CN111006802A - 一种多模态可变胞柔性传感器及信号采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于柔性传感器领域，并公开了一种多模态可变胞柔性传感器及信号采集系统。该柔性传感器呈多层结构，该多层结构中包括上电极层、间隔层和下电极层，该上电极层和下电极层中至少一个为传感器A，间隔层设置在电极层之间，通过形成电极层‑间隔层‑电极层的结构，形成传感器B，在检测待测对象时，通过在传感器A和传感器B之间切换，实现不同待测对象不同物理量的测量；另外，将传感器作为一个单胞，通过多个单胞组合形成多胞传感器。本发明还公开了采集上述传感器信号的信号采集系统。通过本发明，减少使用多个传感器的引线，提高测量精度和测量效率，降低测量成本。

Description

一种多模态可变胞柔性传感器及信号采集系统
技术领域
本发明属于柔性传感器领域，更具体地，涉及一种多模态可变胞柔性传感器及信号采集系统。
背景技术
随着柔性电子和传感器技术的发展，被广泛应用于柔性生物集成电子、飞行器智能蒙皮、机器人电子皮肤领域、人体器官表皮电子等领域，对柔性传感器系统的功能多样化、高密度集成、高鲁棒性、原位感知-激励一体化等要求越来越高，要求不同传感模块和执行激励模块的不断融合形成复杂的多功能柔性电子系统。例如，飞行器智能蒙皮需要利用柔性蒙皮在飞机表面实现原位压力、温度、风速测量，还需要进行裂纹诊断以及电磁波吸收使飞机隐身等功能；机器人电子皮肤需要在电子皮肤上实现原位触觉感知功能(感知温度、压应力、两个方向切应力、湿度、应变、距离周边物体的距离等)；应用于生物健康监测或辅助治疗的柔性生物电子需要在原位感知生物体的电势分布、温湿度、器官的运动状态、体液中血糖、血氧、盐离子、乳酸等含量分布。这些柔性电子应用涉及到的领域都是朝着结构柔性化、功能多样化、传感-激励一体化、高集成度、复杂电路系统方向发展。
随着传感和激励模块数量的不断增加、集成度越来越高、功能越来越多，柔性传感器的制备工艺复杂程度大幅增加、传感器模块密度和集成度之间的矛盾加剧，传感器的电路端口、引线数量也不断增加，功能数量和器件结构层数之比低，柔性传感器需要实现全部功能的系统资源负担高。目前，主要的集成方法是将不同传感模块(传感模块包含各种各样的视觉传感、光传感、温湿度传感、应力应变传感等不同类型的传感模块)、激励模块(激励模块包括电信号激励、逆压电效应激励、光激励、磁激励、热激励等不同类型的激励形式)，以及采集电路模块在平面方向平铺和垂直方向叠加，无法实现高集成度、多功能的柔性电子传感器系统的要求。例如，机器人电子皮肤的触觉功能需要将不同功能的传感器按照一定密度分布，由此电子皮肤上分布着大量阵列化的应力、应变、温度、湿度和距离传感器等，每种传感器都需要按照一定的密度进行排布。如需实现人体皮肤的电子皮肤所具备的触觉功能，则应力传感器密度为160个/cm2、温度传感器密度为8个/cm2，至少要在1cm2电子皮肤内集成超过168个传感单元。如果让机器人拥有超过人类皮肤灵敏度和功能的超级电子皮肤，那么传感器的规模将大幅增加。此外，每个单元都是一个独立的传感模块，其占用空间和接口引线数量要求互不干扰，就会造成器件所需要的端口引线数量极大。
现有的柔性传感器功能大多数比较单一，多功能的柔性传感器通常采用各个功能模块单元叠加分布的方式实现，当前多模态传感单元的排布有一个共同的缺陷：传感单元的端口和引线总数均为各个传感单元自有端口和引线数量之和，因此在高密度集成时，要占用大量的硬件资源且排线布局十分困难。一种传感器的测量量程或者精度有限，扩大量程或提高精度往往需要多个传感器一起工作。此外，一个传感器只有一个功能，其测量结果是否准确难以确定，而且传感器一旦损坏，就失去了相应的功能，无法通过其他传感器进行补位，从而导致传感器的可靠性降低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多模态可变胞柔性传感器及信号采集系统，其通过对上电极层、间隔层和下电极层的设计，使得柔性传感器实现多种传感器的高度集成，一方面解决使用多个传感器引线多的问题，另一方面提高测量精度和测量效率，降低测量成本。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多模态可变胞柔性传感器，其特征在于，该柔性传感器呈多层结构，该多层结构中包括上电极层、间隔层和下电极层，该上电极层和下电极层中至少一个为传感器A，所述间隔层设置在所述电极层之间，通过形成电极层-间隔层-电极层的结构，形成传感器B，在检测待测对象时，通过在传感器A和传感器B之间切换，实现不同待测对象不同物理量的测量；另外，将所述传感器作为一个单胞，通过多个单胞组合形成多胞传感器。
进一步优选地，所述上电极层作为第一电极，所述下电极层作为第三电极，所述上电极层和下电极层之间还设置有第二电极，所述间隔层包括介电层和压电层，所述介电层设置在所述第一电极层和第二电极之间，所述压电层设置在所述第二电极和第三电极层之间；所述第一电极、介电层和第二电极形成电容传感器，所述第二电极、压电层和第三电极形成压电传感器；
其中，所述第二电极包括两根电阻，分别为第一电阻和第二电阻，第一电阻弯曲呈敏感栅结构，以此延长电阻的长度，第二电阻与所述第一电阻平行分布，所述第一电阻的两端设置有引脚A和F，所述第二电阻末端设置有引脚D,所述第一电阻形成电阻传感器，通过监测引脚A和F之间的电阻反映电阻的变化，所述第一电阻和第二电阻共同形成电容传感器，通过监测引脚A/F和D之间的电容反映电容的变化；
所述第三电极包括电阻两根热电系数不同的电阻，分别为第三电阻和第四电阻，第三电阻呈敏感栅结构，第四电阻与所述第三电阻连通，并在连接点处形成热电偶，所述第三电阻的两端设置有引脚B和E，所述第四电阻的末端设置有引脚C，所述第三电阻形成电阻传感器，通过监测引脚B和C之间的电阻反映电阻的变化，所述第三电阻和第四电阻共同形成热电偶传感器，通过监测引脚B/E和C之间的热电势反映热电偶的变化。
进一步优选地，所述上电极层优选采用电磁波吸收材料，用于吸收电磁波；
所述第一电阻和第二电阻的材料相同，优选为应变灵敏度系数大于1.6，电阻率大于0.25μΩ·mm，并且电阻温度系数小于40×10-6/℃的材料，灵敏度系数高且保持常数以让第一电阻对应变敏感，电阻率大可以提高信噪比，降低引线电阻的影响，电阻温度系数小，可以减小第一电阻对温度的敏感性，以此保证第一电阻只对应变变化的灵敏度高；
所述第三电阻的材料优选为电阻温度系数大于3000×10-6/℃的材料，第四电阻的材料优选为对第三电阻热电势大于5μV/℃的材料，以此让第三电阻构成RTD温度传感器，让第三、第四电阻构成热电偶温度传感器，以满足不同温度范围的温度测量；
所述柔性传感器的厚度优选为20μm～30μm；
所述第一电极、第二电极和第三电极均通过依次经过光刻获得所需的形状，然后磁控溅射或者蒸镀沉积金属后获得；
所述第一电阻上还连接有一个附加电阻，以此增加第三电极的面积覆盖率。
进一步优选地，所述柔性传感器还包括基底，所述间隔层为压电层，所述基底是所述上电极层、下电极层和压电层的载体，其中：
所述上电极层和所述下电极层的结构相同，所述上/下电极层包括三部分电极，第一部分电极首尾两端相连，形成闭合蜿蜒蛇形，该部分电极设置有一个第一引脚，第二部分和第三部分结构相同，呈敏感栅状，分布在所述第一引脚的两侧，且第二部分和第三部分的夹角呈90度，第二部分和第二部分的一端均与所述第一引脚相连，另外一端分别设置有第二引脚和第三引脚，所述压电层设置在所述上电极层和下电极层之间，该压电层与所述第一部分电极结构相同；
当测量所述上/下电极层的第一引脚和第二引脚之间，或者第一引脚与第三引脚之间的电阻时，所述上/下电极层作为电阻传感器；当测量所述上电极层上的第一引脚与下电极层上的第一引脚之间的电压或电容时，所述传感器分别作为压电传感器和电容传感器。
进一步优选地，所述第一部分电极和压电层上均设置有多个孔径为100nm～1μm的微孔，当气态水分子进入该孔中时，改变所述压电层的介电常数，进而改变所述上电极层与下电极层之间的电容；所述上电极层和下电极层的材料均采用金、铂、银、钛、铌或钽，上电极层和下电极层的材料不同；所述压电层的材料优选采用钛酸钡、钛酸铋钠、铌酸钾钠、铌酸锶钡、铌酸钡钠、钛酸铋、钛酸铋钙或钛酸铋锶，所述基底的材料优选采用PI、PET、PU或PDMS；所述上电极层的厚度优选为100nm～200nm，所述下电极层的厚度优选为100nm～200nm。
进一步优选地，所述柔性传感器还包括底层柔性衬底、导电电极和顶层柔性衬底，所述上电极层作为顶电极，所述下电极层作为底电极，所述间隔层为中间介电层，其中：
所述底电极为平板电极，设置在所述底层柔性衬底上，所述中间介电层上设置有多个高低起伏的柔性凸起，所述顶电极包括两个平板电极，每个平行电极上设置有一根引线，两个平板电极上的引线末端相对设置形成缺口，所述导电电极设置在所述柔性凸起上，且设置在所述缺口正下方，
当所述导电电极未嵌入所述缺口时，所述顶电极上的两个平板电极形成电容，当外界环境引起该电容发生变化时，通过测量所述两个平板电极之间电容的变化反映外界环境的变化；
