基于柔性湿度传感器阵列的湿度信息识别系统及方法与流程

1.本发明涉及一种手势识别系统及方法，尤其是一种基于柔性湿度传感器阵列的湿度信息识别系统及方法。


背景技术：

2.随着互联网的发展，人机互动变得越来越重要，互动方式变得越来越多，因此，发展多样的人机互动方式显得尤为重要。作为人机互动载体，传感器可以有效地将各种人体发出的信号转换为机器可识别的信息。常见的人机互动传感器往往需要人体与其直接发生物理接触产生信号，如压力传感器等。因此，由于物理接触的特性可知，物理接触的互动方式不可避免的带来传感器的机械磨损，或在某些应用场合受到限制，如有毒有害环境内存在有毒有害物质或气体，导致在具体互动时不能直接物理接触。
3.为了解决物理接触互动方式的问题，非接触式交互传感器等应用而生。然而，常见的非接触式传感器往往需要较为复杂的制备流程和昂贵的制备设备，如红外传感器。因此，可有效检测指尖湿度的湿度传感器可以实现非接触的人机交互，即实现利用人手指尖的汗液蒸发产生的湿度作为信息源作为人机互动的手段。
4.采用湿度传感器实现人机互动的手段时，可以不用与传感器发生直接物理接触而实现交互，可以延长人机交互系统的寿命，此外，还能降低制造的难度以及成本，环保节能。
5.为了能实现负载信息的交互，一般需要采用湿度传感器阵列，当采用湿度传感器阵列时，如何能有效实现信息提取进而进行有效识别等是目前急需解决的难题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于柔性湿度传感器阵列的湿度信息识别系统及方法，其能有效实现湿度信息的提取与湿度信息的识别，提高识别精度与可靠性，同时在微控制器内进行湿度数据的处理和分析时，无需上传云端，加快处理信息反馈的速度。
7.按照本发明提供的技术方案，所述基于柔性湿度传感器阵列的湿度信息识别系统，包括柔性湿度传感器阵列以及与所述柔性湿度传感器阵列电连接的数据采集器，柔性湿度传感器阵列内包括m行n列的柔性湿度传感器单元；还包括与数据采集器电连接的微控制器，在采样频率f下经过采样时间t时，所述数据采集器采集得到柔性湿度传感器阵列相应的湿度阵列信息，且数据采集器将所采集得到的湿度阵列信息传输至微控制器内；
8.在接收到湿度阵列信息后，微控制器对所接收的湿度阵列信息处理，以能提取得到任一行柔性湿度传感器单元测量相应的湿度特性信息，所述湿度特性信息包括高湿度出现数量yna、高湿度出现的位置ynb以及每行重复出现高湿度的状态信息ync；
9.微控制器将提取得到所有行柔性湿度传感器单元相对应的湿度特性信息与所述微控制器内预先存储的湿度识别模型比较，以识别所述湿度特性信息对应的湿度信息。
10.数据采集器在采样频率f下经采样时间t时，微控制器对所接收的湿度阵列信息处
理时，将t*f个湿度阵列相加，以能得到湿度特性阵列，微控制器根据湿度特性阵列能提取得到湿度特性信息；湿度特性信息中每行重复出现高湿度的状态信息ync包括重复出现高湿度的次数以及所述重复出现高湿度的位置信息。
11.所述微控制器还与显示屏连接，微控制器通过显示屏能显示输出识别后的湿度信息；
12.柔性湿度传感器阵列内每列柔性湿度传感器单元的一端相互连接成公共端后与数据采集器适配连接，柔性湿度传感器阵列内每列柔性湿度传感器单元的另一端与数据采集器的数据采集端口连接。
13.所述柔性湿度传感器阵列内柔性湿度传感器单元采用半导体工艺同时制备得到，所述柔性湿度传感器单元包括柔性衬底以及若干设置于柔性衬底上的湿敏单元，所述湿敏单元包括设置于柔性衬底上的湿敏基底以及与所述湿敏基底适配的湿敏纳米森林。
14.所述柔性湿敏传感器还包括设置于柔性衬底的衬底支撑层，所述衬底支撑层与湿敏基底为同一工艺步骤层；
15.所述柔性衬底包括pet柔性膜、pi柔性膜或pen柔性膜，所述湿敏基底包括ito。
16.所述柔性湿度传感器单元由下述工艺制备得到，所述制备工艺包括如下步骤：
