CN112378552A - 一种复层式电子皮肤 - Google Patents

Abstract

本发明实施例中公开了一种复层式电子皮肤，该皮肤包括第一层皮肤以及第二层皮肤，其中：第一层皮肤由第一水凝胶及多个第一传感器构成，第一传感器包括第一温度补偿电路、第一压力感应电路、第一阻压芯片以及第一柔性半球状凸起压板，第一温度补偿电路与第一水凝胶的内部相连接，第一压力感应电路与第一温度补偿电路并联连接，第一压力感应电路与第一组压芯片相连接；第二层皮肤构成方式与第一层皮肤类似，且第一柔性半球状凸起压板的外部与第二层皮肤中的第二柔性半球状凸起压板的外部相互正对设置。上下层皮肤通过柔性半球状凸起压板相接触，接触面积很小，在受到外界刺激时，可以快速响应所以本方案提供的电子皮肤的灵敏度高。

Description

一种复层式电子皮肤

技术领域

本发明涉及电子皮肤技术领域，具体涉及一种复层式电子皮肤。

背景技术

近年来，随着智能化技术及物联网的不断发展，柔性压力传感器作为可穿戴电子设备和电子皮肤的核心器件，拥有了越来越广阔的市场。电子皮肤主要是模仿人体皮肤的综合触觉传感能力，可覆盖于复杂的三维载体表面，并准确感知周围环境的各种信息，是机械、电子、仪器和医学等领域的研究热点之一。

近几年，电子皮肤中的触觉传感器，主要从传感器的结构、材料及其制备加工方式上进行了性能提升。在材料上，相继运用了诸如导电橡胶、石墨烯复合材料等功能性材料，在制备材料的工艺上，采用了Hummers方法、液相剥离法等许多新型方法，在作用原理上，压阻式、电容式和压电式传感器都有创新的结构器件出现。下面对几种常见的传感器进行简单的介绍。

压阻式传感器：

电阻式压觉传感器主要是通过所加载的力来改变导电材料之间的接触电阻和导电弹性复合材料中的导电路径来达到检测力的目的，柔性的电阻式压觉传感器单元通常选用硅橡胶作为柔性基体。因其信号提取容易、制作工艺简单、灵敏度好，所以是目前被广泛使用的触觉传感器。

电容式触觉传感器：

作为另一热门研究方向，电容式触觉传感器主要由上下两电极、绝缘体、衬底构成，当对传感器表层增加载力时，会引起感应电极和驱动电极之间的极板面积和距离发生变化，通过电容的变化，达到检测所加载的力的目的。但电容并不随极间距离的变化而线性变化，其还需测量电路对输出电容进行一定的非线性补偿。

压电式触觉传感器：

压电式传感器是一种基于正的压电效应的自发电式传感器.它的核心元件是由压电材料构成。当压电敏感材料受到外部压力载荷时，在压敏材料的两个背面会产生符号相反的两种电荷，当外部载荷消失时，该传感器又会恢复到初始不带电状态。当外力的方向改变时，电荷的极性也会随之发生改变。

然而，现有技术中虽然以压阻式传感器作为电子皮肤中的触觉传感器最为常用，但电子皮肤的灵敏度还有待提高。

发明内容

本发明实施例中提供一种复层式电子皮肤，能够提高电子皮肤的灵敏度。

一方面，本发明提供一种复层式电子皮肤，所述复层式电子皮肤包括第一层皮肤以及第二层皮肤，所述第一层皮肤和所述第二层皮肤对称设置，其中：

所述第一层皮肤由第一水凝胶及多个第一传感器构成，所述第一传感器包括第一温度补偿电路、第一压力感应电路、第一阻压芯片以及第一柔性半球状凸起压板，所述第一温度补偿电路与所述第一水凝胶的内部相连接，所述第一压力感应电路与所述第一温度补偿电路并联连接，所述第一压力感应电路与所述第一组压芯片相连接，所述第一阻压芯片设置在所述第一柔性半球状凸起压板的内部；

所述第二层皮肤由第二水凝胶及多个第二传感器构成，所述第二传感器包括第二温度补偿电路、第二压力感应电路、第二阻压芯片以及第二柔性半球状凸起压板，所述第二温度补偿电路与所述第二水凝胶的内部相连接，所述第二压力感应电路与所述第二温度补偿电路并联连接，所述第二压力感应电路与所述第二组压芯片相连接，所述第二阻压芯片设置在所述第二柔性半球状凸起压板的内部；

