CN115824269B - 一种单模态、自适应和多功能柔性力学杂化传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单模态、自适应和多功能柔性力学杂化传感器，它包括有源式传感部分和无源式传感部分，有源式传感部分包括可变电阻构件、固定电阻和直流电源，无源式传感部分包括压电或摩擦电传感器件，其中可变电阻构件、固定电阻和直流电源三者串联，构成闭环回路。压电或摩擦电传感器件与固定电阻部分并联，最终通过测量固定电阻两端或压电/摩擦电传感器件两端的杂化电位差或者电压信号，对信号进行无缝杂化，形成杂化复合信号，实现对外界复杂力学刺激的全面解析。本发明将无源式与有源式传感原理进行巧妙融合与信号杂化，实现基于同一种电学信号，通过杂化传感原理的自适应调节机制，对复杂力学刺激的多种不同参数进行检测和监测。

Description

一种单模态、自适应和多功能柔性力学杂化传感器

技术领域

本发明涉及智能传感技术领域，尤其涉及一种单模态、自适应和多功能柔性力学杂化传感器。

背景技术

近年来，随着人工智能、大数据、物联网、智能可穿戴等技术的迅猛发展，越来越多的新产品、新技术、新业态、新模式正在逐渐改变着人们的生产和生活方式。作为上述领域的关键技术之一，智能传感技术已经引起科学界和工业界的广泛关注，尤其在近年来发展极其迅速。与电子芯片、智能算法等先进技术相结合，智能传感技术可以实现对多种外界刺激（如压力、应变、振动等）的监测，通过对监测信号的实时分析，可以实现智能语音识别、人体活动监测、疾病诊断与预警、人机交互以及万物互联，在医疗、工业等诸多领域有着广阔的应用前景和市场潜力。

传统电子传感器件一般具有刚性物理形态，且呈平面状，在实际使用中难以满足智能可穿戴、人机交互、复杂曲面传感等场景对传感器件力学柔性的要求，具有较大的限制性。与传统的刚性传感器相比，柔性传感器件不仅具有感知周围刺激和提供相应信息的功能，而且具有良好的力学柔韧性和延展性，能够在承受弯曲、扭曲和拉伸等状态下仍然可以正常工作。随着诸多前沿交叉技术领域的不断涌现与迅速发展，柔性传感器所扮演的作用越来越关键，在智慧医疗、环境/结构监测、智能可穿戴、物联网等诸多应用领域不可或缺。

目前，基于单一传感机理（如电阻型、电容型、有机场效应晶体管型、离子通道式、压电型、摩电型等）的柔性器件能实现不同信号的高性能监测，已经获得广泛的应用。然而，这类柔性传感器件由于只能监测单一的力学刺激，往往只能用在特定的应用场景。总体而言，目前柔性传感技术涉及的传感机理主要分为两大类：主动式传感和被动式传感，主动式传感器器件在工作时需要源源不断的外部能量输入，并按照一定规律将输入信号变换成携带特定信息的输出信号；典型的主动式传感机理包括电阻式、电容式、晶体管式等传感方式。在受到外界刺激时（如压力、应变、温度、化学物等），传感器件的电阻值、电容值、晶体管特性等相关电学参数会发生相应的变化，通过测量上述电学参数变化即可实现对外界刺激的检测。基于上述主动式传感机理的柔性传感器件可以用于静态刺激以及低频动态刺激的实时监测，在可穿戴智能设备、人机交互系统、机器人触觉等领域扮演着关键角色。然而，上述主动式传感器件对高频动态刺激的检测能力很差，在实际应用中具有显著的局限性。与主动式传感器件相比，被动式传感器件无需外界能量输入即可工作，典型的被动式传感机理包括压电式、摩擦电式、热电/焦电式等传感方式。在受到外界刺激时（如压力、应变、温度变化等），该类传感器件可以将外界刺激转化为特定的电压或电流信号输出，通过分析传感器输出电信号的典型特征，即可对外界刺激做出定量评估，从而达到检测外界刺激的目的。基于上述被动式传感机理的柔性传感器件可自发产生和输出电信号，无需外界能量输入，因此功率消耗极低。然而，绝大部分被动式传感器件只对动态或者瞬态变化的外界刺激产生响应，而对连续施加的静态刺激（如持续压力、恒定温度等）或者低频动态刺激则没有检测能力，在实际应用中具有显著的局限性。因此，目前基于单一传感机理的传感器件只有一种类型的信号输出，解读的信息有限，都不能做到对静态刺激、低频动态刺激和高频动态刺激的连续、完整和同时检测，限制了其实际应用的场景。

