CN111337152B - 电子皮肤和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子皮肤和电子设备，电子皮肤包括：第一基板，其包括第一电极、第二电极和置于第一、二电极之间的温度感应材料层；第二基板，第二基板包括第三电极、第四电极和置于第三、四电极之间的压电材料层；压电传感器层，其置于第一基板与第二基板之间，包括神经元晶体阵列，神经元晶体阵列的输出、输入端分别与第二电极、第三电极连接；第二电极～第四电极、压电传感器层和压电材料层组成第一检测单元；第一电极～第四电极、温度感应材料层、压电传感器层和压电材料层组成第二检测单元。该电子皮肤，通过第一检测单元和第二检测单元，可感受到作用于电子皮肤的测试物体的温度和作用力，且能更真实的模拟人类皮肤感受效果。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种电子皮肤和一种电子设备。
背景技术
在人类与外界环境接触过程中，感官感受起着很重要的作用，而且相比于模仿人类的视觉和听觉，触觉更加难以模仿。随着机器人和电子医疗技术的高速发展，电子皮肤受到广泛的关注。目前，电子皮肤大都直接采用传感器等电路结构采集信号，通过不同且独立的传感器结构感知不同的外界刺激，且感知效果与真实的皮肤感受效果有较大差距。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种电子皮肤，以实现更真实的模拟人类皮肤感知外界压力和温度的感受效果。
本发明的第二个目的在于提出一种电子设备。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种电子皮肤，其包括：第一基板，所述第一基板包括第一电极、第二电极和温度感应材料层，所述第一电极和所述第二电极相对设置，所述温度感应材料层置于所述第一电极和所述第二电极之间；第二基板，所述第二基板包括第三电极、第四电极和压电材料层，所述第三电极和所述第四电极相对设置，所述压电材料层置于所述第三电极和所述第四电极之间；压电传感器层，所述压电传感器层置于所述第一基板与所述第二基板之间，所述压电传感器层包括神经元晶体阵列，所述神经元晶体阵列的输出端与所述第二电极连接，所述神经元晶体阵列的输入端与所述第三电极连接；其中，所述第二电极、所述压电传感器层、所述第三电极、所述压电材料层和所述第四电极组成第一检测单元，用以检测作用于所述电子皮肤的测试物体的作用力；所述第一电极、所述温度感应材料层、所述第二电极、所述压电传感器层、所述第三电极、所述压电材料层和所述第四电极组成第二检测单元，用以结合所述第一检测单元检测所述测试物体的温度。
本发明实施例的电子皮肤，将第二电极、包含神经元晶体阵列的压电传感器层、第三电极、压电材料层和第四电极组成第一检测单元，并将第一电极、温度感应材料层、第二电极、包含神经元晶体阵列的压电传感器层、第三电极、压电材料层和第四电极组成第二检测单元，通过第一检测单元和第二检测单元可感受到作用于电子皮肤的测试物体的温度和作用力，且能更真实的模拟人类皮肤感受效果。
另外，根据本发明上述实施例的电子皮肤还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述第一检测单元通过所述第二电极输出第一检测信号，所述第二检测单元通过所述第一电极输出第二检测信号，所述电子皮肤还包括：处理模块，所述处理模块分别与所述第一电极和所述第二电极连接，所述处理模块用于根据根据所述第一检测信号确定所述测试物体的作用力，以及所述第一检测信号和所述第二检测信号确定所述测试物体的温度。
根据本发明的一个实施例，所述处理模块还用于根据所述第二检测信号或者所述第一检测信号，确定所述测试物体在所述电子皮肤上的作用位置。
根据本发明的一个实施例，所述神经元晶体阵列包括多个按照预设电路规则排布的二极管。
根据本发明的一个实施例，所述第二电极包括多个子电极，所述神经元晶体阵列包括：多个级联单元，每个级联单元均包括至少一个二极管，下级级联单元中的二极管数量大于上级级联单元中的二极管数量，上级级联单元中的每个二极管的输入端均分别与下级级联单元中的多个二极管的输出端连接，最下级级联单元中的所有二极管的输入端均与所述第三电极连接，所有级联单元中的二极管的输出端中的多个与所述多个子电极一一对应连接。