所述第一柔性半球状凸起压板的外部与所述第二柔性半球状凸起压板的外部相互正对设置。

在一些实施例中，所述第一阻压芯片和所述第二阻压芯片均由测量电路集成在单晶硅膜片上构成。

在一些实施例中，所述第一柔性半球状凸起压板之间间隔1mm设置，所述第二柔性半球状凸起压板之间间隔1mm设置，所述第一柔性半球状凸起压板的直径为3mm，所述第二柔性半球状凸起压板的直径为3mm。

在一些实施例中，所述第一阻压芯片以及所述第二阻压芯片的量程均为0～50Ω。

在一些实施例中，所述第一阻压芯片以及所述第二阻压芯片的量程均为0～300Kpa。

在一些实施例中，所述多个第一传感器与所述多个第二传感器均采用阵列的排布方式。

在一些实施例中，所述复层式电子皮肤还包括集成器，所述集成器分别与所述第一压力感应电路及所述第二压力感应电路相连接。

在一些实施例中，所述复层式电子皮肤还包括显示器，所述显示器与所述集成器相连接。

在一些实施例中，9个所述第一传感器与9个所述第二传感器构成所述复层式电子皮肤的传感单元。

在一些实施例中，3*12个所述传感器组成所述复层式电子皮肤的触觉传感阵列。

本实施例提供的复层式电子皮肤中的上下层皮肤通过柔性半球状凸起压板相接触，接触面积很小，在受到外界刺激时，可以快速响应，而且添加了温度补偿电路，避免了传感器受温度影响较大的问题，保证了压力输出值的准确性和稳定性，所以本方案提供的电子皮肤的灵敏度高，且保证了压力输出值的准确性和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的复层式电子皮肤一个实施例结构示意图；

图2是本发明实施例提供的复层式电子皮肤的中间层的整体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的压力感应电路的一个示意图；

图4是本发明实施例提供的温度补偿电路的一个示意图。

具体实施例

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本发明中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本发明所公开的原理和特征的最广范围相一致。

本发明实施例提供一种复层式电子皮肤，该复层式电子皮肤包括第一层皮肤以及第二层皮肤，第一层皮肤和第二层皮肤对称设置，第一层皮肤由第一水凝胶及多个第一传感器构成，第二层皮肤由第二水凝胶及多个第二传感器构成。以下分别进行详细说明。

请参阅图1，图1是本发明实施例提供的复层式电子皮肤一个实施例结构示意图。

如图1所示，本发明实施例中，复层式电子皮肤包括第一层皮肤以及第二层皮肤，第一层皮肤和第二层皮肤对称设置，其中：

第一层皮肤由第一水凝胶11及多个第一传感器12构成，第一传感器12包括第一温度补偿电路121、第一压力感应电路122、第一阻压芯片123以及第一柔性半球状凸起压板124，第一温度补偿电路121与第一水凝胶11的内部相连接，第一压力感应电路122与第一温度补偿电路121并联连接，第一压力感应电路122与第一组压芯片相123连接，第一阻压芯片123设置在第一柔性半球状凸起压板124的内部；

第二层皮肤由第二水凝胶21及多个第二传感器22构成，第二传感器22包括第二温度补偿电路221、第二压力感应电路222、第二阻压芯片223以及第二柔性半球状凸起压板224，第二温度补偿电路221与第二水凝胶21的内部相连接，第二压力感应电路222与第二温度补偿电路221并联连接，第二压力感应电路222与第二组压芯片223相连接，第二阻压芯片223设置在第二柔性半球状凸起压板224的内部；

本实施例中，柔性半球状凸起压板(第一柔性半球状凸起压板124或第二柔性半球状凸起压板224)的外部是指压板的凸起的一面，内部是指凹进去的一面。

第一柔性半球状凸起压板124的外部与第二柔性半球状凸起压板224的外部相互正对设置。

在一些实施例中，第一阻压芯片123和第二阻压芯片223均由测量电路集成在单晶硅膜片上构成。

具体地，在一小块硅单晶片上同时制造二极管、电阻和电容等元件，并且采用一定的隔离技术使各元件在电性能上互相隔离。然后在单晶硅膜片表面蒸发铝层并用光刻技术刻蚀成互连图形，使元件互连成完整电路，制成压阻芯片。

具体地，第一柔性半球状凸起压板之间间隔1mm设置，所述第二柔性半球状凸起压板之间间隔1mm设置，所述第一柔性半球状凸起压板的直径为3mm，第二柔性半球状凸起压板的直径为3mm，当然，柔性半球状凸起压板(第一柔性半球状凸起压板或第二柔性半球状凸起压板)之间的间隔还可以为其他长度，例如0.5mm，具体长度此处不做限定，柔性半球状凸起压板的直径还可以为其他长度，例如为4mm，具体数值此处不做限定。

