CN112229545A - 一种基于压力传感器的电子皮肤系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于压力传感器的电子皮肤系统，其包括覆盖有柔性压电触觉传感器阵列的皮肤载体、逻辑控制单元和信号处理单元。其中，柔性压力触觉传感器阵列包括构造在一适于柔性应用的硅片上的读出电路层、和构造在读出电路层上的压电传感阵列层，读出电路层包括若干个读出电路单元，压电传感阵列层包括若干个压电敏感单元，并令一个压电敏感单元对应连接一个读出电路单元而在硅片上形成阵列化分布；逻辑控制单元控制阵列中各读出电路单元的开闭状态；信号处理单元对被开启读出电路单元响应被激活压电敏感单元所生成的电信号进行处理计算得到物体接触面的物理信息，该电子皮肤具有高灵敏度、高密度、高柔韧性、高采样频率和运行速度的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电子皮肤技术领域，具体涉及一种基于压力传感器的电子皮肤系统。
背景技术
电子皮肤作为下一代机器人与医疗设备的关键部件，其开发与应用已经成为当今学术研究和产业应用热点之一，电子皮肤的目的在于赋予机械和电子系统等载体感知周围环境的能力，重要的实现方式是在载体表面覆盖一系列的触觉传感器，如压力传感器、温度传感器等。触觉传感器在机器人和医疗设备领域有着广泛的应用，其两大主要功能：检测与识别。检测功能包括对操作对象的状态、机械手与操作对象的接触状态、操作对象的物理性质进行检测。识别功能是在检测的基础上提取操作对象的形状、大小、刚度等特征，以进行分类和目标识别。电子皮肤是载体实现与外部环境直接作用的必须媒介，是感知环境信息的重要方式。如接触力、纹理等信息，实现对物体的准确抓取、识别等动作。
目前，应用于电子皮肤上的压电触觉传感器阵列大多采用便于与接触面更服帖的柔性传感器，但这类传感器基于对柔性的需求基本采用有机薄膜晶体管作为压电传感单元的读出电路接入后端系统解锁出复杂的信息，然而有机材料的载流子迁移率较低，从而带来较低的采样频率，无法满足高频触觉信号的检测，因此灵敏度差。另外，柔性传感器内部大多通过引线连接的方式实现压电传感单元与读出电路之间的集成连接，二者处于相互分离的状态，使得不仅引线数目多，噪声和串扰较大，而且传感单元密度低，限制了传感器阵列的空间分辨率，从而使得在电子皮肤上的应用受到了局限性。
发明内容
针对现有技术所存在的上述不足，本发明提供了一种基于压电原理的电子皮肤系统，其用于解决现有电子皮肤系统中传感器阵列存在采样频率低、灵敏度差、传感单元分布密度低的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于压电原理的电子皮肤系统，包括覆盖有柔性压电触觉传感器阵列的皮肤载体、逻辑控制单元和信号处理单元，所述柔性压电触觉传感器阵列包括构造在一适于柔性应用的硅片上的读出电路层、构造在所述读出电路层上的介质层A和构造在所述介质层A上的压电传感阵列层，所述读出电路层包括若干个读出电路单元，所述介质层A中构造有若干与各读出电路单元连接的导电钨塞，所述压电传感阵列层包括若干个相互分离的压电敏感单元，每个所述压电敏感单元均通过导电钨塞与一个所述读出电路单元连接以构成一个压电传感单元，这些压电传感单元在硅片上形成m*n阵列化分布；
所述逻辑控制单元连接所述读出电路层，以控制阵列中各读出电路单元的开闭状态；
所述信号处理单元连接所述读出电路层，以对被开启读出电路单元响应被激活压电敏感单元所生成的电信号进行处理计算得到物体接触面的物理信息。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1)本发明所述的电子皮肤系统采用的柔性压电触觉传感器阵列以柔性应用的薄硅片为硅基材料制作读出电路，与普通有机材料相比，载流子迁移率高，使电子皮肤系统信号采集前端具有高灵敏度、高采样频率和运行速度。
2)本发明所述的电子皮肤系统采用的柔性压电触觉传感器阵列将读出电路与压电传感阵列在垂直方向直接连接，与现有柔性传感器阵列相比，引线数目减少，电路结构大大优化，实现了传感阵列与读出电路的单芯片集成，有效地提高了电子皮肤系统信号采集前端的空间分辨率、信噪比和抗干扰能力，也进一步解决了传统电子皮肤系统中传感单元密度低的问题。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述电子皮肤系统实施例的示意图；
图2为本发明所述柔性压电触觉传感器阵列实施例的结构示意简图；
图3为本发明所述柔性压电触觉传感器阵列其中一个传感单元实施例的截面图。