当所述顶层柔性衬底受到向下外力时，所述顶电极向下运动，所述导电电极嵌入所述缺口，两个所述平板电极导通形成电阻，当外界环境引起所述电阻变化时，通过测量该电阻的变化反映外界环境的变化，同时，当两个所述平板电极导通形成电阻时，整个所述顶电极作为一个平板电极，与所述底电极形成顶电极-底电极电容，当外界环境变化引起所述顶电极与底电极之间的电容发生变化时，通过测量所述顶电极与底电极之间电容的变化反映外界环境的变化。
进一步优选地，所述柔性传感器还包括基底和压电层，所述基底设置在所述压电层的下方，是所述压电层的载体，所述压电层设置在所述底层柔性衬底的下方，包括压电材料层和电极层，所述压电材料层用于感知压力，并将感知的压力转换为电荷，所述电极层用于将该电荷引出，该电极层上设置有两组正交的叉指换能器，每组正交的叉指换能器包组横向的一对叉指换能器和纵向的一对叉指换能器。
进一步优选地，所述底层柔性衬底的材料优选为PDMS或铂催化硅橡胶Ecoflex，所述底电极的材料优选为Cu或Au，所述中间介电层的材料优选为PDMS或铂催化硅橡胶Ecoflex，所述导电电极层的材料优选为导电银浆，所述顶电极的材料优选为Cu或Au，所述顶层柔性衬底的材料优选为PDMS或铂催化硅橡胶Ecoflex；
所述底层柔性衬底的厚度优选为10～20μm，所述底电极的厚度优选为200nm～400nm，所述中间介电层的厚度优选为60～80μm，所述导电电极层的厚度优选为200nm～400nm，所述顶电极的厚度优选为200nm～400nm，所述顶层柔性衬底的厚度优选为10～20μm；
所述平行电极上的引线呈螺旋状，两个平行电极上的两根螺旋状的引线交错排列，通过两根引线螺旋状的交错排列，以此增加所述引线的长度，提高温度测量的灵敏度。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于变拓扑开关矩阵的传感器信号采集系统，其特征在于，该采集系统包括上述所述的多模态可变胞柔性传感器、控制模块、多路复用开关模块、变拓扑开关模块，信号采集模块和数据处理模块，其中：
所述多路复用开关模块与所述柔性传感器连接，所述柔性传感器上的每根引脚对应所述多路复用开关模块中的多根引线，根据待测量物理量从每根引脚对应的引线中选择相应的引线用于待测量物理量的测量，其中，引线的数量等于每根引线可用于测量的物理量的数量；
所述变拓扑开关模块包括多个输入端口，与每个输入端口对应的输出端口，以及设置在所述输入端口和输出端口之间的开关，通过不同开关的组合开合，使得不同引线进行组合，以此实现不同物理量的测量；
所述信号采集模块与所述数据采集模块相连，用于将来自所述变拓扑开关模块的信号转化为数字信号；
所述数据处理模块与所述控制模块相连，用于将来自所述信号采集模块的数字信号进行解析，并将解析后的结果传递给所述控制器；
所述控制器分别与所述多路复用开关模块和变拓扑开关模块连接，用于控制所述多路复用开关模块和变拓扑开关模块中各个开关的开合；
对于待测量的物理量P，所述控制器首先确定所述柔性传感器上用于测量该待测物理量对应的引脚A,B,…,I，…，N，然后确定并选择在所述多路复用开关模块中与引脚I相连的测量物理量P的引线IP，最后确定并控制所述变拓扑开关模块中不同的开关开合，进而实现引线AP,BP,…,IP，…，NP的组合，在该边拓扑开关模块的输出端获得采集的待测量物理量P的信号，然后通过所述信号采集模块和数据处理模块传递给所述控制器，以此实现所述待测物理量P的测量。
进一步优选地，所述控制器还与所述信号采集模块连接，用于调节该信号采集模块中的增益和滤波功能，使得采集的信号清晰可读；所述多路复用开关模块中，与每个引脚对应的多根引线设置在一个多路复用器上，通过该多路复用器中开关的开合选择相应的引线用于测量，多路复用器的数量等于所述柔性传感器引脚的数量；所述变拓扑开关模块中的输入端口与所述多路复用器一一对应，每个输入端口中包括m个子端口，m为与该输入端口对应的多路复用器中引线的数量；所述信号采集模块包括信号调理单元和信号转化单元，其中，所述信号调理单元用于将来自所述变拓扑开关模块的信号进行放大、滤波和补偿，以此获得调理后的信号，所述信号转化单元用于将所述调理后的信号进行转化获得数字信号，并将该数字信号传递给所述数据处理模块；所述信号采集模块中还包括测量单元，该测量单元为单线制测量，双线制测量和多线制测量中的一种或多种的组合；所述变拓扑模块中的开关为多路复用开关、单刀单掷开关、单刀双掷开关、单刀多掷开关或双刀双掷开关。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供一种多模态可变胞柔性传感器，其核心在于提供多模态的智能和可变胞的传感器，其本身的几何结构不会变化，通过拓扑逻辑电路之间的切换，完成不同功能结构电极的选择，使其工作在不同的功能模态，从而完成了一个传感器针对多个物理量之间的原位测量需求，而且大大提高了传感器的空间利用率，提高了传感器的集成密度，实现柔性传感器的高密度测量需求；
2、本发明的柔性传感器，每一层电极，其结构设计和材料特点使其具有多种功能，可完成对应单个物理量的测量，不同层电极之间组合起来使用，又具有另外的多种功能，完成其他物理量的测量，只需要通过本发明所设计的对应的拓扑逻辑电路，选择智能变胞传感器的输出引脚，就能完成不同的物理量的测量，通过贴装一张柔性传感器，就能实现多个物理量的测量；
3、本发明中通过对信号采集系统的设计，其中通过导线互联和切换电路的设计降低硬件采集电路的接口数量，提高电路的资源利用率，切换电路能够根据需求使传感器的不同引线有选择地接入到采集电路中，实现不同传感模式下对应的物理量的测量，使用切换电路能够有效降低采集芯片的接口数量需求，从而降低系统成本；
4、本发明相对传统的多功能传感器或其他领域的多功能传感器的集成方法，实现丰富功能的同时结构简单、制备工艺简单、集成度高；能够实现原位单双向交互，解决集成度低、系统资源过分占用，导线复杂交错等问题；对厚度和面积尺寸的有效控制能够减小器件对待测对象生理机能的影响，总之，柔性传感器的结构设计、相关电路系统的设计是实现新一代复合型、高集成度柔性电子的重要手段，也是迎合市场需求的柔性电子发展的趋势。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的传感器信号采集系统的结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的传感器及其功能示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的m选1多路复用开关原理图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的变拓扑开关矩阵原理图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的传感器的实施案例；
图6是按照本发明的优选实施例所构建的传感器测量方案拓扑图；
图7是按照本发明的优选实施例所构建的单胞柔性智能蒙皮的爆炸结构示意图；
图8是按照本发明的优选实施例所构建的单胞柔性智能蒙皮的俯视结构示意图；
图9是按照本发明的优选实施例所构建的第一电极的结构示意图；
图10是按照本发明的优选实施例所构建的第二电极的结构示意图；
图11是按照本发明的优选实施例所构建的第三电极的结构示意图；
图12是按照本发明的优选实施例所构建的拓扑逻辑电路原理示意图；
图13是按照本发明的优选实施例所构建的多胞的柔性智能蒙皮组合示意图；
图14是按照本发明的优选实施例所构建的柔性变模态传感器的功能层三维结构示意图；
图15是按照本发明的优选实施例所构建的上/下电极层的结构示意图；
图16是按照本发明的优选实施例所构建的柔性变模态传感器的截面结构示意图；
图17是按照本发明的优选实施例所构建的第一部分电极的结构示意图；
图18是按照本发明的优选实施例所构建的应变及温度检测的惠斯通全桥电路原理图；
图19是按照本发明的优选实施例所构建的水合检测单元三维结构及等效电路原理图；
图20是按照本发明的优选实施例所构建的杨氏模量检测原理图；
图21是按照本发明的优选实施例所构建的2×2个模块组合形成的多模块柔性传感器的结构示意图；
图22是按照本发明的优选实施例所构建的图21中2×2个模块形成的多模块柔性传感器的电极层3的俯视图，其中，(a)用于弯曲测量时的信号输入和输出示意图，(b)是用于振动测量时的信号输出示意图；
图23(a)是按照本发明的优选实施例所构建的图21中2×2个模块形成的多模块柔性传感器的电容层的顶电极层的俯视图；
图23(b)是按照本发明的优选实施例所构建的物体靠近传感器时顶电极的电容发生变化的示意图；
图24是按照本发明的优选实施例所构建的多功能传感器用于静态压力测量的示意图；
图25是按照本发明的优选实施例所构建的多个传感器网络组合的应用示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1001-第一电极，1002-介电层，1003-第二电极，1004-压电层，1005-第三电极，1006-附加电阻；