在一些实施例中，第一阻压芯片123以及第二阻压芯片223的量程均为0～50Ω，第一阻压芯片123以及第二阻压芯片223的量程均为0～300Kpa，第一阻压芯片123以及第二阻压芯片223的精度均0.5％～0.1％。

在一些实施例中，多个第一传感器12与多个第二传感器22均采用阵列的排布方式，进行阵列的排布方式以便于更好地兼顾到电子皮肤覆盖面上每一点的受力情况，实现更加全面的检测。

在一些实施例中，复层式电子皮肤还包括集成器3，集成器3分别与第一压力感应电路122及第二压力感应电路相连接，此外，复层式电子皮肤还包括显示器(未图示)，显示器与集成器3通过有线或无线进行相连接，其中，本实施例中的集成器具有压力信号的处理和转化的功能，是的压力可以通过显示器显示出来。

在一些实施例中，9个第一传感器12与9个第二传感器22构成复层式电子皮肤的传感单元。当然这只是一个传感单元的一个例子，在一些应用场景中，传感单元还可以由其他个数的传感器组成。

在一些实施例中，3*12个传感器组成复层式电子皮肤的触觉传感阵列。若初始的电子皮肤面积为13mm*13mm，则传感器分布为3*12的阵列式排布，以组成一个复层式电子皮肤的触觉传感阵列，后期也可根据所需电子皮肤的面积定义所需的传感器单元。

如图2所示，图2为本发明提供的复层式电子皮肤的中间层的整体结构示意图，其中，图的上部为电子皮肤本体，用于测量受压力大小，之后通过导线连接到集成器3上，最终通过无线网络连接到显示器(未图示)上，此外，本图示还示出了本皮肤的供电装置4，该供电装置可以为纽扣电池，用于为本发明提供的电子皮肤供电。

请参阅图3，图3为本发明提供的压力感应电路(第一压力感应电路122或第二压力感应电路222)的电路图，请参阅图4，图4为本发明提供的PN结法温度补偿电路(第一温度补偿电路121或第二温度补偿电路221)的线路图。

需要说明的是，本实施例提供的附图中传感器阵列排布，图示的传感器的排布方式(如图1)只是其中一个实施例，其具体排布方式以及传感器的具体个数可以有多种情况，本发明不做限定。

本发明提供的复层式电子皮肤整体采用三明治式的结构。上下两层利用水凝胶对中间层的传感器进行封闭和包裹。对于水凝胶的制备，可以选择生物3D打印器将纤维挤压连接在一起，发生剪切效应，从而形成水凝胶，用此方法制备的水凝胶不仅在工艺上较为简单，且制备出的水凝胶性能也较为优秀。中间层排布分列压力传感器，我们选择利用压阻式传感器并对其内部结构进行一定创新。压阻式传感器主要利用半导体材料的压阻特性，通过加载的压力来改变导电材料之间的接触电阻和导电弹性复合材料中的导电路径来达到检测力的目的。我们选择利用集成工艺将电阻条(即测量电路)集成在单晶硅膜片上，制成压阻芯片，选用柔性材料制成具有直径为3mm半球体状突起的压板(即柔性半球状凸起压板)。上下两极的小球正对，并在半圆球内部放置上述的压阻芯片，压阻芯片的电阻变化范围约为0～50Ω，传感器的量程约为0～300Kpa，精度为0.5％～0.1％。每个半球体间隔1mm，可以组成一个13mm*13mm的传感器单元。

当电子皮肤表面一旦接受到压力的刺激，单晶硅膜片将会迅速产生电阻变化，由于上下层的接触面积较小，因此在受到外界刺激时，中间层接触部分迅速变形，可能产生上下两小球的错位，同时电子皮肤器件电阻迅速改变，从而可以实现高灵敏度和快速时间响应。通过信号的传输和数据的转化，让相关人员检测到压力的变化。

不仅如此，半球状的设计在一定程度上增加了传感器的拉升和抗压能力，提高了电子皮肤的柔性，方便本皮肤的日常使用。在传感器和电路的布局上，可以由上下两极半球状的9个接触点组成的传感单元再与3*12个传感单元组成的触觉传感阵列构成整个电子皮肤的感知部分。