其中：100柔性压电触觉传感器阵列：110硅片；120读出电路层；121读出电路单元；130介质层A；131、132导电钨塞；140压电传感阵列层；141传感单元；141a上电极层；141b压电材料层；141c下电极层；150连接金属；160介质层B；170介质层C；180顶层聚合物衬底；190底层聚合物衬底；200逻辑控制单元；300信号处理单元；400显示单元。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述：
参照图1，本发明提出了一种基于压电原理的电子皮肤系统，包括覆盖有柔性压电触觉传感器阵列100的皮肤载体、逻辑控制单元200和信号处理单元300。
如图2-3所示，本发明提出啊的应用至电子皮肤系统的柔性压电触觉传感器阵列100包括构造在一适于柔性应用的硅片110上的读出电路层120、构造在所述读出电路层120上的介质层A130和构造在所述介质层A130上的压电传感阵列层140，所述读出电路层120包括若干个读出电路单元121，所述介质层A130中构造有若干与各读出电路单元121连接的导电钨塞131、132，所述压电传感阵列层140包括若干个相互分离的压电敏感单元141，每个所述压电敏感单元141均通过导电钨塞131、132与一个所述读出电路单元121连接以构成一个压电传感单元，这些压电传感单元在硅片110上形成m*n阵列化分布。而所述逻辑控制单元200连接所述读出电路层120，以控制阵列中各读出电路单元121的开闭状态；所述信号处理单元300连接所述读出电路层120，以对被开启读出电路单元121响应被激活压电敏感单元141所生成的电信号进行处理计算得到物体接触面的物理信息。
上述方案中，本发明作出技术改进的发明点在于将一种全新的柔性压电触觉传感器阵列100应用到了电子皮肤系统中，使得电子皮肤系统在信号采集的前端具有高灵敏度、高采样频率和运行速度的特性，为电子皮肤系统在各行业领域的发展提供了一种良好的实施前景。而对于读出电路部分与逻辑控制单元200、信号处理单元300的连接，以及信号处理单元300对读出电路的信号处理并解锁物体接触面的物理信息均可基于成熟的现有技术进行实施。本发明不做详细的介绍。
具体来说，本发明所述电子皮肤系统采用的柔性压电触觉传感器阵列100，采用了硅基材料作为衬底，通过半导体制程工艺制作由若干读出电路单元121构成的读出电路层120和由若干压电敏感单元141构成的压电传感阵列层140，并让它们建立起一对一连接关系形成若干个压电传感单元。这种将读出电路单元121与压电敏感单元141在垂直方向上进行单芯片集成的技术手段，不仅能够减少引线数目，简化电路结构从而解决传统引线连接的集成手段带来的线路复杂问题，另一方面又能够基于硅基材料的高载流子迁移率特性解决传统有机读出电路存在的采样频率低，高频触觉信号检测能力弱的问题。基于采用的阵列具有以上的优点，本发明的电子皮肤系统在信号采集前端具有小于1mm的高空间分辨率、采样频率高、灵敏度好、信噪比和抗干扰能力强等方面的性能。同时，芯片集成式的结构可以节省更多的阵列空间以排列或拼接更多的传感单元，从而解决了传统电子皮肤系统中传感单元密度低的问题。
本发明中，读出电路层120中的各读出电路单元121可以构造成CMOS电路、双极型电路或者薄膜晶体管电路中的任意一种，可根据具体实施而定。而不管是构造成何种电路模式，其与逻辑控制单元200和信号处理单元300的具体连接均可由本领域技术人员通过现有技术所获得，本发明对此不作详细的讲解说明。另外，所述适于柔性应用的硅片110为厚度在5～100μm的薄硅片110，可通过现成的减薄方法对普通硅晶圆进行减薄制得。该厚度的硅片110决定了传感器阵列具有良好的柔韧性，也是本发明将其用于电子皮肤系统载体上以提高皮肤系统的柔性和实现更接近人体皮肤柔软性质的仿生系统。
如图3所示，其示出了本发明所述柔性压电触觉传感器阵列100其中一个传感单元实施例的截面图。从该图3可以清晰看到一个压电敏感单元141在压电传感阵列层140中的具体结构布置以及与读出电路单元121的连接关系。至于每层结构的具体制造则可通过成熟的半导体工艺进行制备。如，读出电路层120制作方式可通过对硅片110进行氧化、刻蚀、光刻、离子注入等工艺完成。其主要是用作电荷放大器以及后续信号调理，响应压电敏感单元141的压力信号并转换为可被后端系统识别接收的电压信号(或电流信号)。
详细来说图3，压电传感阵列层140中的各压电敏感单元141均包括上电极层141a、压电材料层141b和下电极层141c，它们自上往下分布。上电极层141a和下电极层141c分别通过一组导电钨塞131、132与对应的各读出电路单元121两个接线部位连接。更具体的是，本发明实施例中上电极层141a是经连接金属150通过一组导电钨塞132与读出电路单元121的接线部位连接。即在制作完压电传感阵列层140后先淀积介质层B160，让介质层B160在各压电敏感单元141的上电极层141a和与之对应的导电钨塞132位置形成接触孔，然后再把连接金属150连接在二者的接触孔之间即可。而下电极层141c是直接通过与一组导电钨塞131接触而与读出电路单元121连接。