3001-基底，3002-压电材料层，3003-电极层，3004-底层柔性衬底，3005-底电极，3006-中间介电层，3007-导电电极层，3008-顶电极，3009-顶层柔性层衬底，3010-受力凸台。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种多模态可变胞柔性传感器，该柔性传感器呈多层结构，该多层结构中包括上电极层、间隔层和下电极层，该上电极层和下电极层中至少一个为传感器A，所述间隔层设置在所述电极层之间，通过形成电极层-间隔层-电极层的结构，形成传感器B，在检测待测对象时，通过在传感器A和传感器B之间切换，实现不同待测对象不同物理量的测量；另外，将所述传感器作为一个单胞，通过多个单胞组合形成多胞传感器。
如图1所示，一种基于变拓扑开关矩阵的柔性传感器信号采集系统，包括如下模块：上述柔性传感器、多路复用开关模块、变拓扑矩阵开关模块、信号采集模块、数据处理模块和控制模块。
多路复用开关模块由多个多路复用开关构成，每个多路复用开关的公共端和柔性传感器中的一个引脚相连接，多路复用开关的多路输出端和变拓扑开关模块的输入端连接，通过MCU的控制实现柔性传感器复用引脚在不同复用功能之间的切换；
变拓扑开关模块的输出端和信号采集模块中各种功能和线制的测量单元相连接，变拓扑开关矩阵能够实现输入端口和输出端口之间的任意路由，在MCU的控制下可以根据测量需求对输入其中的各种信号进行组合，输送给相应的信号采集模块中。
信号采集模块包括信号的调理单元和信号转化单元两部分，调理单元采用信号滤波、放大、补偿等方法把输入信号调理为适合采集的信号；信号转化单元进行A/D转换把进行调理后的模拟信号数字化。
数据处理模块对采集到的数据进行存储并使用适当的数据处理算法对采集到的信息进行解析，然后把解析后的信息反馈给控制模块。
控制模块根据实际的测量需求和反馈到的测量信息，对多路复用开关模块的切换和变拓扑开关模块的选通进行控制，实现柔性传感器在多个功能之间的切换和测量，同时控制器还对信号调理和信号采集模块进行调节，使得获得的信号清晰可读。
柔性传感器引脚到测量端口之间的信号传递如下，柔性传感器引脚连接多路复用开关模块的公共端，柔性传感器模块引脚数量n(n为≥1的整数)与多路复用开关模块中多路复用器的个数n相等，即柔性传感器的每个引脚连接一个多路复用器，n个多路复用器并联组成多路复用开关模块。各个多路复用器的输出端Sm-i(i＝1,2…m)连接变拓扑开关矩阵的输入端口Lm-i(i＝1,2…m)，m(m为≥1的整数)为每个多路复用器的多路复用输出端口的数量，m等于所连接柔性传感器输出引脚的功能复用数，例如，柔性传感器的一个引脚可用于测量电压，也可用于测量电流，还可用于测量电阻，即，其功能复用数为3，与该引脚对应的多路复用器上的引线数量为3，即m＝3。
变拓扑矩阵开关模块的输入端口Lm-i(i＝1,2…m)，其中，m代表该输入端口的拓扑等级，相同拓扑等级的输入端口的数量等于在柔性传感器中可功能复用数相同的引脚的数量，例如，柔性传感器中有5个引脚均可用于测量4个不同的物理量，则m＝4，且有5组相同拓扑等级的输入端口。
变拓扑开关矩阵的不同拓扑等级的输入端口可向下兼容，以适应更多的工况。即高拓扑等级的输入端口，可以作为低拓扑等级的输入端口使用，高拓扑等级中未使用的输入端口按照实际测量需要悬空或者短接即可。
变拓扑开关模块的输出端通过MCU的控制选择性地与对应的信号采集模块连接；变拓扑开关模块的输出端的数量取决于所用信号检测单元的种类与数量，为所有测量模块所需的输入端口之和。
信号采集模块连接数据处理模块，通过算法识别后与中央控制器MCU进行互连通信，中央控制器通过识别收到的反馈信息以产生相应的控制信号，控制连接各级多路复用开关模块、变拓扑开关模块、信号采集模块、与数据处理模块。
如图2所示，图中的柔性传感器通过对引脚的分时复用和多个引脚之间的组合，可以使用多种测量原理完成多种物理量测量，能够增加柔性传感器的功能集成度；也可以使用不同的测量原理对同一物理量进行测量，提高测量的精度和范围，这种柔性传感器的主要特点是利用尽可能少的引线，来实现多种模式的测量。
如图2中所示的柔性传感器，引脚P1在A、B、C、D四个功能中均被使用，引脚P2在B、C、D三个功能中被使用，引脚P3在C、D两个功能中被使用，引脚P4在D功能中被使用。即传感单元P1、P2、P3、P4四个引脚的功能复用数分别为4、3、2、1。根据上述对多路复用开关模块的描述，在此应用场景下，传感单元引脚P1应连接4选1的多路复用器公共端，传感单元引脚P2应连接3选1的多路复用器公共端，传感单元引脚P2应连接2选1的多路复用器公共端，传感单元引脚P4应直接和变拓扑开关矩阵的出入端口相连，因为其仅有一个功能，不需要切换。
如图3所示，图中的多路复用器包括的左端为公共端口，其后方连接有m个输出端，公共端口和输出端之间设置有开关，通过开关的开合，选择测量哪一种物理量，即m中选一。
如图4所示，变拓扑开关矩阵，变拓扑开关矩阵的一级输入列L1-1，接多路复用开关模块中的单通道开关S1-1；二级输入列L2-j(j＝1,2)，接多路复用开关模块中的二选一多路复用器控制输入端S2-j(j＝1,2)；三级输入列L3-j(j＝1,2,3)接多路复用开关模块中的三选一多路复用器控制输入端S3-j(j＝1,2,3)；四级输入列L4-j(j＝1,2,3,4)，接所述多路复用开关模块中的四选一多路复用器控制输出端S4-j(j＝1,2,3,4)；依次类推，n级输入列为Ln-j(j＝1,2…n)，连接n选1的多路复用器的多路输出端Sn-j(j＝1,2…n)。
上述说明了不同规模的多路复用器输出端口和不同级别变拓扑开关矩阵输入端口之间的对应关系。如果某柔性传感器中，功能复用数为a的引脚共有b个，则每个引脚后均应接一个b选1的多路复用开关，所以在变拓扑开关矩阵中，也应该有b个a级别的输入端口组与之对应。
变拓扑开关矩阵模块的输出端口连接信号采集模块中不同的测量单元，测量单元根据不同测量原理和功能对线制的需求，可以分为单线制测量，双线制测量，及多线制测量，变拓扑矩阵模块的输出端口为了能够和任意线制的测量单元连接，可划分为不同级别的输出端口组，在实施过程中，单线制测量单元和变拓扑开关矩阵的一级输出端口H1-1连接；双线制测量模块和二级输出端口H2-j(j＝1,2)连接；三线制测量单元和三级输出端口H3-j(j＝1,2,3)连接；四线制测量单元和四级输出端口H4-j(j＝1,2,3,4)连接；以此类推，n线制测量模块和n级输出端口Hn-j(j＝1,2…n)相连。
上述说明了不同线制测量单元和不同级别变拓扑开关矩阵输出端口之间的对应关系。在具体的实施过程中，应根据实际功能的需求，如果某传感单元中，需要a线制测量的模块b个，则在变拓扑开关矩阵中应有b个a级的输出端口与之对应。
柔性传感器可以有多个单功能引脚，也可以有多个复用功能的引脚，所以正常情况下应该是多个复用引脚同时作用，且这些引脚的复用数也不尽相同。例如当采用四线制测量时，可能需要用到四个复用数为一的引脚，即单功能引脚，也可能用到m个复用数为1的引脚，n个复用数为2的引脚，p个复用数为3的引脚，q个复用数为4的引脚,其中m+n+p+q＝4，m、n、p、q均为≥0的整数。假设m＝n＝p＝q＝1,那么可通过控制四个多路复用开关为每个引脚选择对应的复用功能，同时通过中央主控器MCU产生驱动信号驱动矩阵开关选通H4-i(i＝1,2,3,4)来实现四线制的测量。依此类推，该方法可以实现任意信号的切换，进行任意线制的测量，其中，多线制测量是指测量单元测量时，所需的柔性传感器上引脚的数量。
一个典型的例子为如图2所示的传感单元，柔性传感器有四个引脚，通过不同引脚之间的组合可以实现4种功能。功能A为单线制测量，需要使用引脚P1；功能B为双线制测量，需要使用引脚P1、P2；功能C为三线制测量，需要使用引脚P1、P2、P3；功能D为四线制测量，需要使用引脚P1、P2、P3、P4，所以变拓扑矩阵需要有10个输出端口，以供四种测量模块同时连接。
根据上述多路复用开关模块和变拓扑矩阵的原理，提出一种这种结构的电路实现方法。传感单元引脚P1的功能复用数为4，需要连接一个4选1的多路复用开关，然后多路复用开关的多路输出端口S4-j(j＝1,2,3,4)和变拓扑开关矩阵的四级的输入端口L4-j(j＝1,2,3,4)连接，为了实现与10个输出端口的任意互联，可使用规律排布的10个单刀单掷开关与输出端口进行连接；传感单元引脚P2的功能复用数为3，需要连接一个3选1的多路复用开关，然后多路复用开关的多路输出端口S3-j(j＝1,2,3)和变拓扑开关矩阵的三级的输入端口L3-j(j＝1,2,3)连接，为了实现与10个输出端口的任意互联，可使用规律排布的10个单刀单掷开关与输出端口进行连接；传感单元的引脚P3和P4也可使用与之类似的方式与输出端口相连接，变拓扑开关矩阵，如图4中所示，通过控制变拓扑开关矩阵的选通和多路复用开关模块的切换，即可实现测量模块的传感单元的任意一个引脚都能够选通到任意一个测量单元的测量引脚。
