能够对第一信号和第二信号进行实时信号处理，无需设置额外信号处理电路，因此，本公开既可以实现传感功能，又可以实现信号自处理功能，大大简化了信号处理部分的繁复程度，由此实现传感与信号处理的集成。此外，由于衬底、第一金属层、电介质层以及第二金属层均采用柔性材料制成，使得本公开的柔性信号传感及处理装置更易于贴合在被测对象表面，提高检测的精确度。

需要说明的是，第一应变传感器和压力传感器也可以通过其他方式组成信号处理模块，本公开实施例对第一应变传感器和压力传感器的具体构造不做限定。

在一种可能的实现方式中，第一应变传感器可以具有栅形结构。例如，如图3所示，该第一应变传感器1032可以包括箔式栅状结构的应变片。当被测对象发生形变时，可以带动该栅状结构的应变片发生形变，进而使得栅状结构的应变片的电阻发生变化，形变越大则电阻变化越大，该栅状结构的应变片针对被测对象的微小形变能够具有高灵敏度、高线性度，极短的响应时间等特点。

在一种可能的实现方式中，第一电极和第二电极可以为圆形箔片。需要说明的是，第一电极和第二电极也可以为诸如矩形、三角形等其他形状，本公开实施例对第一电极和第二电极的形状不做限定。

作为本实施例的一个示例，所述装置可以包括多个第一应变传感器和多个压力传感器；其中，所述装置中包括以下连接关系中的一种或多种，以形成所述信号处理模块：一个第一应变传感器和一个压力传感器串联；一个第一应变传感器和一个压力传感器并联；多个第一应变传感器和多个压力传感器混连；一个第一应变传感器和多个压力传感器混连；多个第一应变传感器和一个压力传感器混连。

举例来讲，如图4所示，柔性信号传感及处理装置可以包括两个第一应变传感器1032和两个压力传感器。如图2所示，第一金属层101可以包括第一电极1011和第一引线1013，第一引线1013的一端可以连接第一电极1011，第一引线1013的另一端可以为第三电极1014。如图3所示，第二金属层103可以包括第二电极1031、第一应变传感器1032和第二引线1033，其中，第二引线1033可以包括第一子引线10331和第二子引线10332。

如图4所示，第一应变传感器1032可以通过第一子引线10331连接第二电极1031。第二子引线10332可以连接第一应变传感器1032，并可以连接第四电极1034。如图4所示，第一电极1011能够通过第一引线1013，第一引线1013上的第三电极1014、第一连线孔中的金属(图中未示出)、第二子引线10332上的第四电极1034、以及第二子引线10332与第一应变传感器1032电性连接，这样，压力传感器和第一应变传感器可以形成信号处理模块。

图5是根据一应用示例示出的一种柔性信号传感及处理装置的框图。如图4和图5所示，

第二引线1033还可以具有第一接口1035、第二接口1036、第三接口1037和第四接口1038。如果外部电路与第一接口1035、第二接口1036电性连接(例如，外部电路的正极连接第一接口1035，外部电路的负极连接第二接口1036)，则第一应变传感器1032可以与压力传感器并联。如果外部电路与第二接口1036和第三接口1037电性连接(例如，外部电路的正极连接第二接口1036，外部电路的负极连接第三接口1037)，则第一应变传感器1032可以与压力传感器串联。

此外，也可以根据信号处理的实际需要，选择其他不同的连接方式，例如，外部电路的正极可以和第一接口1035电性连接，外部电路的负极可以和第四接口1038电性连接，形成混联电路；又如，外部电路的正极可以和第一接口1035电性连接，外部电路的负极可以和第四接口1037电性连接，形成混联电路。本公开实施例对多个第一应变传感器和多个压力传感器的连接方式不做限定。

这样，本公开实施例可以根据信号处理的实际需要，灵活的选择将外部电路与不同的接口电性连接，形成不同连接形式的电路，使得本公开实施例的柔性信号传感及处理装置具有更广泛的适用性。

在一种可能的实现方式中，如图2至4所示，第一引线1013和第二引线1033的形状可以为蛇形结构，这样可以使第一引线1013和第二引线1033既具有可延展性，又可以防止第一引线1013和第二引线1033部分变形引起的第一应变传感器1032的信号变化，进一步增加了第一应变传感器1032的检测精度。

在一种可能的实现方式中，所述多个第一应变传感器1032分别能够检测不同方向的应变。例如，如图3所示，柔性信号传感及处理装置可以具有两个第一应变传感器1032，两个第一应变传感器1032可以检测面内相互垂直的两个方向的应变。这样，柔性信号传感及处理装置可以更好的模拟被测对象的多个方向的形变状态。

在一种可能的实现方式中，所述柔性信号传感及处理装置还可以包括封装层；所述封装层可以设置在所述第二金属层上，所述第一金属层、电介质层和第二金属层可被封装在所述封装层和衬底之间。其中，该封装层的材料可以采用生物兼容薄膜，该生物兼容薄膜可以包括但不限于具有多孔微结构的聚合物薄膜或生物半透膜，膜上可以具有直径从几百纳米到几十微米不等的非贯穿孔，氧气、水蒸气可以通过，而液态水、细菌无法通过，因此，此类薄膜兼具透气和防水的功能。以使得在利用柔性信号传感及处理装置对生物体进行检测时，防止被检测的生物体发生过敏等不良反应，更有利于被检测对象接受检测。

作为本实施例的一个示例，所述第一金属层还可以包括第二应变传感器；所述第二应变传感器能够根据形变产生第三信号，以使外部电路根据所述第三信号，对所述处理后的第一信号进行温度解耦处理。