其中，所述上电极层141a和下电极层141c优先采用钼、钛或金，且厚度为10～500nm，二者可以采用同一种或者不同种电极材料。所述压电材料层141b则作为整个传感阵列的敏感单元，其可以采用锆钛酸铅、氮化铝或氧化锌构成的压电薄膜，优先采用氮化铝。即利用氮化铝压电效应产生的电压或电荷来反映所受外力的大小和频率,且能够让压电传感单元获得响应频率范围宽、迟滞性好的特点。
作为本发明进一步的实施细节是：在图3中，还包括覆盖在所述压电传感阵列层140上的介质层C170、构造在所述介质层C170上的顶层聚合物衬底180和构造在所述硅片110背面的底层聚合物衬底190。其中，介质层C170起到钝化封装作用，厚度优先为2～50μm，其与前面的介质层A130和介质层B160优先采用二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，它们可以采用同一种或者不同种材料。顶层聚合物衬底180和底层聚合物衬底190采用聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚对二氯甲苯中的任意一种或者组合，厚度均为2～100μm。它们都是柔韧性很好的材料，也是基于电子皮肤系统的柔性方面考虑的。
为了便于灵活地监控电子皮肤系统具体受力感知的面积范围大小和区域特性，本发明电子皮肤系统的逻辑控制单元200连接上述读出电路层120并设置有电源系统为二者供电。逻辑控制单元200连接上述读出电路层120的各读出电路单元121，工作时，通过逻辑命令传输以控制阵列中各读出电路单元121的开闭状态，比如只开启某个区域或某个点位置的读出电路单元121，则该区域或点位置以外的读出电路单元121都处于关闭状态，此时，即使电子皮肤系统全区域内受到了的一个外界压力的作用力，在后端处理系统处也只能接收到经开启的读出电路单元121传递来的信号，提高了电子皮肤系统分析指定接触面的物理信息的响应时间和效率。
为了将电子皮肤系统信号采集前端的压电传感阵列层140获取到的与物体接触面的物理信息传递出去，本发明电子皮肤系统的信号处理单元300连接上述读出电路层120的各读出电路单元121。应用时，当有外界压力作用于电子皮肤系统上时，压电传感阵列层140中某几个或某部分压电敏感单元141检测到有接触压力时，会通过产生正负感应电荷而被相应的读出电路单元121快速响应生成电压/电流信号，该信号到达信号处理单元300后，经过信号处理单元300对其进行处理、计算得到物体接触面的物理信息。
作为本发明进一步的实施例是：为进一步扩大电子皮肤的感知面积，上述皮肤载体上覆盖有多个拼接而成的柔性压电触觉传感器阵列100，这多个阵列通过信号线与上述信号处理单元300并行连接。
上述物体接触面的物理信息：一方面，包括物体接触面的形状信息；其是通过上述柔性压电触觉传感器阵列100作用于物体接触面上时，被激活的压电敏感单元141反馈的接触压力分布情况计算而得。另一方面，包括物体接触面的纹路信息；其也是通过上述柔性压电触觉传感器阵列100作用于物体接触面上并与物体接触面发生相对运动过程中，被激活的压电敏感单元141反馈的动态接触压力变化频率和大小计算而得。这里，具体的信号处理和计算方法不属于本发明的改进范畴，本领域技术人员可通过现有技术进行实施。
作为本发明更进一步的实施方案是：如图1所示，本发明的电子皮肤系统还包括显示单元400，所述显示单元400与上述信号处理单元300连接，信号处理单元300对其进行处理、计算得到物体接触面的物理信息传递给显示单元400，通过显示单元400界面显示接触力的信息。
基于上述技术方案的描述，本发明所述电子皮肤系统的工作原理如下：
当有外界压力作用于覆盖上述柔性压电触觉传感器阵列100的皮肤载体上时，激活压电传感阵列层140中某几个或某部分压电敏感单元141，基于压电材料的压电效应会在这些被激活的压电敏感单元141上电极层141a、下电极层141c产生正负感应电荷，进而被读出电路层120中处于开启状态的对应读出电路单元121快速响应生成电压/电流信号，然后送入信号处理单元300进行处理计算。容易理解的是，逻辑控制单元200与电源和各读出电路单元121连接且处于工作状态，按照预先设定的逻辑命令控制阵列中各读出电路单元121的开闭情况，使能够到达信号处理单元300的电信号仅为被开启读出电路单元121响应被激活压电敏感单元141所生成的信号。