17.步骤1、提供柔性衬底，并在所述柔性衬底上设置湿敏材料层；
18.步骤2、对所述湿敏材料层图形化，以能得到位于柔性衬底上的衬底支撑层以及若干湿敏基底；
19.步骤3、制备聚合物层，所述聚合物层压盖在衬底支撑层、湿敏基底上，且支撑在柔性衬底上；
20.步骤4、对上述聚合物层图形化，以能得到包覆湿敏基底的湿敏基底包覆体；
21.步骤5、对所述湿敏基底包覆体进行纳米森林工艺，以能得到与湿敏基底适配的湿敏纳米森林。
22.所述聚合物层为光敏聚酰亚胺或非光敏聚酰亚胺；聚合物层的厚度为1μm～20μm。
23.聚合物层采用光敏聚酰亚胺时，对聚合物层光刻后得到湿敏基底包覆体。
24.聚合物层采用非光敏聚酰亚胺时，步骤4具体包括如下步骤：
25.步骤4.1、在聚合物层上设置聚合物掩膜层，所述聚合物掩膜层覆盖在聚合物层上；
26.步骤4.2、对聚合物掩膜层刻蚀图形化，以能得到聚合物刻蚀掩膜层；
27.步骤4.3、利用聚合物刻蚀掩膜层对聚合物层干法刻蚀，以能得到湿敏基底包覆体；
28.步骤4.4、去除上述聚合物刻蚀掩膜层。
29.一种基于柔性湿度传感器阵列的湿度信息识别方法，包括柔性湿度传感器阵列以及与所述柔性湿度传感器阵列电连接的数据采集器，柔性湿度传感器阵列内包括m行n列的柔性湿度传感器单元；还包括与数据采集器电连接的微控制器，在采样频率f下经过采样时间t时，所述数据采集器采集得到柔性湿度传感器阵列相应的湿度阵列信息，且数据采集器将所采集得到的湿度阵列信息传输至微控制器内；
30.在接收到湿度阵列信息后，微控制器对所接收的湿度阵列信息处理，以能提取得到任一行柔性湿度传感器单元测量相应的湿度特性信息，所述湿度特性信息包括高湿度出
现数量yna、高湿度出现的位置ynb以及每行重复出现高湿度的状态信息ync；
31.微控制器将提取得到所有行柔性湿度传感器单元相对应的湿度特性信息与所述微控制器内预先存储的湿度识别模型比较，以识别所述湿度特性信息对应的湿度信息。
32.本发明的优点：在接收到湿度阵列信息后，微控制器对所接收的湿度阵列信息处理后，能提取得到柔性湿度传感器阵列内每行柔性湿度传感器单元测量得到相应的湿度特性信息，所述湿度特性信息包括高湿度数量yna、高湿度出现的位置ynb以及每行重复出现高湿度的状态信息ync；
33.微控制器将提取得到m行的湿度特性信息与所述微控制器内预先存储的湿度识别模型比较，以识别所述湿度特性信息对应的湿度信息，即能有效实现湿度信息的提取与湿度信息的识别，提高识别精度与可靠性；在微控制器内进行湿度数据的处理和分析时，无需上传云端，加快处理信息反馈的速度。
附图说明
34.图1为本发明的框图。
35.图2为本发明柔性湿度传感器阵列与数据采集器配合的电路原理图。
36.图3为本发明识别湿度信息的示意图。
37.图4～图8为本发明柔性湿度传感器单元的一种具体实施工艺步骤剖视图，其中
38.图4为本发明制备得到湿敏材料层后的剖视图。
39.图5为本发明制备得到衬底支撑层、湿敏基底后的剖视图。
40.图6为本发明制备得到聚合物层后的剖视图。
41.图7为本发明制备得到湿敏基底包覆体后的剖视图。
42.图8为本发明制备得到湿敏纳米森林后的剖视图。
43.图9～图13为本发明柔性湿度传感器单元的另一种具体实施工艺步骤剖视图，其中
44.图9为本发明制备得到聚合物掩膜层后的剖视图。
45.图10为本发明制备得到聚合物刻蚀掩膜层后的剖视图。
46.图11为本发明制备得到湿敏基底包覆体后的剖视图。
47.图12为本发明去除聚合物刻蚀掩膜层的剖视图。
48.图13为本发明制备得到湿敏纳米森林后的剖视图。
49.附图标记说明：1-数据采集器、2-微控制器、3-显示屏、4-柔性湿度传感器阵列、5-柔性湿度传感器单元、6-柔性衬底、7-湿敏材料层、8-湿敏材料窗口、9-聚合物层、10-湿敏基底包覆体、11-湿敏纳米森林、12-衬底支撑层、13-湿敏基底、14-聚合物掩膜层、15-聚合物刻蚀掩膜层。