为了满足智能假肢、可穿戴设备、智慧医疗、万物互联等新兴领域对监测复杂力学刺激的迫切需求，基于不同传感机制的多功能传感器件已经被大量开发。多功能传感器由于集成了多种传感机制，能实现对多种刺激进行互补式检测，有效地弥补了基于单一传感机制及器件的缺陷。目前，主要可以通过两种策略设计和研发多功能传感器。一种是将不同功能的感知元件通过空间集成安放到同一块柔性基体上，单个传感元件可以独立工作，但是，该种多功能传感器制造过程十分复杂，成本高昂，且器件体积较大，器件密度较低，上述缺点大大限制了其应用场景。另一种策略是发展多模态传感器件，这类传感器相比前者更易制造，结构更紧凑。例如，韩国东亚大学的Heon Sang Lee课题组和韩国蔚山国家科学技术研究院的Hyunhyub Ko课题组都介绍了一种分别利用电阻信号和电压/电流信号来检测静态和动态刺激。然而，目前报道的多模态传感器件仍然存在显著的缺陷：一方面，不同传感模块之间容易相互干扰或串扰，需要不断切换不同的传感模块来检测不同类型的刺激，不同传感模块无法同时工作，这大大限制了其数据采集速率，同时增加了信号采集难度；另一方面，来自不同的传感模块的信号输出通常彼此不兼容，由于需要多个测量装置或信号转换设备，应用成本高昂，且具有较大的功耗，能量效率较低。因而，上述多模态传感器件在实际应用中仍然具有显著的局限性。

所以，现有基于单种传感机制的传感器只能检测单一的力学刺激，无法用于复杂力学刺激实时监测（如静态、低频动态、高频动态以及瞬态刺激等）。相比之下，通过不同传感器件空间集成或者利用多模态传感机理可以实现多功能传感器件的构建，可用于静态和动态力学刺激的检测，但目前上述多功能传感器件制造过程复杂，成本高昂，器件密度较低；此外，不同的传感模块的信号输出通常彼此不兼容，由于需要多个测量装置或信号转换设备，应用成本高昂，且具有较大的功耗，能量效率较低。因而，上述多功能传感器件在实际应用中仍然具有显著的局限性。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息只用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种单模态、自适应和多功能柔性力学杂化传感器，解决现有基于单种传感机制以及复合传感机制的传感器存在的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种单模态、自适应和多功能柔性力学杂化传感器，它包括有源式传感部分和无源式传感部分，所述有源式传感部分包括可变电阻构件、固定电阻和直流电源，所述无源式传感部分包括压电传感器件或者摩擦电传感器件，压电传感器件或者摩擦电传感器件设置在第一电极和第二电极之间；

所述可变电阻构件、固定电阻和直流电源三者串联，构成闭环回路，所述压电传感器件或摩擦电传感器件与固定电阻部分并联，最终通过测量固定电阻两端，或测量压电或摩擦电传感器件两端的杂化电位差或者电压信号，或通过测量流经固定电阻和可变电阻构件的杂化电流信号，对有源式传感信号和无源式传感信号进行无缝杂化，形成杂化复合信号，最终实现基于单一的杂化电学信号，通过杂化传感原理的自适应调节机制，对复杂力学刺激的多种不同参数进行检测和监测。