综上所述，本发明提供的复层式电子皮肤具有如下优点：

①整体采用三明治式的结构，以硅芯片敏感材料，利用集成工艺制成硅压阻芯片，并将芯片分别用半球形外壳封闭起来，分别等距离固定在三明治结构的上下两层接触面上。由于这种结构上下层接触面积很小，在受到外界刺激时，可以快速响应。

②中层结构采用了半球体结构，半球状的触点结构增加了传感器的拉升和抗压能力，使电子皮肤柔性更佳。

③添加了温度补偿电路，避免了硅压阻式压力传感器受温度影响较大的问题，保证了输出值的准确性和稳定性，最终通过对两层电路进行汇总连接电源。

④压阻式传感器，相较于其他传感器灵敏度更高，且具有良好的稳定性，在体积上趋于小型化以便于使用。

⑤进行阵列的排布方式以便于更好地兼顾到电子皮肤覆盖面上每一点的受力情况，实现更加全面的检测。

为了便于理解，下面将详细本发明提供的复层式电子皮肤，具体如下：

本发明提供的复层式电子，整体采用三明治式的结构，上下两层利用水凝胶对中间层的传感器进行封闭和包裹，中间层传感器用压阻式传感器进行信息收集，电子皮肤外部通过导线连接信息集成器，集成器最终连接到显示器，可通过无线网络将信息显示在电脑上。

对于上下两层的水凝胶，用传统的方法制作水凝胶绝非易事，为了简化对于水凝胶材料的获取步骤，我们选用较为新颖的生物3D打印技术。通过生物3D打印器将纤维挤压连接在一起，发生剪切效应，通过不均衡的正应力，从而形成水凝胶，这种方法相较于传统的水凝胶制备的方法更为简单，且水凝胶在相关性能方面也更为优秀。使用水凝胶作为基底材料在保证了电子皮肤内部结构的完好性的同时，也具有较好的柔软度和延伸度。

对于中间层的压力传感器，我们选择利用压阻式传感器并对其内部结构进行一定创新。压阻式传感器主要利用半导体材料的压阻特性，通过加载的压力来改变导电材料之间的接触电阻和导电弹性复合材料中的导电路径来达到检测力的目的。我们选择利用单片集成电路工艺将测量电路集成在单晶硅膜片上，利用研磨、抛光、氧化、扩散、光刻、外延生长、蒸发等一整套平面工艺技术，在一小块硅单晶片上同时制造二极管、电阻和电容等元件，并且采用一定的隔离技术使各元件在电性能上互相隔离。然后在硅片表面蒸发铝层并用光刻技术刻蚀成互连图形，使元件互连成完整电路，制成压阻芯片，选用柔性材料制成具有直径为3mm半球体状突起的压板。上下两极的小球正对，并在半圆球内部放置上述的压阻芯片，压阻芯片的电阻变化范围约为0～50Ω，传感器的量程约为0～300Kpa，精度为0.5％～0.1％。每个半球体间隔1mm，这样可以组成的一个13mm*13mm的传感器单元。当电子皮肤表面一旦接受到压力的刺激，单晶硅膜片将会迅速产生电阻变化，由于上下层的接触面积较小，因此在受到外界刺激时，中间层接触部分迅速变形，可能产生上下两小球的错位，同时电子皮肤器件电阻迅速改变，从而可以实现高灵敏度和快速时间响应。电阻改变导致电路中电流改变，产生一个变化的信号，集成器可以收集该信号，并且可以同时感知到信号是由哪个压阻芯片传来的，将他们进行分类总结，最后传入到显示器中，让相关人员检测到压力的变化。不仅如此，半球状的设计在一定程度上增加了传感器的拉升和抗压能力，提高了电子皮肤的柔性，方便本作品的日常使用。为了防止错位极大对接下来的测量产生影响，我们可以在电子皮肤的边缘和角落用连接线固定内外结构。

在传感器和电路的布局上，由上下两极半球状的9个接触点组成的传感单元再与3*12个传感单元组成的触觉传感阵列构成整个电子皮肤的感知部分。

测量电路的集成可用上述的单片集成电路工艺，在电路的分布上，我们将电路的分布分为上下两层，上层为压力感应电路，该电路的功能是接收来自压阻芯片的电阻变化，转换为电流变化，输出给集成器，方便对施加在电子皮肤上的压力进行及时和更加准确的感知，由于考虑了硅材质受温度影响较大的特性，我们在第二层补充添加了温度补偿电路，每一个压阻芯片对应一个压力感应电路，也对应一个温度补偿电路，他们之间通过并联连接，阵列的部署可以保证各个单独的测量压力电路不互相干扰，独立工作，温度补偿电路中有一个单片机来集成控制各个压力感应电路，可进行自动温度补偿，方法可采用桥路补偿法，使其正负温度系数的元件相结合，正好正负相平衡，误差相对较小，温度补偿电路解决了硅压阻式压力传感器受温度影响较大的问题，保证了输出值的准确性和稳定性，最终通过对两层电路进行汇总连接电源。

