[發明專利]一種基于壓力傳感器的電子皮膚系統

在審

• 申請號: 202011078363.9
• 申請日: 2020-10-10
• 公開（公告）號: CN112229545A
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發明（設計）人: 李璐;李穎;閆興武;石一非;柏棟予
• 申請（專利權）人: 重慶文理學院
• 主分類號: G01L1/16
• 分類號: G01L1/16
• 代理公司: 上海碩力知識產權代理事務所(普通合伙) 31251
• 代理人: 郭桂峰

本發明提供了一種基于壓力傳感器的電子皮膚系統，其包括覆蓋有柔性壓電觸覺傳感器陣列的皮膚載體、邏輯控制單元和信號處理單元。其中，柔性壓力觸覺傳感器陣列包括構造在一適于柔性應用的硅片上的讀出電路層、和構造在讀出電路層上的壓電傳感陣列層，讀出電路層包括若干個讀出電路單元，壓電傳感陣列層包括若干個壓電敏感單元，并令一個壓電敏感單元對應連接一個讀出電路單元而在硅片上形成陣列化分布；邏輯控制單元控制陣列中各讀出電路單元的開閉狀態；信號處理單元對被開啟讀出電路單元響應被激活壓電敏感單元所生成的電信號進行處理計算得到物體接觸面的物理信息，該電子皮膚具有高靈敏度、高密度、高柔韌性、高采樣頻率和運行速度的優點。

技術領域

本發明涉及電子皮膚技術領域，具體涉及一種基于壓力傳感器的電子皮膚系統。

背景技術

電子皮膚作為下一代機器人與醫療設備的關鍵部件，其開發與應用已經成為當今學術研究和產業應用熱點之一，電子皮膚的目的在于賦予機械和電子系統等載體感知周圍環境的能力，重要的實現方式是在載體表面覆蓋一系列的觸覺傳感器，如壓力傳感器、溫度傳感器等。觸覺傳感器在機器人和醫療設備領域有著廣泛的應用，其兩大主要功能：檢測與識別。檢測功能包括對操作對象的狀態、機械手與操作對象的接觸狀態、操作對象的物理性質進行檢測。識別功能是在檢測的基礎上提取操作對象的形狀、大小、剛度等特征，以進行分類和目標識別。電子皮膚是載體實現與外部環境直接作用的必須媒介，是感知環境信息的重要方式。如接觸力、紋理等信息，實現對物體的準確抓取、識別等動作。

目前，應用于電子皮膚上的壓電觸覺傳感器陣列大多采用便于與接觸面更服帖的柔性傳感器，但這類傳感器基于對柔性的需求基本采用有機薄膜晶體管作為壓電傳感單元的讀出電路接入后端系統解鎖出復雜的信息，然而有機材料的載流子遷移率較低，從而帶來較低的采樣頻率，無法滿足高頻觸覺信號的檢測，因此靈敏度差。另外，柔性傳感器內部大多通過引線連接的方式實現壓電傳感單元與讀出電路之間的集成連接，二者處于相互分離的狀態，使得不僅引線數目多，噪聲和串擾較大，而且傳感單元密度低，限制了傳感器陣列的空間分辨率，從而使得在電子皮膚上的應用受到了局限性。

發明內容

針對現有技術所存在的上述不足，本發明提供了一種基于壓電原理的電子皮膚系統，其用于解決現有電子皮膚系統中傳感器陣列存在采樣頻率低、靈敏度差、傳感單元分布密度低的技術問題。

為實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案：

一種基于壓電原理的電子皮膚系統，包括覆蓋有柔性壓電觸覺傳感器陣列的皮膚載體、邏輯控制單元和信號處理單元，所述柔性壓電觸覺傳感器陣列包括構造在一適于柔性應用的硅片上的讀出電路層、構造在所述讀出電路層上的介質層A和構造在所述介質層A上的壓電傳感陣列層，所述讀出電路層包括若干個讀出電路單元，所述介質層A中構造有若干與各讀出電路單元連接的導電鎢塞，所述壓電傳感陣列層包括若干個相互分離的壓電敏感單元，每個所述壓電敏感單元均通過導電鎢塞與一個所述讀出電路單元連接以構成一個壓電傳感單元，這些壓電傳感單元在硅片上形成m*n陣列化分布；

所述邏輯控制單元連接所述讀出電路層，以控制陣列中各讀出電路單元的開閉狀態；

所述信號處理單元連接所述讀出電路層，以對被開啟讀出電路單元響應被激活壓電敏感單元所生成的電信號進行處理計算得到物體接觸面的物理信息。

相比于現有技術，本發明具有如下有益效果：

1)本發明所述的電子皮膚系統采用的柔性壓電觸覺傳感器陣列以柔性應用的薄硅片為硅基材料制作讀出電路，與普通有機材料相比，載流子遷移率高，使電子皮膚系統信號采集前端具有高靈敏度、高采樣頻率和運行速度。