通过电压信号测量装置测量固定电阻两端，或测量压电或摩擦电传感器件两端的杂化电位差或者电压信号包括：

所述电压信号测量装置与所述固定电阻以及压电或者摩擦电器件并联，所述固定电阻与可变电阻构件串联，当可变电阻构件受到外界力学刺激后其阻值迅速减小，使得固定电阻两端的电压迅速增加，形成电压差信号变化而被电压信号测量装置测量到；当压电层或者摩擦电层受到外界力学刺激时，基于压电效应或者摩擦电效应，输出尖峰状瞬态电压差信号被电压信号测量装置测量到；固定电阻两端的电压差信号与压电层或者摩擦电层输出的尖峰状瞬态电压差信号被无缝杂化，最终形成携带多重信息的杂化复合电压差信号；

或者通过电流信号测量装置测量流经固定电阻和可变电阻构件的杂化电流信号包括：

电流信号测量装置与固定电阻和可变电阻构件串联，当可变电阻构件受到外界力学刺激后其阻值迅速减小，使得固定电阻两端的电流迅速增加，形成的电流信号变化被电流信号测量装置测量到；当压电层或者摩擦电层受到外界力学刺激时，基于压电效应或者摩擦电效应，输出尖峰状瞬态电流信号被电流信号测量装置测量到；固定电阻两端的电流信号与压电层或者摩擦电层输出的尖峰状瞬态电流信号被无缝杂化，最终形成携带多重信息的杂化复合电流信号。

所述可变电阻构件包括压力敏感型导电微结构、第二电极和第三电极，所述压力敏感型导电微结构设置在第二电极和第三电极之间，所述第三电极与直流电源一端连接，直流电源另一端与固定电阻和第一电极连接，固定电阻另一端与第二电极连接；

所述电压信号测量装置与固定电阻并联，同时与压电或摩擦电器件并联；或者所述电流信号测量装置与可变电阻构件和固定电阻串联。

所述可变电阻构件包括第三电极、压力敏感型导电微结构和第四电极，所述压力敏感型导电微结构设置在第三电极和第四电极之间，且第三电极设置在第二电极下方且与第二电极电性连接，所述第四电极与直流电源一端连接，直流电源另一端与固定电阻和第一电极电性连接，固定电阻另一端与第二电极电性连接；

所述电压信号测量装置连接在所述第一电极和第二电极之间，且与固定电阻并联；或者所述电流信号测量装置与所述可变电阻构件和固定电阻串联。

所述可变电阻构件包括压力敏感型导电微结构、并排放置的第三电极和第四电极，以及基底部分，所述压力敏感型导电微结构设置在第三电极和第四电极上方，所述第三电极和第四电极与固定电阻以及直流电源串联，所述压电传感器件或摩擦电传感器件与固定电阻部分并联。

所述电压信号测量装置的一端与第二电极和第四电极电性连接，另一端与直流电源以及第一电极电性连接；或者所述电流信号测量装置与所述可变电阻构件和固定电阻串联。

所述可变电阻构件包括第三电极、第四电极、压力敏感型导电微结构、绝缘层和基底，所述压力敏感型导电微结构设置在第三电极和第四电极上方，绝缘层设置在压力敏感型导电微结构与第二电极之间，第三电极和第四电极与固定电阻以及直流电源串联，所述压电传感器件或摩擦电传感器件与固定电阻部分并联，绝缘层将压力敏感型导电微结构和压电或者摩擦电器件隔离开来；

所述电压信号测量装置的一端与第二电极和第四电极电性连接，另一端与直流电源和第一电极电性连接；或者所述电流信号测量装置与所述可变电阻构件和固定电阻串联。

本发明具有以下优点：

1、将无源式传感原理（如压电、摩擦电等）与有源式传感原理（即基于压阻效应和电阻串联的力电耦合效应）进行巧妙融合与信号杂化，将压电器件或摩擦电器件的特定电学信号（如电压、电位差、电流等）与压阻/电阻器件的同类电学信号进行杂化，实现基于同一种电学信号（电压或电流或电位差），通过杂化传感原理的自适应调节机制，即可对复杂力学刺激的多种不同参数（如频率、强度、持续时间、施加/释放速率等）进行检测和监测。

