CN113418553B - 多模态传感器及其制备方法以及智能设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种多模态传感器及其制备方法以及智能设备，所述多模态传感器包括衬底，所述衬底具有相连的第一功能区及第二功能区，所述第一功能区设置有第一材料，所述第一材料用于产生第一电信号，以实现第一检测功能，所述第二功能区设置有第二材料，所述第二材料用于产生第二电信号，以实现第二检测功能，所述第一材料与所述第二材料的材料不同，且所述第一检测功能与所述第二检测功能不同。所述第一材料与所述第二材料用于实现对不同外界信息的精准感测，由于所述第一材料与所述第二材料互不影响，提高了所述多模态传感器的感测精度。同时，所述多模态传感器的结构较为简单，工艺流程易于实现，成本较小。

Description

多模态传感器及其制备方法以及智能设备

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种多模态传感器及其制备方法以及智能设备。

背景技术

传感器技术一直以来都是人工智能的重要研究方向之一，近年来，基于结构设计或者新型敏感材料方面的研究，出现了各式各样的传感器。其中，多模态传感器凭借对外界物理或化学信息的多重感测，确保了在各种复杂环境下的精准感测。

目前出现的多模传感器，例如，电容式双模传感器，容易受到工作空间内的无关带电物体和环境中的湿度、气流等的影响，不利于实现传感器对外界信息的精准感测，又或者是集成了工艺复杂、成本较大的传感器件。

发明内容

本申请公开了一种多模态传感器，能够解决不利于实现传感器对外界信息的精准感测，工艺复杂、成本较大的技术问题。

第一方面，本申请提供了一种多模态传感器，所述多模态传感器包括衬底，所述衬底具有相连的第一功能区及第二功能区，所述第一功能区设置有第一材料，所述第一材料用于产生第一电信号，以实现第一检测功能，所述第二功能区设置有第二材料，所述第二材料用于产生第二电信号，以实现第二检测功能，所述第一材料与所述第二材料的材料不同，且所述第一检测功能与所述第二检测功能不同。

所述第一材料与所述第二材料用于实现对不同外界信息的精准感测，由于所述第一材料与所述第二材料互不影响，提高了所述多模态传感器的感测精度。同时，所述多模态传感器的结构较为简单，工艺流程易于实现，成本较小。

可选的，所述第一检测功能包括接触检测，所述第二检测功能包括接近检测，所述第一功能区围设于所述第二功能区的周缘。

可选的，所述第一功能区包括间隔设置的多个第一子功能区，所述第一子功能区与所述第二功能区具有间隙。

可选的，所述第一材料包括PEDOT:PSS、碳纳米管(CNT)、石墨烯、氧化还原石墨烯(rGO)、金属纳米线、MXene以及导电材料和高分子聚合物组成的复合材料中的任意一种或多种。

可选的，所述第二材料包括磁性材料和柔性聚合物材料组成的复合材料，其中，磁性材料为铁磁材料、亚铁磁材料以及顺磁材料中的任意一种或多种，柔性聚合物材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)中的任意一种或多种。

可选的，所述第二材料中掺有磁性材料，且磁性材料在所述第二材料中的掺入比与所述第二材料产生第二电信号的灵敏度呈正相关。

可选的，所述衬底包括第一子衬底及第二子衬底，所述第一子衬底与所述第二子衬底相连接，所述第一功能区设置于所述第一子衬底，所述第二功能区设置于所述第二子衬底。

可选的，所述衬底为氨纶布、尼龙布、涤纶布、棉布中的任意一种或多种。

第二方面，本申请还提供了一种多模态传感器制备方法，所述多模态传感器制备方法包括：

提供衬底及掩模板，所述衬底具有相连的第一功能区及第二功能区，所述衬底的一侧设置有所述掩模板，所述衬底的第二功能区显露于所述掩模板；

提供第二材料，将所述第二材料刷涂于所述衬底的第二功能区；

撤去所述掩模板，并对所述衬底进行烘干固化；

提供第一材料，将所述第一材料刷涂于所述衬底的第一功能区；

对所述衬底进行烘干固化，形成多模态传感器。

第三方面，本申请还提供了一种智能设备，所述智能设备包括处理模块及如第一方面所述的多模态传感器，所述处理模块用于根据所述第一电信号或所述第二电信号判断所述智能设备的状态。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施方式提供的多模态传感器结构示意图。