具体实施方式
50.下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
51.如图1所示：为了能有效实现湿度信息的提取与湿度信息的识别，提高识别精度与可靠性，本发明包括柔性湿度传感器阵列4以及与所述柔性湿度传感器阵列4电连接的数据采集器1，柔性湿度传感器阵列4内包括m行n列的柔性湿度传感器单元5；还包括与数据采集
器1电连接的微控制器2，在采样频率f下经过采样时间t时，所述数据采集器1采集得到柔性湿度传感器阵列4相应的湿度阵列信息，且数据采集器1将所采集得到的湿度阵列信息传输至微控制器2内；
52.在接收到湿度阵列信息后，微控制器2对所接收的湿度阵列信息处理，以能提取得到任一行柔性湿度传感器单元5测量相应的湿度特性信息，所述湿度特性信息包括高湿度出现数量yna、高湿度出现的位置ynb以及每行重复出现高湿度的状态信息ync；
53.微控制器2将提取得到所有行柔性湿度传感器单元5相对应的湿度特性信息与所述微控制器2内预先存储的湿度识别模型比较，以识别所述湿度特性信息对应的湿度信息。
54.具体地，柔性湿度传感器阵列4内的柔性湿度传感器单元5呈阵列分布，其中，柔性湿度传感器阵列4内具有m行n列个柔性湿度传感器单元5，m、n的具体大小可以根据实际需要选择，具体以湿度识别的应用场景等选择确定，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。通过柔性湿度传感器阵列4能实现所在应用场景湿度信息的测量，利用柔性湿度传感器阵列4内柔性湿度传感器单元5测量相应位置湿度的具体过程与现有相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
55.数据采集器1与柔性湿度传感器阵列4适配连接，通过数据采集器1能对柔性湿度传感器阵列4内所有柔性湿度传感器单元5测量湿度信息的采集。数据采集器1可以采用现有常用的数据采集电路形式，数据采集器1的具体电路形式可以根据实际需要选择，此处不再赘述。
56.此外，所述微控制器2还与显示屏3连接，微控制器2通过显示屏3能显示输出识别后的湿度信息；柔性湿度传感器阵列4内每列内所有柔性湿度传感器单元5的一端相互连接成公共端并与数据采集器1适配连接，柔性湿度传感器阵列4内每列内每个柔性湿度传感器单元5的另一端与数据采集器1的数据采集端口连接。
57.本发明实施例中，微控制器2可以采用现有常用的微处理芯片，微控制器2的具体类型可以根据实际需要选择，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。显示屏3可以采用现有常用的形式，如led屏幕或lcd屏等，微控制器2与数据采集器1、显示屏3具体连接配合形式可与现有相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
58.图2中示出了柔性湿度传感器阵列4内柔性湿度传感器单元5的等效原理图，图2中的sensor即为柔性湿度传感器单元5，图2中柔性湿度传感器阵列4内柔性湿度传感器单元5呈3
×
3的阵列分布，即n＝m＝3，当n、m的其他情况时，可以参照图2中的情况，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
59.具体实施时，数据采集器1对柔性湿度传感器阵列4内所有柔性湿度传感器单元5相应湿度值采集的采样频率为f，采样频率f的具体大小可以根据实际需要选择，一般以测量的湿度环境等要求相关，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。采样频率f与采样周期对应，在经过一个采样周期时，数据采集器1能对所有柔性湿度传感器单元5相应的湿度值采集。经过一个采样周期，根据所有柔性湿度传感器单元5的湿度值采集，能得到一单周期湿度阵列，单周期湿度阵列的大小与柔性湿度传感器阵列4相一致，单周期湿度阵列内的一阵列元素的值为柔性湿度传感器阵列4内相应位置柔性湿度传感器单元5测量的湿度值，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
