传感器及应用其的电子、仿生皮肤及仿生交流通讯设备的制作方法

本公开属于电子材料技术领域，具体地涉及一种传感器及应用其的电子、仿生皮肤及仿生交流通讯设备。

背景技术：

自然界中许多动物为应对恶劣的生存环境，通过变换体色、生物发光等方式使自己融入周围的环境中，使自己生存下来，例如变色龙和章鱼等头足类动物。依据动物专家的最新发现，变色龙变换体色不仅仅是为了伪装，体色变换的另一个重要作用是能够实现变色龙之间的信息传递，便于和同伴沟通，这相当于人类语言一样，进而表达出变色龙的意图。目前为了研制类似于变色龙皮肤的仿生人造皮肤，尝试了许多的方法，如：在材料中嵌入微型led，电致发光或将色素注入微流体网络中。

生物皮肤是最复杂的生物器官，其中包含的无数高灵敏触碰传感器能够将所接触的机械力转化成生理信号传递给大脑。目前电子皮肤的主要转化机制有压阻式、压电式、电容式和摩擦转化式。然而几乎没有任意机理能够即实现对多种机械刺激的响应，又能够动态反馈信息于皮肤上，从而实现直接的信息传递和交流。不仅如此，目前的转换机制决定了所研制的电子皮肤不能实现对多种机械刺激的响应(如触碰压力、拉伸和剪切力)，且在实现传感的同时也往往需要外加供能电源。

公开内容

基于以上问题，本公开的主要目的在于提出一种传感器及应用其的电子、仿生皮肤及仿生交流通讯设备，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，作为本公开的一个方面，提出一种传感器，包括第一摩擦层和第二摩擦层，其中：第一摩擦层由第一材料与荧光材料的混合材料形成；第二摩擦层由第二材料形成；且第一材料和第二材料处于摩擦电极性序列的不同位置；第一摩擦层和/或第二摩擦层在机械力作用下发生形变，并滑动摩擦或接触/分离摩擦，产生摩擦电势差，以使第一摩擦层中的荧光材料发光，表征机械力作用的特性。

在本公开的一些实施例中，上述传感器还包括：间隔层，置于第一摩擦层和第二摩擦层之间的部分区域，以使第一摩擦层与第二摩擦层在无机械力作用时处于分离状态，而在有机械力作用时能够相互接触。

在本公开的一些实施例中，上述机械力包括压力、拉伸力或剪切力。

在本公开的一些实施例中，上述荧光材料为电致发光荧光粉材料；优选为zns:cu、zns:mn、氧化锌、碳化硅、α-三氧化二铝、氧化钇、偏铝酸镁、偏铝酸钙、偏铝酸锶、氧化锆铈、二氧化铪或二氧化锆。

在本公开的一些实施例中，上述第一摩擦层中，第一材料与荧光材料的混合比例为1∶1～1∶3；第一材料与荧光材料的混合材料加热成型后形成第一摩擦层。

在本公开的一些实施例中，上述第一摩擦层和/或第二摩擦层的表面形成有微结构阵列修饰层。

在本公开的一些实施例中，上述第一材料和第二材料中摩擦电极性序列相对为正的材料包括尼龙薄膜、金属薄膜或半导体薄膜。

在本公开的一些实施例中，上述第一材料和第二材料中摩擦电极性序列相对为负的材料包括聚合物薄膜；优选为聚二甲基硅氧烷薄膜、eco-flex薄膜、聚四氟乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜或氟化乙烯丙烯共聚物薄膜。

在本公开的一些实施例中，上述间隔层的主体材质包括聚二甲基硅氧烷。

在本公开的一些实施例中，上述传感器还包括贴合于第一摩擦层远离第二摩擦层的表面的基底层，该基底层的主体材质包括聚二甲基硅氧烷。

为了实现上述目的，作为本公开的另一个方面，提出一种电子皮肤，采用上述的传感器。

为了实现上述目的，作为本公开的再一个方面，提出一种仿生皮肤，采用上述的传感器，用于将机械力的特性进行反馈，以实现通讯。

为了实现上述目的，作为本公开的又一个方面，提出一种交流通讯设备，包括上述的仿生皮肤。

为了实现上述目的，作为本公开的又一个方面，提出一种可穿戴设备，包括上述的仿生皮肤。

为了实现上述目的，作为本公开的又一个方面，提出一种可穿戴手势识别手套，包括上述的仿生皮肤。

本公开提出的传感器及应用其的电子、仿生皮肤及仿生交流通讯设备，具有下列有益效果：

1、采用与第二摩擦层的第二材料处于摩擦电极性序列的不同位置的第一材料，与荧光材料的混合材料形成第一摩擦层，使得第一摩擦层和第二摩擦层在机械力作用下形变，并滑动摩擦或接触/分离摩擦，产生摩擦电势差，通过类似于电致发光的技术，使荧光粉发光，通过发光区域及发光亮度即可表征机械力作用的特性，因此该电子皮肤，相对于传统的转换机制，制造工艺简单，在大大降低成本的同时仍能保持着传感器的高检测灵敏度；