根据本发明的一个实施例，所述神经元晶体阵列包括3个级联单元，分别记为第一级联单元、第二级联单元和第三级联单元，所述第一级联单元包括第一数量的二极管，所述第二级联单元包括第二数量的二极管，所述第三级联单元包括第三数量的二极管，其中，所述第一数量小于第二数量，所述第二数量小于所述第三数量。
根据本发明的一个实施例，所述第一基板置于靠近测试物体的一侧，所述第二基板置于远离所述测试物体的一侧，其中，所述第一电极置于靠近所述测试物体的一侧，所述第二电极置于远离所述测试物体的一侧；或者，所述第一电极置于远离所述测试物体的一侧，所述第二电极置于靠近所述测试物体的一侧。
根据本发明的一个实施例，所述第三电极置于靠近所述第一基板的一侧，所述第四电极置于远离所述第一基板的一侧；或者，所述第三电极置于远离所述第一基板的一侧，所述第四电极置于靠近所述第一基板的一侧。
根据本发明的一个实施例，所述温度感应材料层和所述压电材料层均包括软性导电聚合物，所述软性导电聚合物获得方式为：将直径为30～50μm的金属丝与半透明状的聚合物纤维编织于以光学透明聚合物填充的网状物中，并涂覆有机导体薄层。
为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种电子设备，其包括上述实施例的电子皮肤。
本发明实施例的电子设备，采用上述实施例的电子皮肤，可实现更真实的模拟人类皮肤感知外界压力和温度的感受效果。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明实施例的电子皮肤的结构示意图；
图2是本发明一个示例的神经元晶体阵列的结构示意图；
图3是本发明一个示例的电子皮肤中控制器的连接示意图；
图4是本发明一个具体示例的神经元晶体阵列的结构示意图；
图5是本发明实施例的电子设备的结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述本发明实施例的电子皮肤和电子设备。
图1是本发明实施例的电子皮肤的结构示意图。
如图1所示，电子皮肤100包括：第一基板10、第二基板20和压电传感器层30。
参见图1，第一基板10包括第一电极11、第二电极12和温度感应材料层13，所述第一电极11和所述第二电极12相对设置，所述温度感应材料层13置于所述第一电极11和所述第二电极12之间；第二基板20包括第三电极21、第四电极22和压电材料层23，所述第三电极21和所述第四电极22相对设置，所述压电材料层23置于所述第三电极21和所述第四电极22之间；所述压电传感器层30置于所述第一基板10与所述第二基板20之间，所述压电传感器层30包括神经元晶体阵列，所述神经元晶体阵列的输出端与所述第二电极12连接，所述神经元晶体阵列的输入端与所述第三电极21连接。
其中，神经元晶体阵列可包括多个级联的神经元单元，每级的神经元单元均可包括多个神经元，如图2所示，每个神经元31包括轴突311和胞体312，每个神经元的轴突311都和其他神经元的胞体312连接，且上级神经元单元中神经元31的数量少于下级神经元单元中神经元31的数量。该神经元晶体阵列为相互接触状态排列，每个神经元31具有一定阻抗特性。
在该实施例中，所述第二电极12、所述压电传感器层30、所述第三电极21、所述压电材料层23和所述第四电极22组成第一检测单元，用以检测作用于所述电子皮肤的测试物体的作用力；所述第一电极11、所述温度感应材料层13、所述第二电极12、所述压电传感器层30、所述第三电极21、所述压电材料层23和所述第四电极22组成第二检测单元，用以结合所述第一检测单元检测所述测试物体的温度。