2、可以根据外界力学刺激特性而自发调整，具有独特的自适应特性：即当杂化器件受到静态力学刺激时，有源式传感效应为主要工作原理；当器件受到高频动态或者瞬态力学刺激时，无源式传感方式为主要工作原理；当器件受到低频或者中频动态力学刺激时，有源式传感和无源式传感两种模式同时工作。

3、具有稳定的信号输出，不会出现无源式电化学传感器件因自身能量耗散或不足导致信号不稳定、检测精度变差等问题；此外，因为整个电路中电阻较高，通过的电流较小，该类有源/无源杂化传感器件只需要很低的外界能量输入即可工作，因此具有极低的功率功耗。

附图说明

图1 为本发明采用测量电压信号的电路和信号示意图；

图2 为本发明采用测量电压信号且无源传感部分为压电器件的结构示意图；

图3 为本发明采用测量电压信号且无源传感部分为压电器件的三维构型示意图；

图4 为本发明采用测量电压信号且无源传感部分为摩擦电器件的结构示意图；

图5 为本发明采用测量电压信号且无源传感部分为摩擦电器件的三维构型示意图；

图6 为本发明采用测量电流信号的电路和信号示意图；

图7 为本发明信号效果示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明涉及一种单模态、自适应和多功能柔性力学杂化传感器，用于不同种类静态、动态以及瞬态刺激的同时检测与实时监测。该新型杂化传感机理的核心工作机制可以概括为：将无源式传感原理（如压电、摩擦电等）与有源式传感原理（即基于压阻效应和电阻串联的力电耦合效应）进行巧妙融合与信号杂化，将压电器件或摩擦电器件的特定电学信号（如电压、电位差、电流等）与压阻/电阻器件的同类电学信号进行杂化，实现基于同一种电学信号（电压或电流或电位差），通过杂化传感原理的自适应调节机制，即可对复杂力学刺激的多种不同参数（如频率、强度、持续时间、施加/释放速率等）进行检测和监测。

该种新型单模式、多功能杂化传感机理及相关器件具有自适应传感特性：即当杂化器件受到静态力学刺激时，有源式传感效应（即基于压阻效应和电阻串联的力电耦合效应）为主要工作原理；当器件受到高频动态或者瞬态力学刺激时，无源式传感方式（如压电、摩擦电等）为主要工作原理；当器件受到低频或者中频动态力学刺激时，有源式传感和无源式传感两种模式同时工作。基于上述自适应传感原理的单一输出信号（单模态），即可对复杂力学刺激的多种不同参数（如频率、强度、持续时间、作用时间等）进行检测和分析，在增加其多功能特性的同时，大大简化了传感器信号采集和相关操作，同时显著降低了整体能耗，这是传统压力力学传感机理和传感器件所难以实现的。此外，基于该种有源/无源杂化传感机理的智能传感器件具有稳定的信号输出，不会出现无源式电化学传感器件因自身能量耗散或不足导致信号不稳定、检测精度变差等问题；另一方面，因为整个电路中电阻较高（＞1MΩ），通过的电流较小（＜1uA），该类有源/无源杂化传感器件只需要很低的外界能量输入即可工作，因此具有极低的功率功耗。

如图1-图5所示，它包括有源式传感部分和无源式传感部分，所述有源式传感部分包括可变电阻构件、固定电阻和直流电源，所述无源式传感部分包括压电层（即压电器件）或者摩擦电层（即摩擦电器件）；

其中，压电层或者摩擦电层设置在第一电极和第二电极之间且与第一电极和第二电极电性连接，可变电阻构件包括压力敏感型导电微结构和两个电极，压力敏感型导电微结构可以设置在两个电极之间，也可以设置在两个并排电极的上方。可变电阻构件、固定电阻和直流电源三者串联形成闭合回路，压电或摩擦电传感器件与固定电阻并联，通过信号测量装置测量固定电阻两端的信号和压电层或者摩擦电层输出的信号，对上述两个信号进行无缝杂化，最终形成杂化复合信号。