在数据的传输方面，主要采用PIC16F1526型单片机作为电阻式触觉传感器集成信号采集芯片，将触觉传感器直接放入单片机的集成电路中，采用等电位法，按照行列进行交替扫描，完成对传感器信号的采集，再通过A/D信号转化技术，采用逐次逼近法将输入值与参考值进行多次比较，完成把模拟信号转化成数字信号的工作，将转化后的信号通过无线USB发送至上位机，并利用程序编写，可以对实时对数据进行显示、处理、并加以保存。

在数据的使用方面，将收集来的某时间实时记录的数据进行监控和分析，排除运动员自身给电子皮肤的压力之外，当压力传感器输出的电阻信号值大约在12～18Ω时为接受腔的正常受力。当输出值小于该范围时，可能出现连接处萎缩的情况，当输出值大于该范围时，则是接受腔受力过大。当电子皮肤感受到的压力过大或过小时可由相关人员进行提醒，避免运动员残肢处长时间处于紧绷或空荡的状态，同时也可对每日收集的数据进行专业的分析，制作出一款适配性较高或可自主进行检测和调整的假肢产品。

以上对本发明实施例所提供的一种复层式电子皮肤进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施例进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施例及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种复层式电子皮肤，其特征在于，所述复层式电子皮肤包括第一层皮肤以及第二层皮肤，所述第一层皮肤和所述第二层皮肤对称设置，其中：

所述第一层皮肤由第一水凝胶及多个第一传感器构成，所述第一传感器包括第一温度补偿电路、第一压力感应电路、第一阻压芯片以及第一柔性半球状凸起压板，所述第一温度补偿电路与所述第一水凝胶的内部相连接，所述第一压力感应电路与所述第一温度补偿电路并联连接，所述第一压力感应电路与所述第一组压芯片相连接，所述第一阻压芯片设置在所述第一柔性半球状凸起压板的内部；

所述第二层皮肤由第二水凝胶及多个第二传感器构成，所述第二传感器包括第二温度补偿电路、第二压力感应电路、第二阻压芯片以及第二柔性半球状凸起压板，所述第二温度补偿电路与所述第二水凝胶的内部相连接，所述第二压力感应电路与所述第二温度补偿电路并联连接，所述第二压力感应电路与所述第二组压芯片相连接，所述第二阻压芯片设置在所述第二柔性半球状凸起压板的内部；

所述第一柔性半球状凸起压板的外部与所述第二柔性半球状凸起压板的外部相互正对设置。

2.根据权利要求1所述的复层式电子皮肤，其特征在于，所述第一阻压芯片和所述第二阻压芯片均由测量电路集成在单晶硅膜片上构成。

3.根据权利要求2所述的复层式电子皮肤，其特征在于，所述第一柔性半球状凸起压板之间间隔1mm设置，所述第二柔性半球状凸起压板之间间隔1mm设置，所述第一柔性半球状凸起压板的直径为3mm，所述第二柔性半球状凸起压板的直径为3mm。

4.根据权利要求3所述的复层式电子皮肤，其特征在于，所述第一阻压芯片以及所述第二阻压芯片的量程均为0～50Ω。

5.根据权利要求4所述的复层式电子皮肤，其特征在于，所述第一阻压芯片以及所述第二阻压芯片的量程均为0～300Kpa。

6.根据权利要求5所述的复层式电子皮肤，其特征在于，所述多个第一传感器与所述多个第二传感器均采用阵列的排布方式。

7.根据权利要求6所述的复层式电子皮肤，其特征在于，所述复层式电子皮肤还包括集成器，所述集成器分别与所述第一压力感应电路及所述第二压力感应电路相连接。

8.根据权利要求7所述的复层式电子皮肤，其特征在于，所述复层式电子皮肤还包括显示器，所述显示器与所述集成器相连接。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的复层式电子皮肤，其特征在于，9个所述第一传感器与9个所述第二传感器构成所述复层式电子皮肤的传感单元。

10.根据权利要求9所述的复层式电子皮肤，其特征在于，3*12个所述传感器组成所述复层式电子皮肤的触觉传感阵列。

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