[发明专利]一种基于压力传感器的电子皮肤系统

说明书

本发明提供了一种基于压力传感器的电子皮肤系统，其包括覆盖有柔性压电触觉传感器阵列的皮肤载体、逻辑控制单元和信号处理单元。其中，柔性压力触觉传感器阵列包括构造在一适于柔性应用的硅片上的读出电路层、和构造在读出电路层上的压电传感阵列层，读出电路层包括若干个读出电路单元，压电传感阵列层包括若干个压电敏感单元，并令一个压电敏感单元对应连接一个读出电路单元而在硅片上形成阵列化分布；逻辑控制单元控制阵列中各读出电路单元的开闭状态；信号处理单元对被开启读出电路单元响应被激活压电敏感单元所生成的电信号进行处理计算得到物体接触面的物理信息，该电子皮肤具有高灵敏度、高密度、高柔韧性、高采样频率和运行速度的优点。

技术领域

本发明涉及电子皮肤技术领域，具体涉及一种基于压力传感器的电子皮肤系统。

背景技术

电子皮肤作为下一代机器人与医疗设备的关键部件，其开发与应用已经成为当今学术研究和产业应用热点之一，电子皮肤的目的在于赋予机械和电子系统等载体感知周围环境的能力，重要的实现方式是在载体表面覆盖一系列的触觉传感器，如压力传感器、温度传感器等。触觉传感器在机器人和医疗设备领域有着广泛的应用，其两大主要功能：检测与识别。检测功能包括对操作对象的状态、机械手与操作对象的接触状态、操作对象的物理性质进行检测。识别功能是在检测的基础上提取操作对象的形状、大小、刚度等特征，以进行分类和目标识别。电子皮肤是载体实现与外部环境直接作用的必须媒介，是感知环境信息的重要方式。如接触力、纹理等信息，实现对物体的准确抓取、识别等动作。

目前，应用于电子皮肤上的压电触觉传感器阵列大多采用便于与接触面更服帖的柔性传感器，但这类传感器基于对柔性的需求基本采用有机薄膜晶体管作为压电传感单元的读出电路接入后端系统解锁出复杂的信息，然而有机材料的载流子迁移率较低，从而带来较低的采样频率，无法满足高频触觉信号的检测，因此灵敏度差。另外，柔性传感器内部大多通过引线连接的方式实现压电传感单元与读出电路之间的集成连接，二者处于相互分离的状态，使得不仅引线数目多，噪声和串扰较大，而且传感单元密度低，限制了传感器阵列的空间分辨率，从而使得在电子皮肤上的应用受到了局限性。

发明内容

针对现有技术所存在的上述不足，本发明提供了一种基于压电原理的电子皮肤系统，其用于解决现有电子皮肤系统中传感器阵列存在采样频率低、灵敏度差、传感单元分布密度低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于压电原理的电子皮肤系统，包括覆盖有柔性压电触觉传感器阵列的皮肤载体、逻辑控制单元和信号处理单元，所述柔性压电触觉传感器阵列包括构造在一适于柔性应用的硅片上的读出电路层、构造在所述读出电路层上的介质层A和构造在所述介质层A上的压电传感阵列层，所述读出电路层包括若干个读出电路单元，所述介质层A中构造有若干与各读出电路单元连接的导电钨塞，所述压电传感阵列层包括若干个相互分离的压电敏感单元，每个所述压电敏感单元均通过导电钨塞与一个所述读出电路单元连接以构成一个压电传感单元，这些压电传感单元在硅片上形成m*n阵列化分布；

所述逻辑控制单元连接所述读出电路层，以控制阵列中各读出电路单元的开闭状态；

所述信号处理单元连接所述读出电路层，以对被开启读出电路单元响应被激活压电敏感单元所生成的电信号进行处理计算得到物体接触面的物理信息。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1)本发明所述的电子皮肤系统采用的柔性压电触觉传感器阵列以柔性应用的薄硅片为硅基材料制作读出电路，与普通有机材料相比，载流子迁移率高，使电子皮肤系统信号采集前端具有高灵敏度、高采样频率和运行速度。