进一步地，信号测量包括电压信号测量（如电压表或者电位仪测量），当压阻式传感器件（压力敏感型导电微结构）受到外界力学刺激后，其电阻值迅速减小（小于固定电阻的阻值），因此固定电阻两端分得的电压或电位差迅速增加，且该电压或电位差强度与外界压力大小正相关，出现如附图1中的b所示的平台信号部分，该种基于压阻效应与电阻串联的力电耦合原理非常适用于静态及低频动态刺激的监测。此外，当压电或摩擦电器件（与压阻式传感器件处于同一空间位置）受到同样的力学刺激时，基于其压电效应或摩擦电效应，则输出尖峰状瞬态的电压或电位差信号，出现附图1中的b中的两个尖峰信号部分，其中一个尖峰为施加力的过程产生，另一个尖峰为释放力的过程产生，该种压电或摩擦电原理非常适用于高频动态及瞬态刺激的监测。值得注意的是，通过如附图1中的a所述的电路连接与测量方式，固定电阻两端的信号（电压或电位差）可与压电/摩擦电器件输出的同类信号（电压或电位差）相互兼容，且可以进行无缝杂化，最终形成一个杂化复合信号（仍然为电压或电位差），该种杂化复合信号可以同时反映所施加力学刺激的静态以及动态特点（如频率、强度、持续时间、作用时间等），如附图1中的c所示，最终巧妙地实现基于单一信号输出即可对复杂刺激进行全面解析。

如附图2中的a和附图3中的a所示为无源传感部分为压电传感器件时，如附图4中的a和附图5中的a所示无源传感部分为摩擦电传感器件时，其中一种实施方式为，可变电阻构件包括压力敏感型导电微结构和两个电极，压力敏感型导电微结构设置在第二电极和第三电极之间，所述第三电极与直流电源一端连接，直流电源的另一端与固定电阻和第一电极电性连接，固定电阻与第二电极电性连接；

电压信号测量装置连接在所述第一电极和第二电极之间，且与固定电阻并联；在该实施例中压电层（压电传感器件）和压力敏感型导电微结构（压阻式传感器件）共用第二电极（图中的电极2）。

如附图2中的b和附图3中的b所示为无源传感部分为压电传感器件时，如附图4中的b和附图5中的b所示无源传感部分为摩擦电传感器件时，另一种实施方式为，可变电阻构件包括第三电极、压力敏感型导电微结构和第四电极，所述压力敏感型导电微结构设置在第三电极和第四电极之间，且第三电极设置在第二电极下方且与第二电极电性连接，所述第四电极与直流电源一端连接，直流电源另一端与固定电阻和第一电极电性连接，固定电阻与第二电极电性连接；

电压信号测量装置连接在所述第一电极和第二电极之间，且与固定电阻并联；在该实施例中压电层（压电传感器件）和压力敏感型导电微结构（压阻式传感器件）分别使用各自的电极。

如附图2中的c和附图3中的c所示为无源传感部分为压电传感器件时，如附图4中的c和附图5中的c所示无源传感部分为摩擦电传感器件时，又一种实施方式为，可变电阻构件包括压力敏感型导电微结构、并排放置的第三和第四电极以及基底部分，所述压力敏感型导电微结构设置在第三电极和第四电极上方，所述直流电源一端与第三电极连接，电源另一端与固定电阻和第一电极电性连接，固定电阻另一端与第二电机和第四电极电性连接；

电压信号测量装置的一端与第二电极电性连接，另一端与第一电极连接；在该实施例中压电层（压电传感器件）和压力敏感型导电微结构（压阻式传感器件）共用第二电极（图中的电极2）。

如附图2中的d和附图3中的d所示为无源传感部分为压电传感器件时，如附图4中的d和附图5中的d所示无源传感部分为摩擦电传感器件时，再一种实施方式为，可变电阻构件包括第三电极、第四电极、压力敏感型导电微结构、绝缘层和基底，所述压力敏感型导电微结构设置在第三电极和第四电极上方，绝缘层设置在压力敏感型导电微结构与第二电极之间，第三电极和第四电极与固定电阻以及直流电源串联，所述压电传感器件或摩擦电传感器件与固定电阻部分并联，绝缘层将压力敏感型导电微结构和压电或者摩擦电器件隔离开来；