图2为本申请一实施方式提供的多模态传感器俯视示意图。

图3为本申请一实施方式提供的机器人框架示意图。

图4为本申请另一实施方式提供的多模态传感器俯视示意图。

图5为本申请另一实施方式提供的多模态传感器俯视示意图。

图6为本申请一实施方式提供的多模态传感器制备方法流程示意图。

图7为本申请一实施方式提供的智能设备框架示意图。

标号说明：多模态传感器-1、衬底-11、第一功能区-111、第一子功能区-1111、第二功能区-112、第一子衬底-113、第二子衬底-114、机器人-2、处理器-21、驱动模块-22、智能设备-3、处理模块-31。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

本申请提供了一种多模态传感器1，请一并参阅图1，图1为本申请一实施方式提供的多模态传感器结构示意图。所述多模态传感器1包括衬底11，所述衬底11具有相连的第一功能区111及第二功能区112，所述第一功能区111设置有第一材料，所述第一材料用于产生第一电信号，以实现第一检测功能，所述第二功能区112设置有第二材料，所述第二材料用于产生第二电信号，以实现第二检测功能，所述第一材料与所述第二材料的材料不同，且所述第一检测功能与所述第二检测功能不同。

需要说明的是，通常情况下所述多模态传感器1可以运用于多种复杂的智能设备中，例如机器人等。所谓多模态传感器1可以理解为，对外界不同信息进行感测以得到多个感测信号，并根据所述多个感测信号得到智能设备的状态等结果。

例如，接近/接触状态为一组常用于智能设备中的检测状态。可以理解的，由接触到接近状态，或者接近到接触状态的改变是较难通过单一的传感器检测到的，因此，采用多模态传感器1检测接近/接触状态较容易实现。举例而言，以所述第一检测功能包括接触检测，所述第二检测功能包括接近检测为例，第一材料采用导电压阻材料，当所述第一材料受到挤压力时，由于导电压阻的性质，其电阻值发生变化，从而所述多模态传感器1可以检测到接触状态；第二材料采用磁性材料，当所述第二材料感测到外界磁场变化时，由于磁性材料的性质，其受到的磁力发生变化，从而所述多模态传感器1可以检测到接近状态。最终，所述多模态传感器1能够实现检测接近/接触状态。可以理解的，在其他可能的实施方式中，所述第一材料、所述第二材料还可以是其他材料，所述多模态传感器1还用于检测其他外界信息，本申请对此不加以限制。

可以理解的，在本实施方式中，所述第一材料与所述第二材料用于实现对不同外界信息的精准感测，由于所述第一材料与所述第二材料互不影响，提高了所述多模态传感器1的感测精度。同时，所述多模态传感器1的结构较为简单，工艺流程易于实现，成本较小。

在一种可能的实施方式中，请一并参阅图2，图2为本申请一实施方式提供的多模态传感器俯视示意图。所述第一检测功能包括接触检测，所述第二检测功能包括接近检测，所述第一功能区111围设于所述第二功能区112的周缘。

具体的，以所述多模态传感器1为检测机器人2的接近/接触状态为例进行说明，请一并参阅图3，图3为本申请一实施方式提供的机器人2框架示意图。所述机器人2包括所述多模态传感器1、处理器21及驱动模块22，所述多模态传感器1与所述处理器21电连接，所述处理器21用于根据所述多模态传感器1发送的第一电信号或第二电信号判断所述机器人2的状态。所述处理器21还用于根据所述机器人2的状态，控制所述驱动模块22工作，使得所述机器人2停止或开始移动。