60.经过采样时间t后，能将所有采集的湿度阵列信息均传输至微控制器2内，以便由
微控制器2进行湿度特征信息的提取。具体地，采样时间t可以为一个采样周期或采样周期的整数倍m，当采样时间t为一个采样周期时，即湿度阵列信息为单周期湿度阵列；而当采样时间t为采样周期的整数倍m时，湿度阵列信息由m个相应的单周期湿度阵列形成。
61.具体实施时，在接收到湿度阵列信息后，微控制器2对所接收的湿度阵列信息处理，以能提取得到柔性湿度传感器阵列4内任一行柔性湿度传感器单元5测量相应的湿度特性信息，所述湿度特性信息包括高湿度数量yna、高湿度出现的位置ynb以及每行重复出现高湿度的状态信息ync。由于存在m行的柔性湿度传感器单元5，微控制器2要对所有行柔性湿度传感器单元5均提取相应的湿度特性信息，即能实现柔性湿度传感器阵列4内所有行柔性湿度传感器单元5湿度测量状态的值提取。
62.本发明实施例中，在微控制器2内预先存储有湿度识别模型，湿度识别模型与当前柔性湿度传感器阵列4适配，湿度识别模型可以为图3中湿度信息对应的特征信息，或者根据柔性湿度传感器阵列4的具体情况设置的算法模型，当湿度识别模型为算法模型时，即为图3中对应的特征信息采用算法的方式识别，具体可以采用神经网络等模型，湿度识别模型的具体情况可以根据实际需要选择，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
63.具体实施时，数据采集器1在采样频率f下经采样时间t时，微控制器2对所接收的湿度阵列信息处理时，将t*f个湿度阵列相加，以能得到湿度特性阵列，微控制器2根据湿度特性阵列能提取得到湿度特性信息；湿度特性信息中每行重复出现高湿度的状态信息ync包括重复出现高湿度的次数以及所述重复出现高湿度的位置信息。
64.本发明实施例中，为了提高湿度识别的准确性，在采样频率f下经过采样时间t时，数据采集器1一共能采集得到t*f个湿度阵列，所述湿度阵列即为上述说明中的单周期湿度阵列；即得到t*f个单周期湿度阵列，一般地，采样时间t*采样频率f为正整数。将t*f个单周期湿度阵列相加，从而能得到一湿度特性阵列，微控制器2根据湿度特性阵列能提取得到湿度特性信息；湿度特性信息中每行重复出现高湿度的状态信息ync包括重复出现高湿度的次数以及重复出现高湿度的位置信息。
65.图3中示出了一3*3的柔性使得传感器阵列4进行湿度信息识别的结果，下面对图3中第一个湿度信息识别的情况进行具体说明。具体地，微控制器2先提取第一行所有柔性湿度传感器5单元的湿度特性信息，此时，高湿度出现数量yna为3，高湿度出现的位置ynb为(位置为1行1列、1行2列以及1行3列)，每行重复出现高湿度的状态信息ync为重复出现高湿度次数为1，重复出现高湿度的的位置为1行3列。
66.微控制器2提取第二行所有柔性湿度传感器单元5的湿度特性信息时，此时，高湿度出现数量yna为1，高湿度出现的位置ynb为(位置为2行3列)，每行重复出现高湿度的状态信息ync为重复出现高湿度次数为0。微控制器2提取第三行所有柔性湿度传感器单元5的湿度特性信息时，此时，高湿度出现数量yna为1，高湿度出现的位置ynb为(位置为3行3列)，每行重复出现高湿度的状态信息ync为重复出现高湿度次数为0。
67.因此，微控制器2能根据上述提取三行柔性湿度传感器单元5相应的湿度特性信息后，能得到图中1
→2→3→6→
9的湿度识别结果。