电压信号测量装置的一端与第二电极电性连接，另一端与直流电源电性连接；在该实施例中压电层（压电传感器件）和压力敏感型导电微结构（压阻式传感器件）分别使用各自的电极。

进一步地，压力敏感型导电微结构被夹在两个电极之间（如附图2中的a和附图2中的b）或者同时置于两个电极上方（如附图2中的c和附图2中的d），当受到外界施加的压力的后，导电微结构与电极之间的接触面积会显著增大，两个电极之间测得的接触电阻减小，即附图1中的a中的可变电阻值减小，基于附图1中的a中串联分压原理，与可变电阻串联的固定电阻两端的电压或者电位差相应增加，因此最终可以实现通过外界力学刺激调节固定电阻两端电压或者电位差的目的，即有源式传感原理。该种有源式传感原理对静态刺激或低频动态刺激有较好的响应行为，在受到刺激后会产生附图1中的b中的持续信号或渐变信号输出，非常适合静态或低频动态力学刺激的检测。

附图2中的a和附图2中的c以及附图2中的b和附图2中的d在结构上的差异体现在压力敏感型导电微结构及其两个电极的空间排布方式不同。其中，附图2中的a和附图2中的b的构型为三明治结构放置方式，由于电极和导电微结构之间能产生相对滑动，该结构稳定性不理想，不易进行传感器的完整组装，但通常这种构型的传感器具有更高的灵敏度，而工作范围较小。附图2中的c和附图2中的d的构型为并排式电极结构，整体上结构更为紧凑，具有更大的稳定性，传感性能相比前者而言，灵敏度较低，但具有更宽的工作范围。

本发明通过上述有源式传感（即压阻式传感并结合串联分压原理）与无源式传感（压电传感或摩擦电传感）的巧妙融合和无缝杂化，可将上述两类传感原理及其响应信号合二为一，实现了仅仅基于一种信号（如电压、电位差或电流等）即可对不同外界力学刺激（包括静态、低频动态、高频动态或瞬态刺激）的实时监测。具体杂化机制和传感原理描述如下：如图2和图4所示，当没有外力作用于杂化传感器件时，有源式传感部分可变电阻的阻值非常大（由于导电微结构与两个电极接触很小），固定电阻两端分得的电压或者电位差则非常小；另一方面与固定电阻并联的压电或摩擦电器件未受到刺激而无信号输出，所以此时整个器件的信号输出为零。当在杂化传感器件上施加一个力学刺激时，有源式传感部分和无源式传感部分同时被激活，对于有源式传感部分而言，压力敏感导电微结构发生形变而与两侧电极的接触面积迅速增加，因此两个电极之间测得的接触电阻迅速减小，基于串联分压原理，此时在固定电阻两端测得的电压或者电位差信号相应增加；与此同时，与固定电阻并联的压电或摩擦电器件由于受到刺激也开始输出信号，压电或摩擦电器件信号与固定电阻两端的信号进行杂化之后，得到最终的杂化传感信号（如附图1中的b所示）。基于上述杂化传感原理，在施加一次外力到杂化传感器件的过程中，如附图1中的b所示，产生的杂化信号可分为三个阶段：外界施加和释放瞬间产生的两个瞬态信号（即两个尖峰信号，极性相反）以及外力持续过程中产生的平台信号。两个尖峰信号由无源式压电或摩擦电传感机理产生而平台信号由有源传感机理产生。通过上述两个尖峰信号的强度与变化速率即可解析力学刺激的大小及其施加和释放速度；通过上述平台信号可以解析力学刺激的大小和持续时间；另外，通过上述特征信号的出现频率，也可以解析外界力学刺激的施加频率与次数，最终实现基于单模态信号输出即可解析复杂力学刺激的多种参数（包括大小、持续时间、频率、施加速率和释放速率等）。