采集部分主要由信号调理单元，信号采集单元组成，其中信号调理单元中包括信号放大处理模块，信号滤波处理模块，信号补偿电路模块等，把输入信号调理成适合采集的信号，信号采集单元把信号量化后发送给数据处理单元。数据算法识别单元对收到的数据进行存储，并结合采用相应的数据处理算法，对采集模块采集到的多种物理量进行解析，然后反馈给控制模块，中央控制器根据反馈得到的测试数据，完成多种功能的切换以及对信号采集的控制。
图5为所示为一个柔性传感器的更加具体化的典型案例，此柔性传感器由3层结构构成，引出了4个引脚，可实现3种测量功能，具体如下：
引脚组合 功能 待测物理量
P1、P4 测量温度 电阻
P2、P3 测量应变 电阻
P1、P2、P3、P4 测量压力 电压
柔性传感器上层电极材料为康铜，把P1和P4两个引脚接入电阻测量模块，用于测量温度；下层电极材料为康铜，把P2和P3两个引脚接入用于测量应变；上下两层电极之间为PZT层，根据其压电效应，把P1、P4、P2、P3四个引脚接入电压测量模块，可以测量上下层之间的压力。
根据上述的矩阵开关的实现原理，和图5中柔性传感器的说明，可以设计出针对于此柔性传感器的开关切换方案，如图6所示。此测量方案有三个测量模块，分别对应着温度、应变和电压三种测量功能，通过开关的切换，把不同引脚的组合接入测量模块，可实现三种功能的切换。柔性传感器共有4个引脚，每个引脚的功能复用数均为2，所以每个引脚均接入一个单刀双掷开关。矩阵开关的排布及其在工作中的开关状态如图6中所示。当测量温度时，使用的是引脚P1和P4的测温度功能，故控制单刀双掷开关P1-2和P4-1导通，便可把柔性传感器引脚P1和P4上的信号送入电阻测量1模块中，可以实现对温度的测量；当测量应变时，使用的是引脚P2和P3的测量应变功能，控制单刀双掷开关使P2-1和P3-2导通，便可把柔性传感器引脚P2和P3的信号送入电阻测量2模块中，可以实现对应变的测量；当测量压力时，使用的是P1、P2、P3、P4的压力测量功能，此时控制单刀双掷开关使P1-1、P2-2、P3-1和P4-2导通，便可把4个引脚的信号送到电压测量模块中，实现对压力的测量。在柔性传感器各个功能的切换过程中，矩阵开关无需进行切换，仅通过控制单刀双掷开关对柔性传感器引脚功能进行切换，矩阵开关可自行实现对不同引脚的组合，可方便的实现对柔性传感器多种测量功能的切换。此方案控制简单明晰，并且各测量模块相互独立，相互之间没有干扰。
本发明所设计的变拓扑开关矩阵中使用的开关，包括但不限于图4和图6中的单刀单掷开关和单刀双掷开关，可以根据具体的应用场景选取不同的方式，如多路复用开关、单刀多掷开关、双刀双掷开关等，能够满足出入端口和输出端口任意路由的方案均可。本发明使用到的中央控制器MCU，可以使用各种控制器，如MCS-51内核的单片机、ARM内核的控制器以及DSP、CPLD、FPGA等。
下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。
实施例1
本实施例中，第一电极作为上电极层，第三电极作为下电极层，间隔层包括介电层和压电层，一种柔性传感器，主要部分总共包含五层结构，如图7所示，自上而下依次是第一电极1001，介电层1002，第二电极1003，压电层1004，和第三电极1005，第一电极可作为电磁波吸收层，可第二电极1003用于测量应变和湿度传感层，第三电极1005可用于测量温度。其中，第一电极1留有一个引脚G，第二电极1003留有三个引脚A、D和F，第三电极1005留有三个引脚B、C和E，每单胞柔性传感器一共7个引脚。整个器件的厚度在20～30μm，具有非常好的柔性，非常适合贴在曲面飞行器表面进行多物理量的原位测量。
如图9所示，第一电极1001为具有电磁波吸收功能的超材料结构，例如，采用十字形，回字形，圆形结构等；当智能变胞传感器不工作的时候，第一电极1001自身构成一种LC振荡电路，从而可以将外界环境中的电磁波吸收，使待测对象处于一种隐身状态，本实施例中，第一电极采用的是开口谐振环的电磁波吸收结构
如图10所示，第二电极1003包括金属应变片式的敏感栅结构的第一电阻，其材料可选为康铜，还包括与第一电阻咬合的第二电阻，图中，黑色区域为第一电阻和附加电阻，第一电阻和附加电阻配合放置，附加电阻填补在第一电阻形成的敏感栅结构的间隙中，并在某处于第一电阻连通，灰色格纹区域为第二电阻，第一电阻与第二电阻平行设置，二者配合构成一个平面电容传感器，可用于飞行器表面的湿度测量，敏感栅结构大大增加了中间电极1003整体的面积覆盖率；当单独使用第二电极1003时，其可以单独作为电阻传感器和电容传感器，可分别用于测量待测对象的应变和湿度，当用于测量湿度时，其电容的介电常数与环境的湿度有关。
第一电阻采用敏感栅箔片式，即图中A到F，材料选用康铜(Cu55Ni45)，康铜的电阻率比较大，同时电阻率温度系数较低，在准确测量应变的前提下，受温度的影响非常小，每一个电阻应变单元Rx与三个标准电阻R互联构成惠斯通全桥电路。设电桥的供电电压为Vcc，则桥臂分压差，
Figure BDA0002322399910000081
通过测量△V的值，就能知道该处应变传感器单元的电阻，从而换算出该处的应变值。进一步的，为增大第二电极整体的面积覆盖率，设计第二电阻，其与第一电阻一起构成了一个平面电容传感器，该电容的极板正对面积，极板间距都是固定的，所以只与其极板间的介电常数有关，而介电常数，容易受到环境中湿度的影响，所以当湿度发生变化时，该平行板电容器的电容就会随之发生变化，从而可以用来测量飞行器表面的湿度。
如图11所示，第三电极1005包括两个热电系数差异很大的电阻，其中一个为热电阻式的温度传感器敏感栅箔片式的第三电阻，图中的白色蜿蜒区域为第三电阻，其材料可选为金属铂，为了进一步增大第三电极5的面积覆盖率，另外一个为与温度敏感铂栅相连的第四电阻，图中黑色区域为第四电阻，在图11中的放大图中白色虚线框中，可以看出，第三电阻与第四电阻连通，第四电阻材料可选为铂铑，两个电阻配合形成热电偶传感器，用于范围更大的温度的测量，完成更大范围的温度的测量或者增大温度测量的鲁棒性，弥补第三电阻温度测量量程的不足，在低温范围内，二者的测量结果也可相互验证。
第四电阻上还连接有附加电阻1006，如图11所示，该附加电阻的作用在于增加第三电极的面积覆盖率。
本实施例中，第三电极选用电阻温度系数系数比较高的金属铂作为温度传感层的材料，电阻温度单元的结构设计为沿八个方向均匀分布的敏感栅结构的箔片式，如图中引脚B到引脚E，以保证温度测量时的准确性，当温度发生变化时，电阻温度单元的电阻就会发生线性变化，通过测量BE引脚之间的电阻，就可以反映出该处的温度大小。
此外，为增大第三电极的整体面积覆盖率，设计第四电阻与第三电阻相连，这样，第三电极的整体占空比就从42％上升到了88％，大大提高了其电学输出性能，而且第四电阻在材料上选择使用铂铑合金，其与材料为铂的第三电阻构成了铂-铂铑热电偶传感器。
铂电阻温度传感器灵敏度和精度更高，但是测量范围在-50～150℃，而热电偶的精度虽然低一些，但是测量范围可以到2000℃，由于基底材料的限制，测量范围可以工作在0～350℃。所以在低温范围，选择使用铂电阻温度传感器模式，提高测量的精度，也能选用热电偶温度传感器模式，对铂电阻的测量结果进行校正；当在高温范围时，测量精度不是很高，可以选用热电偶温度传感器模式，以此通过测量模式的转变，提高了温度测量的准确性、广泛性和鲁棒性。
介电层，绝缘柔性基底，可选择的材料有：PI(耐温性好)，PDMS等,该介电层将第一电极和第三电极隔开，使得二者可形成电容；
压电层，介于第二电极1003和第三电极1005之间，使得第二电极、压电层和第三电极整体形成压电传感器，该压电层可选择压电常数大的压电材料，例如：压电陶瓷。
单个传感器的不同层的电极，还可以联合起来使用，形成一些全新的传感测量模态，通过拓扑逻辑电路的选通，进行采集引脚的转换，可第一电极-介电层-第二电极结构，就构成了一个电容传感器，通过测量其电容的变化，就可以完成飞行器表面的静态压力的测量；第二电极1003-压电层-第三电极1005结构构成一个压电传感器，当受到压力时，其表面会计划出正负电荷，通过采集设备导出形成电压，通过测量第二电极1003和第三电极之间的电压大小，就可以推算出其表面的压力大小，压电传感器的频响高，灵敏度高，响应速度快，非常适合完成飞行器表面的高频动态压力或者振动信号的测量。
第一电极-介电层-第二电极-压电层-第三电极的多层结构。对于多层结构传感器，其典型结构为电极-功能层-电极的结构模式，其电极最基本的功能是将功能层的电学输出信号导出到采集设备进行采集，其材料选择一般是需要和功能层的结构参数以及传感器的制备工艺相匹配即可。但是针对本发明中电极的设计，上下层电极不仅仅起着简单的传递电信号的功能，其本身还起着传感、电刺激、发声、发热、电磁吸波等功能，本发明中的单个电极本身可以完成传感、电刺激、发声发热、电磁吸波等功能，通过多功能约束的电极设计后，其在占空比和拉伸能力方面，设计上也有比较好的权衡。针对电极-功能层-电极的多层结构传感器，比如压电传感器、电容传感器等，通过上下层电极的异构化设计，即可在不增加传感器结构复杂程度和制备工艺难度的前提下，赋予传感器的一个单胞更多的功能。