68.对于图3中其他的湿度识别结果以及实际湿度识别的场景，均可以参考上述说明，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
69.具体实施时，柔性湿度传感器单元5一般采用电容的形式，从而通过柔性湿度传感
器单元5得到与湿度值相对应的电容值，通过柔性湿度传感器单元5得到的电容值不同，则能体现不同的湿度值，具体情况与现有相一致。
70.本发明实施例中，微控制器2在得到湿度特性阵列后，根据湿度特性阵列内每个湿度特性元素的电容值能转换成相应的湿度值；根据柔性湿度传感器阵列4所在的环境，微控制器2可将转换的湿度值与柔性湿度传感器阵列4所在环境适配的湿度阈值比较，从而能确定湿度特性阵列内每个湿度特性元素是否为高湿度状态，湿度阈值的大小以及判断湿度特性元素是否为高湿度状态的具体情况一般与湿度环境等情况相关，具体可以根据实际需要选择，为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
71.微控制器2统计湿度特性阵列内每个湿度特性元素是否为高湿度状态，即能得到柔性湿度传感器阵列4内m行柔性传感器5相应的湿度特性信息，即能确定每行柔性湿度传感器单元5相对应的湿度特性信息，具体为：高湿度数量yna、高湿度出现的位置ynb以及每行重复出现高湿度的状态信息ync。微控制器2在确定每行柔性湿度传感器单元5相对应的湿度特性信息后，即能得到所有柔性湿度传感器阵列4内所有含柔性湿度传感器单元5相对应的湿度特性信息，利用微控制器2的湿度识别模型对得到所有行的湿度特性信息识别，即能识别湿度信息。具体实施时，在微控制器2内进行湿度数据的处理和分析时，无需上传云端，加快处理信息反馈的速度。
72.如图8和图13所示，所述柔性湿度传感器阵列4内柔性湿度传感器单元5采用半导体工艺同时制备得到，所述柔性湿度传感器单元5包括柔性衬底6以及若干设置于柔性衬底6上的湿敏单元，所述湿敏单元包括设置于柔性衬底6上的湿敏基底13以及与所述湿敏基底13适配的湿敏纳米森林11。
73.本发明实施例中，所述柔性湿敏传感器5还包括设置于柔性衬底6的衬底支撑层12，所述衬底支撑层12与湿敏基底13为同一工艺步骤层；所述柔性衬底6包括pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)柔性膜、pi(聚酰亚胺)柔性膜或pen(聚萘二甲酸乙二醇酯)柔性膜，所述湿敏基底13包括ito。
74.具体实施时，上述结构的柔性湿度传感器单元5由下述工艺制备得到，所述制备工艺包括如下步骤：
75.步骤1、提供柔性衬底6，并在所述柔性衬底6上设置湿敏材料层7；
76.如图4所示，柔性衬底6的厚度为50μm～1000μm，湿敏材料层7的厚度为200nm～1μm，湿敏材料层7采用ito(氧化铟锡)时，湿敏材料层7可以采用现有常用的方式制备在柔性衬底6上，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
77.步骤2、对所述湿敏材料层7图形化，以能得到位于柔性衬底6上的衬底支撑层12以及若干湿敏基底13；
78.如图5所示，可以采用现有常用的技术手段实现对湿敏材料层7的图形化，在对湿敏材料层7图形化后，能同时得到衬底支撑层12以及湿敏基底13，具体对湿敏材料层7图形化的过程为本技术领域人员书熟知，此处不再赘述。
79.步骤3、制备聚合物层9，所述聚合物层9压盖在衬底支撑层12、湿敏基底13上，且支撑在柔性衬底6上；
80.如图6所示，所述聚合物层9为光敏聚酰亚胺或非光敏聚酰亚胺；聚合物层9的厚度为1μm～20μm，聚合物层9的具体类型以及聚合物层9的具体制备过程均可采用现有常用的
技术，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
81.步骤4、对上述聚合物层9图形化，以能得到包覆湿敏基底13的湿敏基底包覆体10；