具体的，所述第一材料为导电压阻材料，设置于第一功能区111，所述第二材料中包含磁性材料，设置于所述第二功能区112。可以理解的，当机器人2已经接触到物体时，所述第一材料可以通过其电阻值的大小变化，形成所述第一电信号，所述处理器21根据所述第一电信号判断所述机器人2为接触物体的状态。需要说明的是，随着接触时挤压受力大小的变化，所述第一材料的电阻值大小依旧在改变，所述处理器21可以进一步判断机器人2的接触程度。当所述处理器21根据所述第一电信号判断所述机器人2为接触物体的状态时，所述处理器21可控制所述驱动模块22停止工作，避免所述机器人2持续与物体发生碰撞而造成损害。

当机器人2还未接触到物体时，所述第二材料可以通过感应外界磁场的大小变化，形成所述第二电信号，所述处理器21根据所述第二电信号判断所述机器人2为接近物体的状态。需要说明的是，通常情况下，距离外界磁场源的位置越远，其位置的磁场大小越小，也就是说，当机器人2逐渐靠近外界磁场源时，所述第二材料感测到的磁场大小越来越大。可以理解的，所述处理器21可以通过判断磁场大小的变化，来判断机器人2在远离还是接近外界磁场源。当所述处理器21根据所述第二电信号判断所述机器人2为接近或远离物体的状态时，所述处理器21可控制所述驱动模块22开始工作，使得所述机器人2继续朝向或背离物体移动。

需要说明的是，上述实施方式仅仅是列举的一些可能的控制方法，并不代表本申请限制了所述处理器21根据所述多模态传感器1传输的电信号控制所述驱动模块22的方法。可以理解的，在其他可能的实施方式中，所述处理器还可以根据所述多模态传感器1传输的电信号控制所述机器人2的其他模块，本申请对此不加以限制。

在一种可能的实施方式中，请一并参阅图4，图4为本申请另一实施方式提供的多模态传感器俯视示意图。所述第一功能区111包括间隔设置的多个第一子功能区1111，所述第一子功能区1111与所述第二功能区112具有间隙。

具体的，多个所述第一子功能区1111间隔设置，也就是说，设置于所述第一子功能区1111的所述第一材料之间具有间隙。可以理解的，当所述第一材料为导电压阻材料时，间隔设置的所述第一材料可以使得所述多模态传感器1对不同部位的接触检测更加精确。举例而言，结合图4来看，当位于左上方的所述第一子功能区1111中的所述第一材料的电阻发生变化，而其余部位的所述第一材料的电阻未发生变化，可以表明所述多模态传感器1的左上方接触到物体。

可以理解的，间隔设置的多个所述第一子功能区1111提高了所述多模态传感器1的对检测接触状态的精确程度。同时，所述第一子功能区1111与所述第二功能区112具有间隙，避免了所述第一材料与所述第二材料互相影响，提高了所述多模态传感器1的检测准确度。

在一种可能的实施方式中，请一并参阅图5，图5为本申请另一实施方式提供的多模态传感器俯视示意图。所述第一功能区111与所述第二功能区112形成圆环结构。

具体的，所述第一功能区111与所述第二功能区112的形状还可以是三角形、梯形、圆形、椭圆形等，以适应智能设备中不同部位的检测，可以根据实际情况对所述第一功能区111与所述第二功能区112的形状作出调整。

可以理解的，在其他可能的实施方式中，所述第一功能区111与所述第二功能区112的图案、形状还可以是其他形状，所述第一功能区111域所述第二功能区112的图案、形状可以相同，也可以不同，本申请对此不加以限制。