如图13所示，将上述柔性传感器作为一个单胞，当有多个单胞共同形成多胞结构，当为多胞结构时，单个单胞作为电信号输入，作为刺激或者激励，完成另外的实验监测或者测量需求，其对电极的要求是，单层电极要求留有两个引脚，可以方便电信号的输出以及输入，其中第二电极与第三电极均为敏感栅结构箔片式的电极设计，如图8所示，每个单胞含有7个引脚，对于含有4个单胞的多胞结构，共有28个引脚。第二电极与第三电极采用不同的材料，来完成不同物理量的测量，例如分别采用康铜和铂时，就可以完成应变和温度的测量。当第二电极与第三电极各自作为传感器使用时，在第二电极的第一电阻与第三电极的第三电阻各自的两个引脚AF和BE分别接引出线，即可测量出每一个单元处的温度或者应变大小。多胞结构的四个单胞按照不同的方向布置，其第二电极的第一电阻也布置在不同的方向，从而可以测量出不同方向的应变。当作为第二电极、压电层和第三电极作为压力传感器使用时，第二电极的两个引脚相连形成一个端口，第三电极的两个引脚相连形成一个端口，例如：将引脚A、F相连作为端口O，引脚B、E相连作为引脚P，测量OP之间的输出电压，即可知道该处的压力大小。当其中一个单胞作为激励使用时，将激励信号源接在其中一个单胞的第二电极的两个引脚之间，例如：在引脚B1、E1之间接入直流电流，该第三电极就转变为了一个发热源，通过测量其他单胞的第三电极的两个引脚之间的电阻大小，例如：引脚B2-E2、B3-E3、B4-E4之间的电阻大小，就可以推算出该处的流速大小；当在一个单胞的第二电极和第三电极之间通入交流电流时，测量其他单胞的第二电极和第三电极之间的电压大小，通过电压大小反映其他单胞所在处的质量状态，包括该测量处是否存在裂纹和冲击，在结构健康监测方面有广泛的应用。
如图12所示，每一个单胞传感器有ABCDEFG7个引脚，分别选用S1，S2两个多路复用电子开关去控制切换这7个引脚，那样，其中任意两脚的输出或者输入，就都可以实现了。结合到本发明的具体实施案例，多种测量功能之间不同时使用，所以可以采用共用总线的方式，大大简化了拓扑逻辑电路的复杂程度。所以，在电路另一端，开关选用S3，S4，S5，S6，S7双刀开关，分别对应连接电阻测量、电容测量、电压测量、直流激励、交流激励五个设备，就可以涵盖本发明所述智能变胞传感器所有的8个功能的测量。下面将结合每一层的结构，具体说明不同测量功能之间的转换。
测量时，通过拓扑逻辑电路开关S1选择B引脚，开关S2选择E引脚，传感器工作在铂电阻温度传感器模式，S3闭合，S4-S7断开，将B、E引脚连到LCR表或者数字万用表等电阻采集设备上，测量到电阻温度单元的电阻值及其变化，通过标定实验获得灵敏系数值，就可以换算出该处的温度变化，从而就可以知道该处的温度值。将电阻温度单元连入电桥，通过测量电桥两端的电压变化，也同样可以推算出此处的温度值。通过拓扑逻辑电路开关S1选择C引脚，开关S2选择B或者E引脚，传感器工作在热电偶温度传感器模式，开关S5闭合，测量B、C电极间的电势大小，就可以知道该处的温度大小。
当需要第三电极合起来作为电极使用时，只需将开关S1同时选择B、C、E即可。当多个单元组合起来使用时，第一个单元的拓扑电路开关S1选择引脚B1，开关S2选择引脚E1，选择开关S6闭合，该电极就转变为了一个发热源，第二个单元的拓扑电路开关S1选择引脚B2，开关S2选择引脚E2，选择开关S3闭合，通过测量其处的电阻大小，就可以推算出该处的流速大小。
通过拓扑逻辑电路，当开关S1选择A，开关S2选择F，S3闭合，连接电阻测量设备，第二电极就工作在应变传感器模式，通过多个传感器组合测量，可以测量飞行器表面的应变大小以及方向；当S1选择D，S2选择F，开关S4闭合时，第二电极就工作在湿度传感器模式，可以测量飞行器表面的湿度。当需要第二电极合起来作为电极使用时，只需将开关S1同时选择A、D、F即可。
第一电极-介电层-第二电极结构构成一个电容传感器，拓扑电路的开关S1选择A、D、F，开关S2选择引脚G，选择开关S4闭合，通过测量其电容的变化，就可以完成飞行器表面的静态压力的测量。
第二电极-压电层-第三电极形成压力传感器，当受压时，压电层的两面会极化出与压力成比例的电荷，经电极引出，从而形成电压，本实施例中，压电层的材料选用锆钛酸铅PZT，经溶胶凝胶法制备出压电薄膜，再快速退火而成。其上表面是由康铜材料制备而成的第二电极，其下表面是由金属铂和铂铑合金制备而成的第三电极，当智能变胞传感器的工作模式为压力传感器时，第二电极1003作为压电传感器的顶电极，收集压电材料上表面产生的极化电荷；第三电极作为压电传感器的底电极，收集压电材料下表面产生的极化电荷。工作时，由扫描式阵列选通电路，开关S1选择引脚A、D、F，作为压电传感器的正极，开关S2选择引脚B、C、E，作为压电传感器的负极，开关S5闭合，通过测量两极之间的输出电压大小，就可以测量到作用在传感器表面的动态压力大小。进一步的，通过分析测量到的电压曲线的频谱和相位图，可以得出飞行器表面的振动频率。而且压电传感器阻抗大，频率响应高，响应时间快，受环境以及测量线等的误差影响较小，非常适合测量飞行器表面变化迅速的压力场。将四个传感器组合起来使用，第一个单胞的开关S1选择引脚A1、D1、F1，开关S2选择引脚B1、C1、E1，开关S7闭合，该电极结构就转变成了一个表声波发射源，其他三个单元的开关S1选择引脚A、D、F(2～4)，开关S2选择引脚B、C、E(2～4)，开关S5闭合，测量其之间的电压输出，就可以测量该处的裂纹和冲击，在结构健康监测方面有广泛的应用。
本发明通过多模态智能变胞传感器的电极设计，使得传感器的电极扮演着不同角色，可用于完成不同的功能，电极的引脚连接到逻辑拓扑电路上，通过电路的切换，可以完成传感器电极之间的连接方式，使得传感器完成从某几种到另几种传感器的转变，从而可实现飞行器表面压力分布、气流流速、温度分布、应力应变、振动、湿度、结构健康等多物理量的原位测量。这样，通过一种传感器，就可以原位在线完成8种功能的测量，与传统风洞测量技术相比，本发明所述的变胞传感器，面积大、超薄、测量功能多，在用于飞行器领域时，在不影响飞行器表面的流场的情况下，能原位在线检测多个物理参数；与并排分布的多功能传感器相比，大大增加了传感器的空间密度，提高了测量的准确性；与多层堆叠的传感器，大大减少了引线的数量，也降低了加工制备的难度。
实施例2
如图14所示，一种用于生理信息监测的柔性变模态传感器，该传感器包括上电极层、压电层和下电极层，压电层即为间隔层，其中：
所述上电极层和所述下电极层的结构相同，如图15和16所示，所述上/下电极层包括三部分电极，第一部分电极首尾两端相连，形成闭合蜿蜒蛇形，该部分电极设置有一个第一引脚，第二部分和第三部分结构相同，呈敏感栅状，分布在第一引脚的两侧，且第二部分和第三部分的夹角呈90度，本实施例中，第二部分电极的方向为x轴方向，第三部分电极的方向为y轴方向，第二部分和第二部分的一端均与所述第一引脚相连，另外一端分别设置有第二引脚和第三引脚，所述压电层设置在所述上电极层和下电极层之间，该压电层与所述第一部分电极结构相同；
当测量所述上/下电极层的三个引脚中的两个之间的电阻时，所述上/下电极层作为电阻传感器，当测量所述上电极层上的第一引脚与下电极层上的第一引脚之间的电压或电容时，所述传感器分别作为压电传感器和电容传感器。
本实施例中，上电极层的引脚为m1,x1和y1，下电极层的引脚为m2，x2和y2，其中，m1和m2为第一部分电极的引脚，可测量上电极层m1和x1，m1和y1之间的电阻，也可测量下电极层m2和x2，m2和y2之间的电阻。
进一步地，如图17所示，第一部分电极和压电层上均设置有多个孔径为100nm～500nm的微孔，当水蒸汽进入该孔中时，改变所述压电层的介电常数，进而改变所述上电极层与下电极层之间的电容。
进一步地，所述上电极层的材料优选采用金、铂、银、钛、铌或钽。
进一步地，所述下电极层的材料优选采用铂、金、银、钛、铌或钽，上电极层的材料和下电极层的材料不同，否者无法对温度和应变进行解耦。
进一步地，所述压电层的材料优选采用压电材料钛酸钡、钛酸铋钠、铌酸钾钠、铌酸锶钡、铌酸钡钠、钛酸铋、钛酸铋钙或钛酸铋锶，压电传感是一种无需外部电源的自供电的传感方式，与常用的压电材料PZT相比，其具备生物兼容性，与氧化锌和PVDF相比，其具备更高的压电性能，其结构设计为：蛇形蜿蜒结构，其上设置有微孔阵列结构。
所述基底的材料为PI、PET或PDMS等柔性材料。
进一步地，所述上电极层的厚度优选为100nm～200nm，所述下电极层的厚度优选为100nm～200nm。
敏感栅状结构可用于测量温度和应变并对彼此造成的误差进行补偿，基于此，下层电极材料可选择为电阻温度系数较大且具有生物兼容性的金属铂，金、银、钛、铌或钽，上电极层材料选择可选择为应变敏感系数较高的金属金、铂、银、钛、铌或钽；同时，为了使得传感器具备良好的可拉伸性，将电极结构设计为蛇形蜿蜒结构保证了较大的占空比和可拉伸能力。
本发明的一种用于生理信息监测的柔性变模态传感器在测量温度、应变、震动、声波、水合、电势、电刺激和杨氏模量中的应用，具体地：