具体地，温度感应材料层13中温度感应材料具有热释电效应，该热释电效应是指晶体的极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象；压电材料层23中的压电材料具有压电效应，该压电效应是指如果对压电材料施加压力，压电材料便会产生电位差的现象。如图1、图2所示，电子皮肤100工作时，向第四电极22加载电压信号。当外界向电子皮肤100施加压力时，压电材料层23中的压电材料发生压力转化为电信号的变化，电信号会传至第三电极21，第三电极21通过压电传感器层30将电信号传至第二电极12。由于压电传感器层30中的神经元晶体阵列采用级联的神经元结构，上级神经元单元与下级神经元单元相连接时，会相互交叉，最下级神经元单元中的神经元31数量最多，其输入端(信号接收端)与第三电极21连接，最下级神经元单元中的神经元31可分布在整个第二基板20表面，最下级神经元单元中的各个神经元31进行信号接收，并向上级神经元单元传递。一方面，接收的信号最终集中到最上级神经元单元，从而使最上级神经元单元的信号产生轻微差异，该轻微差异通过第二电极12输出的检测信号体现，进而根据该检测信号即可准确判定测试物体在电子皮肤上的触控位置，该方式需分析的信号量少，分析复杂度低；另一方面，可将各级神经元单元中的神经元31传递的信号中的多个通过第二电极12输出的检测信号体现，进而根据该检测信号即可准确判定测试物体在电子皮肤上的触控位置，该方式能够实现多层次感应，能更加真实的模拟人类皮肤感受效果。
需要说明的是，由于第三电极21输出的也是纯压力检测信号，因此仅根据第三电极21反馈的信号，也可确定施加在电子皮肤上的外界作用力的大小。
进一步地，第二电极12接收到的电信号可经温度敏感材料层13传至第一电极11，此时第一电极11输出的信号包含压力检测信号和温度检测信号，通过将第一电极11输出的信号与第二电极12输出的信号作差，即可得到纯温度检测信号，根据该纯温度检测信号即可确定测试物体的温度。
由此，本发明实施例的电子皮肤，不仅可检测到测试物体的温度和作用力的大小，还可检测得到作用力的位置，能更真实的模拟人类皮肤感受效果。
在本发明的一个实施例中，所述第一检测单元通过所述第二电极12输出第一检测信号，所述第二检测单元通过所述第一电极11输出第二检测信号。其中，所述电子皮肤100还包括处理模块，所述处理模块分别与所述第一电极11和所述第二电极12连接，所述处理模块用于根据所述第一检测信号确定所述测试物体的作用力，以及根据所述第一检测信号和所述第二检测信号确定所述测试物体的温度。
在本发明的一个实施例中，所述神经元晶体阵列包括多个按照预设电路规则排布的二极管。
具体地，所述第二电极12可包括多个子电极，其中，每个子电极之间互不连接。所述神经元晶体阵列包括：多个级联单元，每个级联单元均包括至少一个二极管，下级级联单元中的二极管数量大于上级级联单元中的二极管数量，上级级联单元中的每个二极管的输入端均分别与下级级联单元中的多个二极管的输出端连接，最下级级联单元中的所有二极管的输入端均与所述第三电极21连接，所有级联单元中的二极管的输出端中的多个与所述多个子电极一一对应连接。
作为一个示例，可将多个子电极分为4部分，处理模块可包括多个控制器(如图3所示的在两个方向设置的四个控制器P1、P2、P3和P4)，P1、P2、P3和P4分别对应连接一部分子电极，由此，方便布线连接。所有子电极的输出信号组成上述的第一检测信号。相应地，第一电极11也可以包括多个子电极，第一电极11中的子电极与第二电极12中的子电极一一对应设置，第一电极11中的每个子电极也均与相应的控制器连接，第一电极11中的所有子电极的输出信号组成上述的第二检测信号。
在该实施例中，级联单元可相当于上述的神经元单元，二极管可相当于上述神经元31中的胞体311，两二极管之间的连接线可相当于上述神经元31中的轴突312。
作为一个示例，如图4所示，所述神经元晶体阵列包括3个级联单元，分别记为第一级联单元32、第二级联单元33和第三级联单元34，所述第一级联单元32包括第一数量的二极管，所述第二级联单元33包括第二数量的二极管，所述第三级联单元34包括第三数量的二极管，其中，所述第一数量小于第二数量，所述第二数量小于所述第三数量。需要说明的是，图4中二极管的连接方式是以压电材料通过第三电极21输出负电压信号为前提的；如果压电材料通过第三电极21输出正电压信号，则将图4中二极管的阴极、阳极位置对调即可。