而信号处理单元300是采用逐行扫描的方式对读出电路层120中处于开启状态的读出电路单元121所生成信号进行读取，然后在消除各单元间的数据非均匀性等因素后，通过二维图像显示接触压力的位置、大小、形状和纹路等物体接触面的物理信息。这里，信号处理单元300采用逐行扫描的方式对读出电路层120中处于开启状态的读出电路单元121所生成信号进行读取属于现有的技术实施，本发明不做展开说明。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种基于压力传感器的电子皮肤系统，包括覆盖有柔性压电触觉传感器阵列的皮肤载体、逻辑控制单元和信号处理单元，其特征在于，所述柔性压电触觉传感器阵列包括构造在一适于柔性应用的硅片上的读出电路层、构造在所述读出电路层上的介质层A和构造在所述介质层A上的压电传感阵列层，所述读出电路层包括若干个读出电路单元，所述介质层A中构造有若干与各读出电路单元连接的导电钨塞，所述压电传感阵列层包括若干个相互分离的压电敏感单元，每个所述压电敏感单元均通过导电钨塞与一个所述读出电路单元连接以构成一个压电传感单元，这些压电传感单元在硅片上形成m*n阵列化分布；所述逻辑控制单元连接所述读出电路层，以控制阵列中各读出电路单元的开闭状态；所述信号处理单元连接所述读出电路层，以对被开启读出电路单元响应被激活压电敏感单元所生成的电信号进行处理计算得到物体接触面的物理信息。
2.如权利要求1所述的一种基于压力传感器的电子皮肤系统，其特征在于，所述适于柔性应用的硅片为厚度在5～100μm的薄硅片。
3.如权利要求1所述的一种基于压力传感器的电子皮肤系统，其特征在于，所述读出电路层中，每个读出电路单元采用CMOS电路、双极型电路或者薄膜晶体管电路。
4.如权利要求1所述的一种基于压力传感器的电子皮肤系统，其特征在于，所述压电传感阵列层中，每个压电敏感单元均采用锆钛酸铅、氮化铝或氧化锌薄膜作为压电感应材料。
5.如权利要求1所述的一种基于压力传感器的电子皮肤系统，其特征在于，还包括显示单元，所述显示单元与信号处理单元连接，以通过二维图像显示接触压力的位置和大小。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种基于压力传感器的电子皮肤系统，其特征在于，所述皮肤载体上覆盖有多个拼接而成的柔性压电触觉传感器阵列，这多个阵列通过信号线与所述信号处理单元并行连接。
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|---|---|---|---|---|
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| CN114489338A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-13 | 同济大学 | 一种多层电子皮肤结构 |
| CN114577376A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-06-03 | 上海交通大学 | 压力传感阵列及其制备方法 |
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2020
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| CN113447073B (zh) * | 2021-06-09 | 2022-06-24 | 同济大学 | 一种仿生柔性模块化电子皮肤系统及其控制方法 |
| US11843915B2 (en) | 2021-08-20 | 2023-12-12 | Massachusetts Institute Of Technology | Active piezoelectric sheet with piezoelectric microstructures |
| CN114577376A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-06-03 | 上海交通大学 | 压力传感阵列及其制备方法 |
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| CN114489338A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-13 | 同济大学 | 一种多层电子皮肤结构 |
| CN114489338B (zh) * | 2022-01-25 | 2024-03-29 | 同济大学 | 一种多层电子皮肤结构 |
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