(1)温度检测和应变检测：如图18所示，敏感栅状结构的第二部分电极是电阻式温度应变传感单元，同时测量上下层第二部分电极(或第三部分电极)的电阻值，能够获得器件贴附位置的待测对象的温度及相应轴向的应变，同时测量上下层第二部分电极和第三部分电极的电阻值能够获得贴附位置处产生的X轴向和Y轴向应变，并能够获得两组温度值，可进行平均计算使测得的温度更为精确。
温度和应变同时对上和下电极层两个金属敏感栅状结构的电阻产生影响，通过联立上和下电极层金属的电阻计算方程形成方程组，对其进行解耦便能够得到精确的温度和应变值，考虑压电层厚度带来的上下层电极与应变中性层的距离产生的影响，其中，应变中性层是应变(或应力)为零的面，在一个板或者一个悬臂梁弯曲后，不同厚度层具有不同的应力，比如向下弯曲的时候，悬臂梁厚度靠上的位置的面内是拉力作用，靠下的位置的面内是压力的作用，那在拉压之间的一定会有一个面是没有任何应力的，称之为中性层或中性面。如图9所示，为电阻检测所使用的惠斯通电桥电路，此外，温度的检测可分别利用X轴向和Y轴向栅状结构的上下层电极求解后求其平均值得到更为精确的温度值，多个变模态单元组合实现生物组织或器官表面温度场和应变云图的分布变化。
温度检测可评估待测对象的状态；当贴附于动物体关节处等位置时可利用应变检测功能获取动物肢体的运动状态。
测量x1和m1,y1和m1,x2和m2,y2和m2之间的电阻，即通过分别检测上和下电极层获得两组X轴向和Y轴向的电阻，解耦得到两组温度数值及X轴向应变值和Y轴向应变值。
(2)震动检测和声波(震动)刺激：上下电极层蛇形蜿蜒部分的第一部分电极与之间的压电层形成压电传感器，微孔能够降低所在区域功能层的垂直刚度，提升压电单元的灵敏度，利用其正、逆压电效应可分别实现震动检测和声波刺激功能。
可利用震动检测功能检测待测对象的呼吸、待测对象内部压力变化、待测对象蠕动特征、待测对象的收缩状态等；声波刺激能够对待测对象皮肤施加触觉反馈，与其他传感功能一起形成双向交互。
对于震动检测，震动引起压电信号的变化，通过一个通路的正负极分别接上下层电极的同一侧蛇形蜿蜒区临近的引脚m1或m2，实现对蛇形蜿蜒区产生的压电电压信号进行采集，对于声波检测，其与震动检测通路的接线方式相同，利用该接线通路的正负极对压电功能层施加电信号，利用逆压电效应形成声波(或震动)，实现触觉反馈等功能。
(3)水合检测：如图19所示，上下电极层的层蛇形蜿蜒结构电极与之间的具有微孔阵列结构的压电层形成电容传感器，下电极层在制备时在功能区的微孔阵列结构区域自然形成相同微孔分布，并不与下电极层形成短路，微孔使得待测对象表面的水的气态分子能够渗入进去，从而改变电容值，通过测量电容值的大小获得器件贴附位置的水合值。
当传感器贴附于待测对象的表面时，测量引脚m1和m2之间电容的变化，能够评估待测对象水合状况。
对于电势、电刺激和杨氏模量的检测可采用多模块柔性变模态传感器，具体如下：
(1)电势检测和电刺激：下电极层直接贴附在待测对象表面，可拉伸蛇形蜿蜒结构的电极部分能够在保证其具备较好可拉伸性同时具备良好的电学性能(有效电极工作区占空比较高)，能够作为电势检测电极和电刺激电极使用，多个变模态单元配合充当多个电势测量点和地极实现多点生物电势检测功能；也能利用变模态单元两两组合，对待测对象施加电场刺激。
选取多个柔性变模态传感器贴附在待测对象表面不同的位置，测量每个传感器上的电压，两个传感器的电压差即为传感器所在处的电势，当将其中一个传感器作为电刺激激励信号时，其它传感器上测量的电压即为电刺激信号。
不同位置处的对于电势的检测，首先确定电势检测点数量a，将多种信号选通电路的a路通道的正极分别接变模态单元的下层电极蛇形蜿蜒区临近的引脚之一m1或m2，将这a路通道的负极同一接地(选择电势比较稳定的部位贴附单个变模态单元按照上述接法作为地极)，实现多点待测对象电势检测。
(2)杨氏模量检测：如图20所示，一个传感器作为激励施加单元，相邻的另一个传感器作为震动检测单元，当待测对象的杨氏模量范围处于1kPa～1000kPa时有如下公式：
Figure BDA0002322399910000111
其中，Vsensor作为传感器接收到的电压信号，Vactuator作为激励单元施加的电压信号，e31和k33分别为压电材料的压电系数和介电系数，APVDF和hPVDF分别为PVDF功能区面积和厚度，EPI和Etissue分别为PI基底的杨氏模量和待测对象的杨氏模量，hPI为基底PI层的厚度，d为激励单元和传感单元的间距，通过该公式能够计算待测对象的杨氏模量。
电势检测功能可以用来检测肠电、心电、脑电、肌电等生物电势；电刺激功能可以用来对神经施加有益刺激从而促进器官收缩或抑制其收缩，也可以控制动物体的肢体运动，加快肢体运动机能恢复，也能够在皮肤表面形成电触觉；杨氏模量检测对于生物组织或器官患癌情况、发炎状况以及皮肤健康状况等进行评估。
将本发明中提供的柔性变模态传感器应用于电路中，电路系统包括变模态传感器，无关信号补偿单元、多种信号切换选通电路、无线双向通讯单向供能无线模块、主控MCU控制模块。其中,变模态传感器包括多个柔性变模态传感单元，无关信号补偿单元为一个柔性变模态传感单元，无线双向通讯单向供能无线模块包含信号采集处理电路和单一线圈对，无线双向通讯单向供能无线信号采集处理电路包含差分放大电路、滤波电路、算法电路、能量转换电路，线圈对包含体内线圈和体外线圈，主控MCU控制模块包含数据存储模块、蓝牙通讯模块、能量传输电路、便携式电源。
电路系统工作流程如下：变模态传感器中的传感单元采集有用信号和无关信号，无关信号补偿单元采集无关信号，通过多种信号选通电路将自身检测到的电势信号和压电信号传递给无线双向通讯单向供能无线信号采集处理电路，通过对采集到的信号进行滤波并与无关信号进行差分得到有用的数据，利用算法电路对有用数据进行编码并通过无线双向通讯单向供能无线的单一线圈对将数据传输至体外的主控MCU模块的数据存储模块并通过蓝牙模块传递给PC或智能手机(APP)。
施加有益激励：智能终端通过接收到的数据对待测对象的状况进行分析处理实时评测，根据分析的结果对具体部位施加针对性的有益电刺激或电触觉刺激，通过将施加电刺激的命令以蓝牙通讯方式传递给主控MCU控制模块，MCU控制模块利用近场通讯的线圈对无线将指令反馈给无线双向通讯单向供能无线模块，经由多种信号选通电路将电信号传递给器件，通过对测试对象的施加电刺激实现逆向反馈，例如，若某处需要进行同步电刺激，则智能终端将刺激编码传递给主控MCU模块通过利用信息的反向传递，将刺激信号传递给无线模块，对传感器施加以电流刺激，通常所需刺激电流大小为3mA，波形为方波，频率为100～200Hz低频电流，施加电流要与生理电势同步，同步刺激的刺激效果最佳。也可以利用电刺激功能对应用对象的表皮施加电刺激从而实现电触觉功能。
能量传递：待测对象内部电路的供能由主控MCU模块将便携式电源的能量通过能量传输电路传递给体外线圈，待测对象外线圈与待测对象内线圈之间通过谐振方式利用电磁场进行体内到体外能量的传输，通过无线双向通讯单向供能无线模块的能量转换电路，能量一部分由电路自身消耗，一部分作为施加交变磁场的能量消耗。
实施例3
本实施例中，底电极3005作为下电极层，顶电极3008作为上电极层，间隔层为中间介电层3006，如图21所示，该柔性传感器包括电容层，电容层从底至上依次为底层柔性衬底3004、底电极3005、中间介电层3006、导电电极3007、顶电极3008和顶层柔性衬底3009，底层柔性衬底3004和顶层柔性衬底3009作为衬底，与外界隔离，采用柔性绝缘材料，中间介电层3006由多级高低不同的金字塔状的柔性凸起结构组成，增加了压力测量的灵敏度和量程，顶电极3008由两条螺旋线圈和平板电极组成，每个平板电极连接一个螺旋线圈，两个螺旋线圈的末端相对形成缺口，缺口正下方对应的金字塔状的柔性凸起上设置有导电电极3007，导电电极嵌入缺口时，将两块平板电极导通形成电阻，用于测量对柔性传感器施加压力的物体的温度，两个平板电极构成平面电容器，用于测量物体接近时的距离，底电极3005为平板电极，底电极3005和顶电极3008构成平行板电容器，在压力的作用下而变化，用于静态压力的测量。
该柔性传感器还包括基底3001和压电层，基底3001为柔性传感器中其他部件的载体，压电层包括压电材料层3002和位于其上方的电极层3003，压电材料层3002用于感知压力，并将感知的压力转换为电荷，电极层3003用于将该电荷引出，电极设置为叉指对的形式，电极层3003上设置有两组正交的叉指换能对，每组正交的叉指换能器包组横向的一对叉指换能器和纵向的一对叉指换能器，横向/纵向的一对叉指换能器中的两个叉指换能器一个作为信号的输入，一个作为信号的输出时，用于弯曲程度的测量，两个叉指换能器都作为信号的输出时，用于振动信号的测量。
柔性传感器还包括受力凸台3010，受力凸台3010设置在电容层上表面的正中央，作为柔性传感器与外界环境接触的媒介。
将包括基底、压电层和电容层的柔性传感器作为一个模块，如图21所示，图中是2×2个模块组合形成的多功能柔性传感阵列，该阵列电容层的上表面中央设置有一个受力凸台3010。