进一步地，本发明可以根据外界力学刺激特性而自发调整，具有独特的自适应特性：如只施加静态刺激在杂化器件上时，只有有源式传感机理工作而压电或摩擦电传感机理不工作；当施加一个低频或者中等频率外界刺激时，无源式压电或摩擦电传感机理和有源式传感机理同时工作；当施加一个频率非常高的刺激在杂化器件上时，压电或摩擦电传感机理占主导地位而有源式传感机理占次要地位。对于上述无源/有源力学杂化传感原理而言，除了可以测量其电压和电位差信号外，如图6所示，还可以通过测量电路中的电流信号，也可以实现类似的效果，其主要工作原理与电压信号测量类似而测量方式不同，此处不再赘述。

如图7所示，基于该种新型有源/无源杂化传感策略所构建的柔性传感器，既能检测静态的力学刺激（如附图7中的b，当施加一个静态力的时候，杂化传感器具有持续和稳定的信号输出），也能检测缓慢变化的力学刺激（如附图7中的a，当施加一个不断变化的力的时候，杂化传感器信号也发生相应的相同规律变化），还能用于动态以及瞬态力学刺激的监测（如附图7中的c，当施加一个瞬态力的时候或者高频变化的力的时候，杂化传感器具有快速、瞬态的尖峰信号输出）；值得指出的是，上述不同类型的传感器信号输出都是杂化传感器根据外力的特点自发调节其传感机理产生的，整个过程没有任何人为干预，体现出理想的自适应传感特性。另外，基于该种新型有源/无源杂化传感策略所构建的柔性传感器，还可以监测外界施加力的相对强度（如附图7中的a和附图7中的c，当施加强度不同的力的时候，杂化传感器信号也不尽相同），也可以监测外界施加力的频率（计算典型信号输出的周期即可得到）以及施加和释放速率（反映在施加和释放力瞬间尖峰信号的大小，一般越快的外力施加和释放产生更高的尖峰信号输出）。基于上述技术效果，证明利用所提出的新型有源/无源杂化传感器件，仅仅基于一种电学信号输出即可同时监测静态、低频动态与高频动态刺激，实现了复杂力学刺激的便捷化、高效化监测与解析。

本发明可用于监测和分析各种人类生理活动和运动，能实现对多种人体生理参数（如脉搏、呼吸、心率、咳嗽、吞咽、足底压力分布）、运动状态（如行走、跑步、跳跃等）以及复杂动作（如手抓取物体等）的连续性监测，因而将在柔性智能可穿戴、人体健康指标监测等领域具有良好的应用前景表现出广阔的应用前景。此外，该传感器的多功能性也可以在不同的日常生产和生活场景中用来解决复杂的外界力学刺激，具有良好应用前景和价值。本发明提出了一种全新的单模态、自适应和多功能杂化传感策略及器件制备方法，有利于提高未来的电子设备和智能系统的功能性和能源效率，为未来新的智能电子设备和系统的研发提供了新原理和新技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种单模态、自适应和多功能柔性力学杂化传感器，其特征在于：它包括有源式传感部分和无源式传感部分，所述有源式传感部分包括可变电阻构件、固定电阻和直流电源，所述无源式传感部分包括压电传感器件或者摩擦电传感器件，压电传感器件或者摩擦电传感器件设置在第一电极和第二电极之间；

所述可变电阻构件、固定电阻和直流电源三者串联，构成闭环回路，所述压电传感器件或摩擦电传感器件与固定电阻部分并联，最终通过测量固定电阻两端，或测量压电或摩擦电传感器件两端的杂化电位差或者电压信号，或通过测量流经固定电阻和可变电阻构件的杂化电流信号，对有源式传感信号和无源式传感信号进行无缝杂化，形成杂化复合信号，最终实现基于单一的杂化电学信号，通过杂化传感原理的自适应调节机制，对复杂力学刺激的多种不同参数进行检测和监测；