在一种可能的实施方式中，所述第一材料包括PEDOT:PSS、碳纳米管(CNT)、石墨烯、氧化还原石墨烯(rGO)、金属纳米线、MXene以及导电材料和高分子聚合物组成的复合材料中的任意一种或多种。

具体的，在本实施方式中，以所述第一材料用于感测接触状态为例进行说明。所述第一材料为导电压阻材料，当所述第一材料受到挤压力时，其电阻值会发生变化。可以理解的，在其他可能的实施方式中，当所述第一材料为其他材料时，所述多模态传感器1可以感测外界不同的信息，所述第一材料可以根据实际情况作出调整，本申请对此不加以限制。

在一种可能的实施方式中，所述第二材料包括磁性材料和柔性聚合物材料组成的复合材料，其中，磁性材料为铁磁材料、亚铁磁材料以及顺磁材料中的任意一种或多种，柔性聚合物材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)中的任意一种或多种。

具体的，在本实施方式中，以所述第二材料用于感测接近状态为例进行说明。所述第二材料中包含磁性材料，当所述第二材料接近或远离外界磁场源时，所述第二材料感测到的磁场大小会随之变化。可以理解的，在其他可能的实施方式中，当所述第二材料为其他材料时，所述多模态传感器1可以感测外界不同的信息，所述第二材料可以根据实际情况作出调整，本申请对此不加以限制。

在一种可能的实施方式中，所述第二材料中掺有磁性材料，且磁性材料在所述第二材料中的掺入比与所述第二材料产生第二电信号的灵敏度呈正相关。

可以理解的，当向所述第二材料中掺入磁性材料时，使得所述第二材料具有感测外界磁场源的能力，且掺入的磁性材料越多，所述第二材料具有感测外界磁场源的能力越强，也就是说，磁性材料在所述第二材料中的掺入比与所述第二材料产生第二电信号的灵敏度呈正相关，换句话说，掺入的磁性材料越少，所述第二材料感测外界磁场源的灵敏度下降的越多。也就是说，在本实施方式中，可以根据实际情况，通过调整磁性材料在所述第二材料中的掺入比，实现对所述第二材料产生第二电信号的灵敏度进行调整。

可以理解的，在其他可能的实施方式中，由于外界磁场源发散的磁场随着距离的增加而逐渐减小，还可以根据实际情况，通过调整外界磁场源的功率大小，调整所述第二材料产生所述第二电信号时，所述多模态传感器1与外界磁场源的距离，本申请对此不加以限制。

在一种可能的实施方式中，请再次参阅图1，所述衬底11包括第一子衬底113及第二子衬底114，所述第一子衬底113与所述第二子衬底114相连接，所述第一功能区111设置于所述第一子衬底113，所述第二功能区112设置于所述第二子衬底114。

具体的，在本实施方式中，所述第一子衬底113与所述第二子衬底114以一定形状、大小相连接，且所述第一功能区111设置于所述第一子衬底113，所述第二功能区112设置于所述第二子衬底114。

可以理解的，此种设置方式简化了所述多模态传感器1的制备过程。例如，在裁取所述第一子衬底113的所述第一功能区111之前，所述第一材料可完全刷涂于所述第一子衬底113，在裁取所述第二子衬底114的所述第二功能区112之前，所述第二材料可完全刷涂与所述第二子衬底114。而后裁取所述第一子衬底113的所述第一功能区111部分以及所述第二子衬底114的所述第二功能区112部分，并互相连接以形成所述多模态传感器1。

可以理解的，在其他可能的实施方式中，所述第一子衬底113与所述第二子衬底114的材质可以是相同的，也可以是不同的，所述第一子衬底113与所述第二子衬底114的形状也可以是其他形状，本申请对此不加以限制。