当物体接近柔性传感器时，顶电极3008上的两个平板电极组成的平面电容发生变化，通过测量电容的变化反映所述待抓取物体与所述柔性传感器之间的距离，以此实现距离的测量；
机械手的弯曲导致压电层的叉指换能器对之间的路径发生变化，通过测量其中的接收叉指换能器的电压幅值和相位，以此实现柔性传感器弯曲程度的测量；
柔性传感器受到压力的作用，导致导电电极嵌入缺口，待抓取物体的温度变化引起两个平板电极形成的电阻发生变化，通过测量两个平板电极两端的电阻获得待抓取物体的温度，以此实现温度的测量；
机械手抓取物体时的压力和剪应力使得顶电极和底电极之间的电容发生变化，通过测量所述2×2阵列组合的4个电容的变化趋势和变化大小，即可解耦出压力和剪应力的大小和方向；
同时，压电层的叉指换能器对均作为输出电极，以此感知抓取过程中的动态压力信号。
图22是图21中2×2个模块形成的传感器阵列的电极层3003的俯视图，图22中(a)是当用于弯曲测量时，横向/纵向的一对叉指换能器中的两个叉指换能器一个作为信号的输入，一个作为信号的输出，其中一个换能器称为输入换能器，通过逆压电效应将输入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由另一个换能器，称为输出换能器，将声信号转变成电信号输出。
图22中(b)是当作为振动传感器时，两个叉指换能器均作为输出，在压力的作用下，由于压电效应会在两极板上产生电荷，且产生的电荷量与振动信号成正比。
对于各向同性压电材料，叉指换能器对的输出电压与其几何参数相关，具体如下：
Figure BDA0002322399910000131
式中，h是与压电材料及其物理属性相关的常数，t是时间，VR是瑞利波的传播速度，L是输入换能器接输入电压的叉指和输出换能器接输出电压的叉指之间的距离，a是叉指电极之间的距离，m,n分别为输入换能器和输出换能器叉指的数目，vin是输入换能器的激励电压，vout是输出换能器的输出电压。从上式中可以看出，输出电压随换能器对的尺寸参数a和L变化而变化。沿换能器方向的弯曲变形，会导致压电材料的各向异性，影响表面声波的传播，从而改变输出电压的幅值和相位，输出换能器接收电压的幅值、相位正比于弯曲半径，即单对的换能器对可以表征沿换能器方向的一维弯曲形貌。而根据叠加原理任意不重叠的三维面可以分解为两个具有单方向弯曲的二维面，故采用两对正交的换能器即可解析出三维的变形。
图23(a)是图21中的2×2个模块形成的传感器阵列的顶电极8的俯视图，图23(b)是当物体靠近传感器时，顶电极的电容发生变化的示意图，电容层的顶电极3008由一对螺旋电极组成，构成了平面电容传感器，用于物体接近距离的测量，平面电容C的大小与极板的尺寸参数和极板附近电场分布有关，当物体接近时，改变了极板附近的电场分布，因此导致电容值的改变，且随物体的接近距离不同，平面电容C的改变量也不同，另外不同物体的物理属性不同，接近时导致平面电容的改变量也不同，因此也可用于物体类型的识别。
图24为本发明多功能传感单元用于静态压力测量的示意图，传感单元的电容层用于静态压力的测量，电容层包括底电极、介电层和顶电极，底电极和顶电极构成平行板电容器，用于静态压力的测量，在压力作用下，中间介电层受压变形，两极板间距离减小，平行板电容也随之增大。具体如下：
根据平行板电容公式：
Figure BDA0002322399910000132
其中，ε0为真空介电常数，εr为中间介电层的相对介电常数，A为上下极板正对面积，d为上下极板间距离，即中间介电层的厚度，随压力变化。为了增大压力传感器的灵敏度和量程，中间介电层采用多级金字塔微凸台结构，即由多级高低不同均匀分布的金字塔微凸台。在小压力作用下，最高的金字塔先与顶电极层接触，随着压力的增大，顶电极层继续向下移动，接触到次高的金字塔，然后依次向下。相比于传统的等高金字塔微结构，减小了中间介电层的拉伸刚度，提高了测压灵敏度，同时多级的存在使传感器不至于过快进入饱和区，导致量程较小。另外，由于减小了金字塔微结构在受压变形后与顶电极的接触面积，因此也减小了传感器的迟滞现象。
在正压力作用下，传感单元中间介电层的中间金字塔电极部分接触到电容层的顶电极3008，使顶电极的螺旋电极对连接起来作为温度传感器，随着温度的不同，其电阻会产生变化，从而实现温度的测量。因此顶电极应采用温度敏感材料，优选的可选用导电性良好的铂金属，同时双螺旋的结构设计增加了温度测量的灵敏度。故电容层的顶电极具有两种工作模式，分别用于物体接近和温度的测量，而压力作为两种模式的转换“开关”。通过开关的切换实现不同时段测量顶电极的电阻，不同时段测量顶电极和底电极之间的电容，实现三向力和温度在同一位置的测量。
四个传感单元组成2×2小阵列实现三向力的测量，即垂直方向的正应力(z方向)和水平前后方向(y方向)、水平左右方向(x方向)的剪应力。为了进一步增大测力灵敏度，在顶部增加了微型圆凸台，有利于应力的集中。其中位于前方水平左右方向布置的两顶电极与底电极构成电容C1、C2，位于后方水平左右方向布置的两顶电极与底电极构成电容C3、C4。任意方向的三维应力均可分解为沿x、y、z方向的应力τx、τy、Pz，则平行板电容表示为：
Figure BDA0002322399910000141
式中ε0为真空介电常数，εr为中间介电层的相对介电常数，d为中间介电层的初始厚度，A为平行板电容的两极板间的初始正对面积，Δd1、Δd2、Δd3、Δd4分别为C1、C2、C3、C4在压力作用下两极板间下降的距离。在沿z方向的正压力作用下，电容C1、C2、C3、C4极板间的距离均减小，电容均增大。在沿x方向剪应力的作用下，C1、C3的极板间距离减小，电容增大，而C2、C4的极板间距离增大，电容减小，即可判断出剪应力的方向，同理前后方向的剪切力作用会导致类似的变化，在三向力的作用下，综合四个电容的变化趋势和变化大小即可解耦出三向力的大小和方向。
为了实现大面积的传感器网络，采用柔性镂空型“岛-桥”结构设计方法。岛为多功能柔性传感单元，在本发明中由四个多功能传感单元组成，能够与机器手表面共形。桥连接每个传感单元，由可拉伸的蜿蜒导线组成，使得传感器网络具有极大的拉伸能力，并且可根据需要调整每个单元之间的间隙，改变测量密度。为了进一步提高电子皮肤的面积，待拉伸后的传感网络贴附在机器手上后，采用电喷印的方式将每个传感网络的电路引脚互连起来，组成更大面积的电子皮肤，且该方式根据不同的应用对象可任意扩展。
贴附有本发明柔性传感器形成的柔性电子皮肤的机器手抓取并感知一杯热水的过程主要分为三个阶段，I接近阶段，II接触阶段，III握紧阶段。在I阶段中，机械手需要根据杯子的形状调整手的姿态，压电层主要用于机器手弯曲的测量，即一对叉指换能器中一个作为输入换能器，另一个作为输出换能器，实现对机械手姿态的实时监测。此时电子皮肤没有受到外界正压力的作用，电容层的顶电极作为平面电容传感器，当机械手逐渐与水杯接近时，改变平面电容的电场分布，从而改变其电容值，实现机械手与水杯距离的监测。在II阶段，机械手与水杯刚好接触，此时在正压力的作用下，电容层中间节点层的中间金字塔上的电极与电容层的顶电极接触，使平面电容传感器转换为电阻式温度传感器，实现水杯温度的测量。在III阶段，电容层的底电极、顶电极及中间的多层次金字塔结构构成了平行板电容传感器。机械手逐渐握紧水杯，在压力的作用下，挤压电容层的中间介电区域，使电容发生改变，从而实现静态压力的测量。此时，顶电极也作为电阻式温度传感器，通过电路上的切换实现温度和压力的同位分时测量。由四个多功能传感单元组成三向力的测量单元，在水平方向力的作用下，导致四个传感单元中平行板电容的变化不同，通过算法的解耦即可判断出水平方向力的大小和方向。此时，压电层的叉指电极对均作为输出，用于感知振动信号。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多模态可变胞柔性传感器，其特征在于，该柔性传感器呈多层结构，该多层结构中包括上电极层、间隔层和下电极层，该上电极层和下电极层中至少一个为传感器A，所述间隔层设置在所述电极层之间，通过形成电极层-间隔层-电极层的结构，形成传感器B，在检测待测对象时，通过在传感器A和传感器B之间切换，实现不同待测对象不同物理量的测量；另外，将所述传感器作为一个单胞，通过多个单胞组合形成多胞传感器。
2.如权利要求1所述的一种多模态可变胞柔性传感器，其特征在于，所述上电极层作为第一电极，所述下电极层作为第三电极，所述上电极层和下电极层之间还设置有第二电极，所述间隔层包括介电层和压电层，所述介电层设置在所述第一电极层和第二电极之间，所述压电层设置在所述第二电极和第三电极层之间；所述第一电极、介电层和第二电极形成电容传感器，所述第二电极、压电层和第三电极形成压电传感器；
其中，所述第二电极(1003)包括两根电阻，分别为第一电阻和第二电阻，第一电阻弯曲呈敏感栅结构，以此延长电阻的长度，第二电阻与所述第一电阻平行分布，所述第一电阻的两端设置有引脚A和F，所述第二电阻末端设置有引脚D,所述第一电阻形成电阻传感器，通过监测引脚A和F之间的电阻反映电阻的变化，所述第一电阻和第二电阻共同形成电容传感器，通过监测引脚A/F和D之间的电容反映电容的变化；