举例来讲，如图2和图5所示，第一金属层101可以包括第二应变传感器1012，该第二应变传感器1012可以分别连接两个第五电极1015。如图3所示，第二金属层103还可以包括两条第三引线1040，每个第三引线1040的一端可以为第六电极1030，每个第三引线1040的另一端可以为第五接口1039。每个第五电极1015可以通过电介质层102预留的连线孔中的金属与一个第六电极1030电性连接，以使得第二应变传感器1012与第三引线1040电性连接。外部电路的正负极可以分别连接两个第五接口1039来与第二应变传感器1012电性连接。

该第二应变传感器1012的应变片也可以具有栅形结构，该第二应变传感器1012的应变片可以正对于第一应变传感器1032的应变片，并且，该第二应变传感器1012的应变片的尺寸可以不同于第一应变传感器1032的应变片，这使得第二应变传感器1012的灵敏系数可以不同于第一应变传感器1032的灵敏系数，外部电路可以分别获取处理后的第一信号和第三信号，并可以根据处理后的第一信号和第三信号，得到被测对象当前的应变值以及当前温度变化，即实现了对处理后的第一信号的温度解耦处理。

例如，外部电路可以根据处理后的第一信号得到第一应变传感器的应变片在当前时刻的阻值变化率ΔR1/R1，并可以根据第三信号得到第二应变传感器的应变片在当前时刻的阻值变化率ΔR2/R2，并可以根据ΔR1/R1、ΔR2/R2、式1和式2得到被测对象在当前时刻的应变值ε和当前时刻的温度变化Δt，实现对处理后的第一信号的温度解耦处理。

ΔR1/R1＝C1×ε+D1×Δt 式1

ΔR2/R2＝C2×ε+D2×Δt 式2

其中，C1D1可以分别为通过标定实验得到的第一应变传感器的灵敏系数，C2D2可以分别为通过标定实验得到的第二应变传感器的灵敏系数。

图6是根据一应用示例示出的一种柔性信号传感及处理装置的框图。如图6所示，该柔性信号传感及处理装置600可以包括第一应变传感器601、压力传感器602、第二应变传感器603，其中第一应变传感器601和压力传感器602可以组成信号处理模块604，在使用柔性信号传感及处理装置600对被测对象进行检测时，可以将柔性信号传感及处理装置600的衬底通过生物胶贴附在被测对象待测部位的表面，当被测对象产生等形变或受压时，第一应变传感器601可以根据被测对象的形变产生第一信号，第二应变传感器603可以根据被测对象的形变产生第三信号，压力传感器602可以根据被测对象产生受到的压力产生第二信号，由第一应变传感器601和压力传感器602组成的信号处理模块604可以对第一信号和第二信号进行信号处理得到处理后的第一信号和处理后的第二信号，外部电路605可以根据获取到的处理后的第一信号和第三信号，得到被测对象的待测部位当前的应变值和当前的温度变化，实现对处理后的第一信号的温度解耦处理，并可以根据处理后的第二信号得到压力值，最后外部电路605可以根据当前的应变值和的压力值进行后续分析得到被测对象的待测部位在当前形变和受压的状态。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种柔性信号传感及处理装置，其特征在于，包括：

衬底，以及依次设置在所述衬底上的第一金属层、电介质层和第二金属层；

所述第一金属层包括第一电极；

所述第二金属层包括第二电极、第一应变传感器，所述第一应变传感器能够根据被测对象的形变产生第一信号；

所述第一电极，以及分别与所述第一电极相对的所述电介质层和所述第二电极，形成压力传感器，所述压力传感器用于根据受到的压力产生第二信号；

所述压力传感器与所述第一应变传感器形成信号处理模块，所述信号处理模块能够分别对所述第一信号和所述第二信号进行信号处理，得到处理后的第一信号和处理后的第二信号；

所述衬底、所述第一金属层、所述电介质层以及所述第二金属层均采用柔性材料制成；

所述第一金属层还包括第二应变传感器；

所述第二应变传感器能够根据形变产生第三信号，以使外部电路根据所述第三信号，对所述处理后的第一信号进行温度解耦处理。

2.根据权利要求1所述的柔性信号传感及处理装置，其特征在于，

所述装置包括多个第一应变传感器和多个压力传感器；

其中，所述装置中包括以下连接关系中的一种或多种，以形成所述信号处理模块：

一个第一应变传感器和一个压力传感器串联；

一个第一应变传感器和一个压力传感器并联；

多个第一应变传感器和多个压力传感器混连；

一个第一应变传感器和多个压力传感器混连；

多个第一应变传感器和一个压力传感器混连。

3.根据权利要求2所述的柔性信号传感及处理装置，其特征在于，所述多个第一应变传感器分别能够检测不同方向的应变。

4.根据权利要求1所述的柔性信号传感及处理装置，其特征在于，所述柔性信号传感及处理装置还包括封装层；

所述封装层设置在所述第二金属层上，所述第一金属层、电介质层和第二金属层被封装在所述封装层和衬底之间。

5.根据权利要求1所述的柔性信号传感及处理装置，其特征在于，所述第一应变传感器具有栅形结构。

6.根据权利要求1所述的柔性信号传感及处理装置，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极为圆形箔片。

7.根据权利要求1所述的柔性信号传感及处理装置，其特征在于，所述电介质的材料包括：聚酰亚胺。

8.根据权利要求1所述的柔性信号传感及处理装置，其特征在于，所述第一金属层和所述第二金属层的材料包括：金和铬，或者金和钼。

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