CN111678634A - 一种多维力学信号精细可识别电子皮肤 - Google Patents

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向勇
李炳牙
虎瑛
胡潇然
张千
刘帅
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Abstract

本发明属于电子皮肤领域，涉及传感器、微电子、压电材料，具体为一种多维力学信号精细可识别电子皮肤。本发明将显示器成像的电子元件TFT应用于电子皮肤作为电容性传感器，当外界物体与上电极接触时，引起TFT电路上方电容发生改变，接触到TFT感应区的电容与未接触到感应区的电容呈现出明显的差异，通过对差异点的归一化数据进行灰度图显示，从而反映外界物体表面形貌图案，将外界持续的静态力刺激可视化；进而使得电子皮肤的拥有高分辨率，实现对外界的刺激的准静态力感知及其可视化表征。然后再通过和压电传感器的结合运用，实现了电子皮肤自驱动、响应外部持续的静态力刺激实现静态力可视化、瞬时的动态力刺激。

Description

一种多维力学信号精细可识别电子皮肤
技术领域
本发明属于电子皮肤领域，涉及传感器、微电子、压电材料，具体为一种多维力学信号精细可识别电子皮肤。
背景技术
皮肤是包在身体表面，具有调节体温和感受外界刺激等作用的一种器官。了解皮肤特性，制备具有皮肤功能的电子皮肤，是目前研究热点之一。并且，随着电子皮肤在人工智能、医疗、航天等领域应用越来越广泛，具有柔性自驱动、高灵敏度、多功能感知等性能的电子皮肤成为这类研究的核心关注点。
近年来，随着以上关注点研究的深入，电子皮肤技术得以飞速发展。但依旧存在以下问题限制了电子皮肤的发展：电子皮肤功能单一，真正的皮肤除了感应外部动态力刺激(机械和热刺激)外，还能通过持续的触摸实现静态力感知及其可视化，然而目前的电子皮肤无法同时响应外部持续的静态力刺激、静态力可视化、瞬时的动态力刺激，不能精确地仿生皮肤触觉。2015年，韩国科学家Jonghwa Park等人将电子皮肤的敏感层材料制备成和人类指尖结构一样的表皮—真皮互锁地微观结构，这种结构可以增强电子皮肤对静态和动态机械信号传感，从而首次实现了电子皮肤可以检测和区分多种时空触觉刺激，包括静态和动态压力、振动和温度感知。但是这种微观结构制备过程复杂，并且其对静态力识别精度不高。因此为了提高电子皮肤的使用便捷性、仿生精准度，制备一款自驱动且多功能集成的多维力学信号精细可识别电子皮肤十分有必要。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决目前电子皮肤无法自供电，且无法同时响应外部持续静态力刺激、瞬时动态力刺激(机械和热刺激)的技术问题。本发明提供了一种多维力学信号精细可识别电子皮肤。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种多维力学信号精细可识别电子皮肤，从下往上依次堆叠的阵列化的薄膜晶体管(Thin-film transistor,TFT)器件、PVDF-TrFE压电薄膜和上电极。
所述阵列化的薄膜晶体管TFT器件包括从下往上依次堆叠的基底(1-1)、阵列化的TFT电路(1-2)、与阵列化的TFT电路(1-2)一一对应的阵列化的电极(1-3)。阵列化的TFT电路(1-2)采用薄膜制备技术制备。
所述PVDF-TrFE压电薄膜对外界动态力变化做出响应，转化为电能，实现电子皮肤自驱动。
进一步的，所述PVDF-TrFE压电薄膜经原位极化设备进行原位极化，将其压电系数提高。
进一步的，所述上电极为银Ag电极。
从工作原理上讲，本发明的电容性电子皮肤对持续的静态刺激表现出良好的敏感性，而压电性电子皮肤不仅可以响应瞬时的动态刺激(机械和热刺激)，还可以将这些刺激转化为电能。当外界物体与上电极接触时，引起TFT电路上方电容发生改变，接触到TFT感应区的电容与未接触到感应区的电容呈现出明显的差异，利用后处理电路，对差异点的归一化数据进行灰度图显示，从而反映外界物体表面形貌图案，将外界持续的静态力刺激可视化；从而使得电子皮肤的拥有高分辨率，实现对外界的刺激的准静态力感知及其可视化表征。同时经过原位极化后的PVDF-TrFE压电薄膜具有较高的压电系数，能够对外界动态力变化做出响应，且可以将这些刺激转化为电能，实现电子皮肤自驱动。
阵列化的TFT器件，其每个像素点都设有一个半导体开关，每个像素点都可以通过点脉冲直接控制，因而每个节点都相对独立，并可以连续控制，是显示器成像的重要电子元件。但是目前还没有人利用大面积整列化的TFT作为电子皮肤基底，从而使得电子皮肤的拥有高分辨率，实现对外界的刺激的准静态力感知及其可视化表征。
综上所述，本发明将显示器成像的重要电子元件TFT应用于电子皮肤作为电容性传感器，通过和压电传感器的结合运用，实现了电子皮肤自驱动、响应外部持续的静态力刺激实现静态力可视化、瞬时的动态力刺激(机械和热刺激)。
附图说明
图1为本发明的阵列化的薄膜晶体管(TFT)器件结构的二维示意图；
图2本发明的整体结构的二维示意图；
图3为本发明静态力感应工作原理图；
图4为本发明动态力感应工作原理图；
图5为本发明实施例的静态力感应数据图；
图6位本发明实施例的动态力感应数据图；
附图标记：1-1基底；1-2阵列化的TFT电路；1-3阵列化的电极；2-1PVDF-TrFE压电薄膜；2-2上电极；3-1电子皮肤接触的外界物体；4-1外界动态力。
具体实施方式
为使本发明的上述功能、结构能够容易理解，下面将结合附图和具体实施例对本发明进行具体描述，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，对发明内容本身不做任何限定，该领域的技术人员可以根据本发明作出一些非本质的改进和调整。
本实施例多维力学信号精细可识别电子皮肤，采用以下工艺制备：
步骤1、将PVDF-TrFE与丁酮按照5.52g/20ml的比例混合，在室温下利用磁力搅拌器以500rmp的速度持续搅伴12h，待其充分溶解后，降低搅拌速度至60rmp，缓慢搅拌1h进行脱泡处理；
步骤2、然后采用刮刀涂布的方法，在阵列化的薄膜晶体管(TFT)器件上表面即1-3上表面涂布一层步骤1.1配置的PVDF-TrFE溶液，然后放入真空干燥箱中，在室温下真空干燥5分钟使丁酮快速挥发后，形成10～30μm的压电薄膜。
步骤3、将步骤1.2所得产物放入烘箱进行1h的退火，最后自然冷却至25℃；其次利用原位极化设备，对制备好的PVDF-TrFE薄膜进行原位极化，将压电薄膜的压电系数提高到D33＝25pC/N。
步骤4、最后利用磁控溅射在PVDF-TrFE压电薄膜上溅射一层银(Ag)作为上电极2-2，如图2所示。
搭建电子皮肤静态力测试平台。在制备好的电子皮肤上放置有纹路的物体刺激电子皮肤表面，如图3所示。随后调试好对应的TFT成像软件，观测电子皮肤对外界静态力识别效果。
分析电子皮肤对静态力的感知。当外部刺激为持续的静态力时，物体下表面与银(Ag)电极接触，引起TFT上方电容发生变化，接触到TFT感应区的电容与未接触到感应区的电容呈现出明显的差异，利用后处理电路，对不同点的归一化数据进行灰度图显示，从而反映物体表面形貌图形，将外界持续的静态力刺激可视化。如图5所示，本实施例可以对质量很轻的蝉翼实现清晰成像，且感应精度达到50μm。
搭建电子皮肤动态力测试平台。将电子皮肤放在伺服电机水平操作台上与电压采集卡相连接，然后调整伺服电机的探头按压电子皮肤表面，如图4所示。观测电子皮肤对外界动态力识别效果。
分析电子皮肤对动态力的感知。分析电压采集卡的电压数据可知本发明可以瞬间对外部刺激做出响应，且由于其以大面积阵列化的TFT为基底，按压不同的地方时将会同步输出电压信号，如图6所示，且其输出的峰值电压可以达到1.3mV，实现电子皮肤的空间感知功能。
通过以上实施例可见，本发明将显示器成像的电子元件TFT应用于电子皮肤作为电容性传感器，再通过和压电传感器的结合运用，实现了电子皮肤自驱动、响应外部持续的静态力刺激实现静态力可视化、瞬时的动态力刺激。