2、采用光作为媒介的传感技术，可直接实现对多种机械力的检测，同时所受的机械力大小及分布可通过荧光材料的发光情况直观的体现在表面；

3、在第一摩擦层和/或第二摩擦层的表面形成有微结构阵列修饰层，可使得传感器在受到机械力作用时，增大两个摩擦层的接触面积，增大表面摩擦电势差的变化，使得对于微小机械力，也能明显表征该机械力的分布，可作为电子皮肤使用；

4、由于具有可视化的发光表面，因此提出的传感器可模拟自然界动物的一些功能用于伪装、交流及信息传递，形成仿生皮肤；

5、结构简单，制备容易，成本低廉，对于可穿戴设备、假肢和软体机器人等领域都具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本公开提出的传感器的结构示意图。

图2(a)是图1中传感器的第一摩擦层表面微结构阵列修饰层在俯视角度下的扫描电子显微镜图谱。

图2(b)是图2(a)中扫描电子显微镜图谱的局部放大图。

图2(c)图1中传感器的第一摩擦层表面微结构阵列修饰层侧面的扫描电子显微镜图谱。

图2(d)是图2(c)中扫描电子显微镜图谱的局部放大图。

图3(a)是本公开的传感器接触/分离产生摩擦电势差的原理图。

图3(b)是本公开的传感器滑动摩擦产生摩擦电势差的原理图。

图4是荧光材料在压电势及摩擦电势差作用下发光的原理图。

图5(a)是本公开一实施例提出的电子皮肤在受到不同压力时的光信号响度强度图。

图5(b)是不同光信号响应强度与施加的压力强度的对比图。

图6(a)是本公开一实施例提出的电子皮肤在不同拉伸率下的光信号响应强度图。

图6(b)是本公开一实施例提出的电子皮肤在不同拉伸频率下的光信号响应强度图。

图7(a)是本公开一实施例提出的电子皮肤在不同大小剪切力下的光信号响应强度图。

图7(b)是本公开一实施例提出的电子皮肤在不同大小剪切力速率下的光信号响应强度图。

图8(a)是本公开一实施例提出的电子皮肤施加s型压力的示意图。

图8(b)图8(a)中压力下，电子皮肤表面的发光效果图。

图8(c)是图8(b)中箭头部分对应的光信号响应强度。

图9是本公开一实施例提出的仿生交流通讯设备的装置示意图。

图10(a)是图9中仿生交流通讯设备可产生的二进制逻辑信号示意图。

图10(b)是图9中仿生交流通讯设备产生的二进制逻辑信号及其对应编码的英文字母的示意图。

图11(a)是本公开一实施例提出的可穿戴手势识别手套的实物图。

图11(b)中i到iv是图11(a)中手套在不同手势下白天和黑夜的手势识别示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。

本公开旨在通过类似于电致发光的技术和压电光子学技术将机械能转换为光能，通过发光强度实现对于不同压力、剪切力和拉伸的检测，同时发光的表面可实现仿生式的信息交流和传递。

因此，本公开提出一种传感器，如图1所示，此处以单个传感器(单个传感器可作为电子皮肤的一个构成单元)为例进行详细描述，传感器包括第一摩擦层102和第二摩擦层104，其中：第一摩擦层102由第一材料与荧光材料的混合材料形成；第二摩擦层104由第二材料形成；且第一材料和第二材料处于摩擦电极性序列的不同位置；第一摩擦层102和/或第二摩擦层104在机械力(压力、剪切力或拉伸力)作用下发生形变，并接触/分离摩擦和/或滑动摩擦，使得第一摩擦层102与第二摩擦层104产生摩擦电势差，并随着接触/分离状态的改变，摩擦电势差发生改变，该摩擦电势差的存在致使第一摩擦层102中的荧光材料发光，以表征外界作用力的特性。

如图1所示，在本公开的一些实施例中，传感器还包括：间隔层103，置于第一摩擦层102和第二摩擦层104之间的部分区域，以使第一摩擦层与第二摩擦层在无外界作用时处于分离状态，而在有外界作用时能够相互接触。其中，间隔层103可以置于单个电子皮肤单元(即单个传感器)中第一摩擦层和第二摩擦层之间的边缘区域，例如可为传感器的与边缘角相对应位置。

如图1所示，在本公开的一些实施例中，传感器还可包括基底层101，其贴合于第一摩擦层102远离第二摩擦层104的表面，其主体材料为聚二甲基硅氧烷，该基底层仅用于起到支撑作用。