在一种可能的实施方式中，所述衬底11为氨纶布、尼龙布、涤纶布、棉布中的任意一种或多种。

具体的，氨纶布、尼龙布、涤纶布、棉布均为成本较低的柔性织物材料。一方面，在织物材料上易于刷涂材料；另一方面，采用柔性织物材料，当所述多模态传感器1受到挤压时，所述衬底11可适当的发生一定形变，有利于所述第一材料的电阻值发生变化，提高了所述多模态传感器1的检测准确性。可以理解的，在其他可能的实施方式中，所述衬底11还可以是其他材料，本申请对此不加以限制。

本申请还提供了一种多模态传感器制备方法，请一并参阅图6，图6为本申请一实施方式提供的多模态传感器制备方法流程示意图。所述多模态传感器制备方法包括步骤S601、S603、S604、S605、S606，步骤S601、S603、S604、S605、S606的详细介绍如下。

S601，提供衬底及掩模板，所述衬底具有相连的第一功能区及第二功能区，所述衬底的一侧设置有所述掩模板，所述衬底的第二功能区显露于所述掩模板；

具体的，所述掩模板具有镂空部分，当所述掩模板设置于所述衬底11的一侧时，所述衬底11的第二功能区112对应所述掩模板的镂空部分，以使得第二材料刷涂于所述衬底11时，所述第二材料能够准确刷涂至所述第二功能区112。

在本实施方式中，所述掩模板的镂空部分为1cm*1cm的正方形，对应所述衬底11的所述第二功能区112的部分。可以理解的，在其他可能的实施方式中，所述掩模板的镂空部分的形状还可以是其他形状，本申请对此不加以限制。

S603，提供第二材料，将所述第二材料刷涂于所述衬底的第二功能区；

S604，撤去所述掩模板，并对所述衬底进行烘干固化；

具体的，所述“并对所述衬底11进行烘干固化”具体为，将所述衬底11放入烘箱中以80℃烘烤3小时，以将所述第二材料烘干固化于所述衬底11的所述第二功能区112。

S605，提供第一材料，将所述第一材料刷涂于所述衬底的第一功能区；

具体的，在本实施方式中，所述第一材料采用PEDOT:PSS导电聚合物油墨，并刷涂于所述第一功能区111，且刷涂的宽度为1cm。也就是说，所述第一功能区111的外侧边缘距离所述第二功能区112至少为1cm。

S606，对所述衬底进行烘干固化，形成多模态传感器。

具体的，所述“并对所述衬底11进行烘干固化”具体为，将所述衬底11放入烘箱中以80℃烘烤2小时，以将所述第一材料烘干固化于所述衬底11的所述第一功能区111，最终形成所述多模态传感器1。

在一种可能的实施方式中，请再次参阅图6，在所述提供第二材料，将所述第二材料刷涂于所述第二功能区112之前，所述多模态传感器1制备方法还包括步骤S602，步骤S602的详细介绍如下。

S602，提供柔性材料、固化剂及磁性材料，将柔性材料、固化剂及磁性材料充分搅拌，并进行真空脱泡处理，以得到所述第二材料。

具体的，在本实施方式中，所述柔性材料采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)基液，所述磁性材料采用四氧化三铁纳米颗粒(Fe₃O₄)，其中，所述柔性材料、所述固化剂与所述磁性材料的质量比为10:1:1。

将柔性材料、固化剂及磁性材料充分搅拌，使所述柔性材料与所述磁性材料充分混合固化，并通过真空脱泡处理，从而消除所述柔性材料与所述磁性材料之间的气泡，以使得所述柔性材料与所述磁性材料结合的更加充分，最终得到所述第二材料。

可以理解的，在其他可能的实施方式中，所述柔性材料、所述固化剂与所述磁性材料的质量比还可以是其他数值，所述柔性材料及磁性材料的材料也可以是其他材料，本申请对此不加以限制。

需要说明的是，以上制备方法的描述仅仅是本申请提供的一种可能的实施方式，并不代表本申请限定了所述多模态传感器1的制备流程及工艺。在其他可能的实施方式中，还可以依据本申请提供其他实施方式，改变上述步骤或调整步骤的顺序，本申请对此不加以限制。