具体地，由于神经元晶体阵列采用多层级联分布，电流从第一级联单元32到第三级联单元34逐渐降低，不同级联单元的电流大小不同，通过分别采集第一级联单元32、第二级联单元33和第三级联单元34中每个二极管的电流信号，可以实现三维的电流大小分布，从而根据电流大小，可实现外界作用力的检测，并可更真实的模拟多层次皮肤触摸效果。其中，由于第一级联单元32、第二级联单元33和第三级联单元34之间是金字塔结构，电流自下向上依次增大，因而不同深度二极管电流大小不同，从而形成不同大小的感应力度，每一层的感应都不同，从而实现多层次的感应。
同时，由于二极管对温度较敏感，因此温度不同时，经过二极管的电流大小不同，当外界施加压力的测试物体与电子皮肤具有一定程度的温度差异时，温度感应材料层13中的温度感应材料感受到与测试物体的温度差异，以及温度流失或上升的速度，并输出相应的电信号至第一电极11，第一电极11将电信号反馈给控制器P1、P2、P3和P4，控制器P1、P2、P3和P4通过判断与常温的电流差别，从而判断出接触介质的温度。该检测方式是一种仿生物的检测方式，压电传感器层具有神经元结构，每个神经元都是一个节点，当感受到温度时，触摸点附近区域的支路电流会相对较大，通过各控制器比较多个支路的电流，可以判断出哪一个支路的电流相对较大，进而通过第一方向和第二方向的十字交叉定点查询，可定位到准确的温度介质触点。
可选地，根据检测出的测试物体的温度，还可判断测试物体的材料。
为方便理解上述原理，以人类皮肤为例，皮肤感受到的测试物体的温度会比测试物体实际温度要高一些或低一些，原因是：第一，人类是温血动物，感受到的并非物体本身的温度，而是物体温度与我们自身温度之间存在的差值；第二，也能感受到物体“吸收”人体热量的速度。例如，在相同温度下，会感觉到金属比羊毛制品冷，是因为金属“吸收”人体热量的速度比羊毛制品更快。
可选地，在检测温度时，也可设置两个电极，记为第五电极和第六电极，第五电极和第六电极之间连接热电偶，第五电极置于靠近测试物体的一侧，第六电极置于远离测试物体的一侧，其中热电偶的热端可与第五电极连接，自由端(冷端)可与第六电极连接，通过第六电极的输出信号可得到测试物体的温度。需要说明的是，该第五电极、第六电极、热电偶与上述的第一检测单元、第二检测单元绝缘设置。
在本发明的一个实施例中，所述第一基板10置于靠近测试物体的一侧，所述第二基板20置于远离所述测试物体的一侧。由此，测试物体靠近温度感应材料层，能够使得检测的温度更加准确。
其中，所述第一电极11可置于靠近所述测试物体的一侧，所述第二电极12置于远离所述测试物体的一侧；或者，所述第一电极11也可置于远离所述测试物体的一侧，所述第二电极12置于靠近所述测试物体的一侧。所述第三电极21可置于靠近所述第一基板10的一侧，所述第四电极22置于远离所述第一基板10的一侧；或者，所述第三电极21也可置于远离所述第一基板10的一侧，所述第四电极22置于靠近所述第一基板10的一侧。
作为一个示例，所述第一电极11置于靠近所述测试物体的一侧，所述第二电极12置于远离所述测试物体的一侧；所述第三电极21置于靠近所述第一基板10的一侧，所述第四电极22置于远离所述第一基板10的一侧。由此，方便压电传感器层30中神经元晶体阵列与第二电极12、第三电极21的布线连接，能够优化电子皮肤结构。
在本发明的一个实施例中，所述温度感应材料层13和所述压电材料层23均包括软性导电聚合物，所述软性导电聚合物获得方式为：将直径为30～50μm的金属丝与半透明状的聚合物纤维编织于以光学透明聚合物填充的网状物中，并涂覆有机导体薄层。
具体地，可先将直径为30～50μm如40μm的金属丝与半透明的聚合物纤维编织于以光学透明聚合物填充的精密网状物中，然后再以经溶液处理的有机导体(如PEDOT：PSS(聚(3，4-乙烯二氧噻吩))薄层涂覆于该基底上，从而取得了不含ITO(氧化铟锡)的软性导电聚合物。该软性导电聚合物可用于设置大面积的二极管，且这种织物基底的金属丝由于具有高导电率，能够确保电极在较长距离外仍展现高导电性。
综上所述，本发明实施例的电子皮肤，通过多层次的电流大小反馈，可以很好的感受外界压力大小以及外界接触介质的温度和接触位置，并可根据温度判断出测试物体的材料，实现更真实的模拟人类皮肤的触觉效果。
图5是本发明实施例的电子设备的结构框图。
如图5所述，电子设备1000包括上述实施例的电子皮肤100。
其中，电子设备1000可以是机器人，也可以是可穿戴设备(如智能手环、智能眼镜等)。