所述第三电极(1005)包括电阻两根热电系数不同的电阻，分别为第三电阻和第四电阻，第三电阻呈敏感栅结构，第四电阻与所述第三电阻连通，并在连接点处形成热电偶，所述第三电阻的两端设置有引脚B和E，所述第四电阻的末端设置有引脚C，所述第三电阻形成电阻传感器，通过监测引脚B和C之间的电阻反映电阻的变化，所述第三电阻和第四电阻共同形成热电偶传感器，通过监测引脚B/E和C之间的热电势反映热电偶的变化。
3.如权利要求2所述的一种多模态可变胞柔性传感器，其特征在于，所述上电极层优选采用电磁波吸收材料，用于吸收电磁波；
所述第一电阻和第二电阻的材料相同，优选为应变灵敏度系数大于1.6，电阻率大于0.25μΩ·mm，并且电阻温度系数小于40×10-6/℃的材料，灵敏度系数高且保持常数以让第一电阻对应变敏感，电阻率大可以提高信噪比，降低引线电阻的影响，电阻温度系数小，可以减小第一电阻对温度的敏感性，以此保证第一电阻只对应变变化的灵敏度高；
所述第三电阻的材料优选为电阻温度系数大于3000×10-6/℃的材料，第四电阻的材料优选为对第三电阻热电势大于5μV/℃的材料，以此让第三电阻构成RTD温度传感器，让第三、第四电阻构成热电偶温度传感器，以满足不同温度范围的温度测量；
所述柔性传感器的厚度优选为20μm～30μm；
所述第一电极、第二电极和第三电极均通过依次经过光刻获得所需的形状，然后磁控溅射或者蒸镀沉积金属后获得；
所述第一电阻上还连接有一个附加电阻，以此增加第三电极的面积覆盖率。
4.如权利要求1所述的一种多模态可变胞柔性传感器，其特征在于，所述柔性传感器还包括基底，所述间隔层为压电层，所述基底是所述上电极层、下电极层和压电层的载体，其中：
所述上电极层和所述下电极层的结构相同，所述上/下电极层包括三部分电极，第一部分电极首尾两端相连，形成闭合蜿蜒蛇形，该部分电极设置有一个第一引脚，第二部分和第三部分结构相同，呈敏感栅状，分布在所述第一引脚的两侧，且第二部分和第三部分的夹角呈90度，第二部分和第二部分的一端均与所述第一引脚相连，另外一端分别设置有第二引脚和第三引脚，所述压电层设置在所述上电极层和下电极层之间，该压电层与所述第一部分电极结构相同；
当测量所述上/下电极层的第一引脚和第二引脚之间，或者第一引脚与第三引脚之间的电阻时，所述上/下电极层作为电阻传感器；当测量所述上电极层上的第一引脚与下电极层上的第一引脚之间的电压或电容时，所述传感器分别作为压电传感器和电容传感器。
5.如权利要求4所述的一种多模态可变胞柔性传感器，其特征在于，所述第一部分电极和压电层上均设置有多个孔径为100nm～1μm的微孔，当气态水分子进入该孔中时，改变所述压电层的介电常数，进而改变所述上电极层与下电极层之间的电容；所述上电极层和下电极层的材料均采用金、铂、银、钛、铌或钽，上电极层和下电极层的材料不同；所述压电层的材料优选采用钛酸钡、钛酸铋钠、铌酸钾钠、铌酸锶钡、铌酸钡钠、钛酸铋、钛酸铋钙或钛酸铋锶，所述基底的材料优选采用PI、PET、PU或PDMS；所述上电极层的厚度优选为100nm～200nm，所述下电极层的厚度优选为100nm～200nm。
6.如权利要求1所述的一种多模态可变胞柔性传感器，其特征在于，所述柔性传感器还包括底层柔性衬底(3004)、导电电极(3007)和顶层柔性衬底(3009)，所述上电极层作为顶电极(3008)，所述下电极层作为底电极(3005)，所述间隔层为中间介电层，其中：
所述底电极(3005)为平板电极，设置在所述底层柔性衬底(3004)上，所述中间介电层(3006)上设置有多个高低起伏的柔性凸起，所述顶电极(3008)包括两个平板电极，每个平行电极上设置有一根引线，两个平板电极上的引线末端相对设置形成缺口，所述导电电极(3007)设置在所述柔性凸起上，且设置在所述缺口正下方，
当所述导电电极(3007)未嵌入所述缺口时，所述顶电极上的两个平板电极形成电容，当外界环境引起该电容发生变化时，通过测量所述两个平板电极之间电容的变化反映外界环境的变化；
当所述顶层柔性衬底(3009)受到向下外力时，所述顶电极向下运动，所述导电电极(3007)嵌入所述缺口，两个所述平板电极导通形成电阻，当外界环境引起所述电阻变化时，通过测量该电阻的变化反映外界环境的变化，同时，当两个所述平板电极导通形成电阻时，整个所述顶电极(3008)作为一个平板电极，与所述底电极(3005)形成顶电极-底电极电容，当外界环境变化引起所述顶电极与底电极之间的电容发生变化时，通过测量所述顶电极与底电极之间电容的变化反映外界环境的变化。
7.如权利要求6所述的一种多模态可变胞柔性传感器，其特征在于，所述柔性传感器还包括基底(3001)和压电层，所述基底(3001)设置在所述压电层的下方，是所述压电层的载体，所述压电层设置在所述底层柔性衬底的下方，包括压电材料层(3002)和电极层(3003)，所述压电材料层(3002)用于感知压力，并将感知的压力转换为电荷，所述电极层(3003)用于将该电荷引出，该电极层上设置有两组正交的叉指换能器，每组正交的叉指换能器包组横向的一对叉指换能器和纵向的一对叉指换能器。
8.如权利要求6所述的一种多模态可变胞柔性传感器，其特征在于，所述底层柔性衬底(3004)的材料优选为PDMS或铂催化硅橡胶Ecoflex，所述底电极(3005)的材料优选为Cu或Au，所述中间介电层(3006)的材料优选为PDMS或铂催化硅橡胶Ecoflex，所述导电电极层(3007)的材料优选为导电银浆，所述顶电极(3008)的材料优选为Cu或Au，所述顶层柔性衬底(3009)的材料优选为PDMS或铂催化硅橡胶Ecoflex；
所述底层柔性衬底(3004)的厚度优选为10～20μm，所述底电极(3005)的厚度优选为200nm～400nm，所述中间介电层(3006)的厚度优选为60～80μm，所述导电电极层(3007)的厚度优选为200nm～400nm，所述顶电极(3008)的厚度优选为200nm～400nm，所述顶层柔性衬底(3009)的厚度优选为10～20μm；
所述平行电极上的引线呈螺旋状，两个平行电极上的两根螺旋状的引线交错排列，通过两根引线螺旋状的交错排列，以此增加所述引线的长度，提高温度测量的灵敏度。
9.一种基于变拓扑开关矩阵的传感器信号采集系统，其特征在于，该采集系统包括权利要求1-8任一项所述的多模态可变胞柔性传感器、控制模块、多路复用开关模块、变拓扑开关模块，信号采集模块和数据处理模块，其中：
所述多路复用开关模块与所述柔性传感器连接，所述柔性传感器上的每根引脚对应所述多路复用开关模块中的多根引线，根据待测量物理量从每根引脚对应的引线中选择相应的引线用于待测量物理量的测量，其中，引线的数量等于每根引线可用于测量的物理量的数量；
所述变拓扑开关模块包括多个输入端口，与每个输入端口对应的输出端口，以及设置在所述输入端口和输出端口之间的开关，通过不同开关的组合开合，使得不同引线进行组合，以此实现不同物理量的测量；
所述信号采集模块与所述数据采集模块相连，用于将来自所述变拓扑开关模块的信号转化为数字信号；
所述数据处理模块与所述控制模块相连，用于将来自所述信号采集模块的数字信号进行解析，并将解析后的结果传递给所述控制器；
所述控制器分别与所述多路复用开关模块和变拓扑开关模块连接，用于控制所述多路复用开关模块和变拓扑开关模块中各个开关的开合；
对于待测量的物理量P，所述控制器首先确定所述柔性传感器上用于测量该待测物理量对应的引脚A,B,…,I，…，N，然后确定并选择在所述多路复用开关模块中与引脚I相连的测量物理量P的引线IP，最后确定并控制所述变拓扑开关模块中不同的开关开合，进而实现引线AP,BP,…,IP，…，NP的组合，在该边拓扑开关模块的输出端获得采集的待测量物理量P的信号，然后通过所述信号采集模块和数据处理模块传递给所述控制器，以此实现所述待测物理量P的测量。
10.如权利要求9所述的传感器信号采集系统，其特征在于，所述控制器还与所述信号采集模块连接，用于调节该信号采集模块中的增益和滤波功能，使得采集的信号清晰可读；所述多路复用开关模块中，与每个引脚对应的多根引线设置在一个多路复用器上，通过该多路复用器中开关的开合选择相应的引线用于测量，多路复用器的数量等于所述柔性传感器引脚的数量；所述变拓扑开关模块中的输入端口与所述多路复用器一一对应，每个输入端口中包括m个子端口，m为与该输入端口对应的多路复用器中引线的数量；所述信号采集模块包括信号调理单元和信号转化单元，其中，所述信号调理单元用于将来自所述变拓扑开关模块的信号进行放大、滤波和补偿，以此获得调理后的信号，所述信号转化单元用于将所述调理后的信号进行转化获得数字信号，并将该数字信号传递给所述数据处理模块；所述信号采集模块中还包括测量单元，该测量单元为单线制测量，双线制测量和多线制测量中的一种或多种的组合；所述变拓扑模块中的开关为多路复用开关、单刀单掷开关、单刀双掷开关、单刀多掷开关或双刀双掷开关。
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