本申请还提供了一种智能设备3，请一并参阅图7，图7为本申请一实施方式提供的智能设备框架示意图。所述智能设备包括处理模块31及如上文所述的多模态传感器1，所述处理模块31用于根据所述第一电信号或所述第二电信号判断所述智能设备3的状态。

具体的，所述智能设备3、处理模块31以及所述多模态传感器1之间的工作原理，请参阅上文关于所述机器人2的相关描述，在此不再赘述。

需要说明的是，在本文中的智能设备是指研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的设备。本申请提供的所述智能设备3还可以是车辆、电脑、机器人以及可穿戴的手表、眼镜、服装等，本申请对此不加以限制。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (8)

1.一种用于接触检测和接近检测的多模态传感器，其特征在于，所述多模态传感器包括衬底，所述衬底具有相连的第一功能区及第二功能区，所述第一功能区围设于所述第二功能区的周缘，所述第一功能区包括间隔设置的多个第一子功能区，所述第一子功能区与所述第二功能区具有间隙；所述第一功能区设置有第一材料，所述第一材料采用导电压阻材料，所述第一材料用于产生第一电信号，以实现第一检测功能，所述第一检测功能为接触检测，所述第二功能区设置有第二材料，所述第二材料采用磁性材料，所述第二材料用于产生第二电信号，以实现第二检测功能，所述第二检测功能为接近检测，所述第一材料与所述第二材料的材料不同，且所述第一检测功能与所述第二检测功能不同。

2.如权利要求1所述的用于接触检测和接近检测的多模态传感器，其特征在于，所述第一材料包括PEDOT:PSS、碳纳米管（CNT）、石墨烯、氧化还原石墨烯（rGO）、金属纳米线、MXene以及导电材料和高分子聚合物组成的复合材料中的任意一种或多种。

3.如权利要求1所述的用于接触检测和接近检测的多模态传感器，其特征在于，所述第二材料包括磁性材料和柔性聚合物材料组成的复合材料，其中，磁性材料为铁磁材料、亚铁磁材料以及顺磁材料中的任意一种或多种，柔性聚合物材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）、Ecoflex、热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU）中的任意一种或多种。

4.如权利要求3所述的用于接触检测和接近检测的多模态传感器，其特征在于，所述第二材料中掺有磁性材料，且磁性材料在所述第二材料中的掺入比与所述第二材料产生第二电信号的灵敏度呈正相关。

5.如权利要求1所述的用于接触检测和接近检测的多模态传感器，其特征在于，所述衬底包括第一子衬底及第二子衬底，所述第一子衬底与所述第二子衬底相连接，所述第一功能区设置于所述第一子衬底，所述第二功能区设置于所述第二子衬底。

6.如权利要求1所述的用于接触检测和接近检测的多模态传感器，其特征在于，所述衬底为氨纶布、尼龙布、涤纶布、棉布中的任意一种或多种。

7.一种多模态传感器制备方法，用于制备如权利要求1-6任意一项所述的用于接触检测和接近检测的多模态传感器，其特征在于，所述多模态传感器制备方法包括：

提供衬底及掩模板，所述衬底具有相连的第一功能区及第二功能区，所述衬底的一侧设置有所述掩模板，所述衬底的第二功能区显露于所述掩模板；

提供第二材料，将所述第二材料刷涂于所述衬底的第二功能区；

撤去所述掩模板，并对所述衬底进行烘干固化；

提供第一材料，将所述第一材料刷涂于所述衬底的第一功能区；

对所述衬底进行烘干固化，形成多模态传感器。

8.一种智能设备，其特征在于，所述智能设备包括处理模块及如权利要求1-6任意一项所述的用于接触检测和接近检测的多模态传感器，所述处理模块用于根据所述第一电信号或所述第二电信号判断所述智能设备的状态。

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