通过电压信号测量装置测量固定电阻两端，或测量压电或摩擦电传感器件两端的杂化电位差或者电压信号包括：

所述电压信号测量装置与所述固定电阻以及压电或者摩擦电器件并联，所述固定电阻与可变电阻构件串联，当可变电阻构件受到外界力学刺激后其阻值迅速减小，使得固定电阻两端的电压迅速增加，形成电压差信号变化而被电压信号测量装置测量到；当压电层或者摩擦电层受到外界力学刺激时，基于压电效应或者摩擦电效应，输出尖峰状瞬态电压差信号被电压信号测量装置测量到；固定电阻两端的电压差信号与压电层或者摩擦电层输出的尖峰状瞬态电压差信号被无缝杂化，最终形成携带多重信息的杂化复合电压差信号；

或者通过电流信号测量装置测量流经固定电阻和可变电阻构件的杂化电流信号包括：

电流信号测量装置与固定电阻和可变电阻构件串联，当可变电阻构件受到外界力学刺激后其阻值迅速减小，使得固定电阻两端的电流迅速增加，形成的电流信号变化被电流信号测量装置测量到；当压电层或者摩擦电层受到外界力学刺激时，基于压电效应或者摩擦电效应，输出尖峰状瞬态电流信号被电流信号测量装置测量到；固定电阻两端的电流信号与压电层或者摩擦电层输出的尖峰状瞬态电流信号被无缝杂化，最终形成携带多重信息的杂化复合电流信号。

2.根据权利要求1所述的一种单模态、自适应和多功能柔性力学杂化传感器，其特征在于：所述可变电阻构件包括压力敏感型导电微结构、第二电极和第三电极，所述压力敏感型导电微结构设置在第二电极和第三电极之间，所述第三电极与直流电源一端连接，直流电源另一端与固定电阻和第一电极连接，固定电阻另一端与第二电极连接；

所述电压信号测量装置与固定电阻并联，同时与压电或摩擦电器件并联；或者所述电流信号测量装置与可变电阻构件和固定电阻串联。

3.根据权利要求1所述的一种单模态、自适应和多功能柔性力学杂化传感器，其特征在于：所述可变电阻构件包括第三电极、压力敏感型导电微结构和第四电极，所述压力敏感型导电微结构设置在第三电极和第四电极之间，且第三电极设置在第二电极下方且与第二电极电性连接，所述第四电极与直流电源一端连接，直流电源另一端与固定电阻和第一电极电性连接，固定电阻另一端与第二电极电性连接；

所述电压信号测量装置电性连接在所述第一电极和第二电极之间，且与固定电阻并联；或者所述电流信号测量装置与所述可变电阻构件和固定电阻串联。

4.根据权利要求1所述的一种单模态、自适应和多功能柔性力学杂化传感器，其特征在于：所述可变电阻构件包括压力敏感型导电微结构、并排放置的第三电极、第四电极以及基底部分，所述压力敏感型导电微结构设置在第三电极和第四电极上方，所述第三电极和第四电极与固定电阻以及直流电源串联，所述压电传感器件或摩擦电传感器件与固定电阻部分并联；

所述电压信号测量装置的一端与第二电极和第四电极电性连接，另一端与直流电源以及第一电极电性连接；或者所述电流信号测量装置与所述可变电阻构件和固定电阻串联。

5.根据权利要求1所述的一种单模态、自适应和多功能柔性力学杂化传感器，其特征在于：所述可变电阻构件包括第三电极、第四电极、压力敏感型导电微结构、绝缘层和基底，所述压力敏感型导电微结构设置在第三电极和第四电极上方，绝缘层设置在压力敏感型导电微结构与第二电极之间，第三电极和第四电极与固定电阻以及直流电源串联，所述压电传感器件或摩擦电传感器件与固定电阻部分并联，绝缘层将压力敏感型导电微结构和压电或者摩擦电器件隔离开来；

所述电压信号测量装置的一端与第二电极和第四电极电性连接，另一端与直流电源和第一电极电性连接；或者所述电流信号测量装置与所述可变电阻构件和固定电阻串联。

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