本发明实施例的电子设备，采用上述实施例的电子皮肤，通过多层次的电流大小反馈，可以很好的感受外界压力大小以及外界接触介质的温度和接触位置，实现更真实的模拟人类皮肤的触觉效果。
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”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种电子皮肤，其特征在于，所述电子皮肤包括：
第一基板，所述第一基板包括第一电极、第二电极和温度感应材料层，所述第一电极和所述第二电极相对设置，所述温度感应材料层置于所述第一电极和所述第二电极之间；
第二基板，所述第二基板包括第三电极、第四电极和压电材料层，所述第三电极和所述第四电极相对设置，所述压电材料层置于所述第三电极和所述第四电极之间；
压电传感器层，所述压电传感器层置于所述第一基板与所述第二基板之间，所述压电传感器层包括神经元晶体阵列，所述神经元晶体阵列的输出端与所述第二电极连接，所述神经元晶体阵列的输入端与所述第三电极连接；
其中，所述第二电极、所述压电传感器层、所述第三电极、所述压电材料层和所述第四电极组成第一检测单元，用以检测作用于所述电子皮肤的测试物体的作用力；
所述第一电极、所述温度感应材料层、所述第二电极、所述压电传感器层、所述第三电极、所述压电材料层和所述第四电极组成第二检测单元，用以结合所述第一检测单元检测所述测试物体的温度。
2.根据权利要求1所述的电子皮肤，其特征在于，所述第一检测单元通过所述第二电极输出第一检测信号，所述第二检测单元通过所述第一电极输出第二检测信号，所述电子皮肤还包括：
处理模块，所述处理模块分别与所述第一电极和所述第二电极连接，所述处理模块用于根据所述第一检测信号确定所述测试物体的作用力，以及所述第一检测信号和所述第二检测信号确定所述测试物体的温度。
3.根据权利要求2所述的电子皮肤，其特征在于，所述处理模块还用于根据所述第二检测信号或者所述第一检测信号，确定所述测试物体在所述电子皮肤上的作用位置。
4.根据权利要求1所述的电子皮肤，其特征在于，所述神经元晶体阵列包括多个按照预设电路规则排布的二极管。
5.根据权利要求4所述的电子皮肤，其特征在于，所述第二电极包括多个子电极，所述神经元晶体阵列包括：
多个级联单元，每个级联单元均包括至少一个二极管，下级级联单元中的二极管数量大于上级级联单元中的二极管数量，上级级联单元中的每个二极管的输入端均分别与下级级联单元中的多个二极管的输出端连接，最下级级联单元中的所有二极管的输入端均与所述第三电极连接，所有级联单元中的二极管的输出端中的多个与所述多个子电极一一对应连接。
6.根据权利要求5所述的电子皮肤，其特征在于，所述神经元晶体阵列包括3个级联单元，分别记为第一级联单元、第二级联单元和第三级联单元，所述第一级联单元包括第一数量的二极管，所述第二级联单元包括第二数量的二极管，所述第三级联单元包括第三数量的二极管，其中，所述第一数量小于第二数量，所述第二数量小于所述第三数量。
7.根据权利要求1所述的电子皮肤，其特征在于，所述第一基板置于靠近测试物体的一侧，所述第二基板置于远离所述测试物体的一侧，其中，
所述第一电极置于靠近所述测试物体的一侧，所述第二电极置于远离所述测试物体的一侧；或者，
所述第一电极置于远离所述测试物体的一侧，所述第二电极置于靠近所述测试物体的一侧。
8.根据权利要求7所述的电子皮肤，其特征在于，
所述第三电极置于靠近所述第一基板的一侧，所述第四电极置于远离所述第一基板的一侧；或者，
所述第三电极置于远离所述第一基板的一侧，所述第四电极置于靠近所述第一基板的一侧。
9.根据权利要求1所述的电子皮肤，其特征在于，所述温度感应材料层和所述压电材料层均包括软性导电聚合物，所述软性导电聚合物获得方式为：
将直径为30～50μm的金属丝与半透明状的聚合物纤维编织于以光学透明聚合物填充的网状物中，并涂覆有机导体薄层。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括根据权利要求1-9中任一项所述的电子皮肤。
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