82.如图7所示，聚合物层9采用光敏聚酰亚胺时，对聚合物层9光刻后得到湿敏基底包覆体10，即采用光刻掩膜的方式对聚合物层9光刻，以能去除衬底支撑层12上的聚合物层9，而利用覆盖在湿敏基底13上的聚合物层9上能形成湿敏基底包覆体10。利用柔性衬底6上的衬底支撑层12能提高柔性衬底6的强度。
83.如图9～图12所示，聚合物层9采用非光敏聚酰亚胺时，步骤4具体包括如下步骤：
84.步骤4.1、在聚合物层9上设置聚合物掩膜层14，所述聚合物掩膜层14覆盖在聚合物层9上；
85.如图9所示，聚合物掩膜层14可以为热氧化硅层，聚合物掩膜层14可以采用pecvd等工艺制备在聚合物层9上，聚合物掩膜层14的具体材料类型以及聚合物掩膜层14制备在聚合物层9的工艺均可根据需要选择，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
86.步骤4.2、对聚合物掩膜层14刻蚀图形化，以能得到聚合物刻蚀掩膜层15；
87.如图10所示，采用本技术领域的手段实现对聚合物掩膜层4图形化，在图形化后，能得到聚合物刻蚀掩膜层15，聚合物刻蚀掩膜层15位于湿敏基底13的正上方。当然，对聚合物掩膜层14的具体图形化的方式可以根据实际需要选择，为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
88.步骤4.3、利用聚合物刻蚀掩膜层15对聚合物层9干法刻蚀，以能得到湿敏基底包覆体10；
89.如图11所示，将聚合物刻蚀掩膜层15作为掩膜，对聚合物层9干法刻蚀，以能利用聚合物层9得到湿敏基底包覆体10，具体对聚合物层9干法刻蚀的过程以及工艺均可为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
90.步骤4.4、去除上述聚合物刻蚀掩膜层15。
91.如图12所示，采用本技术领域常用的手段去除聚合物刻蚀掩膜层15，具体工艺过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
92.步骤5、对所述湿敏基底包覆体10进行纳米森林工艺，以能得到与湿敏基底13适配的湿敏纳米森林11。
93.如图8和图13所示，对所述湿敏基底包覆体10进行纳米森林工艺，所实施的纳米森林工艺具体可以根据实际需要选择，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。即通过纳米森林工艺后，能制备得到湿敏纳米森林11，具体对湿敏基底包覆体10刻蚀得到湿敏纳米森林11的具体过程以及工艺均为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
94.综上，能得到本发明基于柔性湿度传感器阵列的湿度信息识别方法，包括柔性湿度传感器阵列4以及与所述柔性湿度传感器阵列4电连接的数据采集器1，柔性湿度传感器阵列4内具有m行n列个柔性湿度传感器单元5；还包括与数据采集器1电连接的微控制器2，在采样频率f下经过采样时间t时，所述数据采集器1能采集得到柔性湿度传感器阵列4相应的湿度阵列信息，且数据采集器1将所采集得到的湿度阵列信息传输至微控制器2内；
95.在接收到湿度阵列信息后，微控制器2对所接收的湿度阵列信息处理后，能提取得到柔性湿度传感器阵列4内每行柔性湿度传感器单元5测量得到相应的湿度特性信息，所述湿度特性信息包括高湿度次数yna、高湿度出现的位置ynb以及每行重复出现高湿度的状态
信息ync；
96.微控制器2将提取得到m行的湿度特性信息与所述微控制器2内预先存储的湿度识别模型比较，以识别所述湿度特性信息对应的湿度信息。
97.具体地，数据采集器1与微控制器2配合实现柔性湿度传感器阵列4所采集湿度信息的采集与识别过程可以参考上述说明，此处不再赘述。