Claims (4)

1.一种多维力学信号精细可识别电子皮肤，其特征在于：从下往上依次堆叠的阵列化的薄膜晶体管TFT器件、PVDF-TrFE压电薄膜和上电极；
所述阵列化的薄膜晶体管TFT器件包括从下往上依次堆叠的基底(1-1)、阵列化的TFT电路(1-2)、与阵列化的TFT电路(1-2)一一对应的阵列化的电极(1-3)。
所述PVDF-TrFE压电薄膜对外界动态力变化做出响应，转化为电能，实现电子皮肤自驱动。
2.如权利要求1所述多维力学信号精细可识别电子皮肤，其特征在于：所述PVDF-TrFE压电薄膜经原位极化设备进行原位极化，将其压电系数提高。
3.如权利要求1所述多维力学信号精细可识别电子皮肤，其特征在于：所述上电极为银Ag电极。
4.如权利要求1所述多维力学信号精细可识别电子皮肤，其特征在于：
当外界物体与上电极接触时，引起TFT电路上方电容发生改变，接触到TFT感应区的电容与未接触到感应区的电容呈现出明显的差异，利用后处理电路，对不同点的归一化数据进行灰度图显示，从而反映外界物体表面形貌图案，将外界持续的静态力刺激可视化；从而使得电子皮肤的拥有高分辨率，实现对外界的刺激的准静态力感知及其可视化表征；同时PVDF-TrFE压电薄膜能够对外界动态力变化做出响应，且可以将这些刺激转化为电能，实现电子皮肤自驱动。
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