因此，本公开采用类似于电致发光的技术，通过机械力的作用即可使荧光材料发光，通过发光区域及发光亮度即可表征该机械力外界作用的特性(如机械力大小及分布)，因此本公开形成的传感器，相对于传统的转换机制，制造工艺简单，在大大降低成本的同时仍能保持着传感器的高检测灵敏度。

在本公开的一些实施例中，上述机械力包括压力、拉伸力或剪切力等多种机械刺激，因此本实施例的传感器能够用于检测压力、剪切力和拉伸力等多种机械刺激，且响应的光信号表面可直观可视化的用作生物交流，伪装。

在本公开的一些实施例中，上述荧光材料例如可以为常见的电致发光荧光粉材料；例如zns:cu、zns:mn、氧化锌、碳化硅、α氧三氧化二铝、氧化钇、偏铝酸镁、偏铝酸钙、偏铝酸锶、氧化锆铈、二氧化铪或二氧化锆等，但可以理解的是，本实施例不对具体的荧光粉材料做限制，所有荧光材料均可；例如可优先采用压电材料，则在机械力作用下，荧光材料发生形变，产生压电，则采用压电光子学技术，荧光材料在压电作用下也可发光，来表征机械力的特性。

在本公开的一些实施例中，上述第一摩擦层中，第一材料与荧光粉的混合比例为1∶1～1∶3。

在本公开的一些实施例中，上述第一摩擦层和/或第二摩擦层的表面形成有微结构阵列修饰层，即微米或次微米级别的图案，这有利于在受到机械刺激下，增大第一摩擦层和第二摩擦层的接触面积，从而引起更大的摩擦电势差变化，使得对于微小机械力，也能明显表征该机械力的分布，本实施例中的微结构阵列修饰层的扫描电镜图可为如图2(a)至图2(d)所示的结构。

在本公开的一些实施例中，上述第一材料与荧光粉的混合材料加热成型后形成第一摩擦层。

在本公开的一些实施例中，上述第一材料和第二材料中摩擦电极性相对为正的材料包括尼龙薄膜、金属薄膜或半导体薄膜。金属薄膜的材料例如为金、银、铝、铜、铂、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金等，或者半导体材料，或者例如氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、二氧化铋(bio2)、三氧化二钇(y2o3)或铟锡氧化物等氧化物材料。

在本公开的一些实施例中，上述第一材料和第二材料中摩擦电极性相对为负的材料包括聚合物薄膜；例如：聚二甲基硅氧烷薄膜，ecoflex薄膜，聚四氟乙烯薄膜，聚酰亚胺薄膜和氟化乙烯丙烯共聚物薄膜等。通过与荧光材料以一定比例进行共混，加热成型；其中ecoflex薄膜为美国smooth-on公司的ecoflex系列薄膜。

在本公开的一些实施例中，上述间隔层的主体材质包括聚二甲基硅氧烷；基底层的主体材质包括聚二甲基硅氧烷。

本公开提出的传感器所采用的类似于电致发光的技术和压电光子学技术的工作原理如图3(a)、图3(b)及图4所示，其中，图3(a)为接触/分离摩擦起电的原理示意图，在正常状态下，两个摩擦层处于如图3(a)中i所示的状态；在机械力作用下，如图3(a)中ii所示，两个摩擦层接触，由于接触材料位于摩擦电极性序列的不同位置，此时在两个摩擦层的接触面上由于电荷感应效应产生正负电荷，但此时两个摩擦层表面的正负电荷处于平衡状态，因此不存在摩擦电势差；在外界作用逐渐撤销的过程中，如图3(a)中iii所示，两个摩擦层逐渐分离，两个摩擦层表面形成摩擦电势差；直到如图3(a)中iv所示，恢复到原始状态，此时产生的摩擦电势差最大；随着外界作用力再一次施加在电子皮肤上，如图3(a)中的v所示，距离的减小会再一次改变两个摩擦层表面之间的摩擦电势差，直至完全接触，表面摩擦电势差变为0。如图3(b)所示，本公开的电子皮肤还可通过两个摩擦层的滑动摩擦来产生摩擦电势差，在滑动过程中，第二摩擦层与第一摩擦层相接触的区域摩擦电势差为0，而不相接触的第一摩擦层区与第二摩擦层之间存在摩擦电势差。

当荧光材料采用压电材料时，在机械力作用下，如图4所示，接触/分离摩擦或滑动摩擦过程引起的摩擦电势差的变化，及由于荧光材料变形引起的压电效应产生的压电势，致使荧光材料的导带和价带发生偏移，因此荧光材料内部能级跃迁，辐射出光子，使得荧光材料发光，以表征外界作用的分布及大小等特征。

需要说明的是，如果荧光材料采用压电材料，荧光材料发光是由摩擦电势差和压电势的共同作用下产生的，但对于不同类型的机械力，摩擦电势差和压电势所起作用的比重会发生变化。

上述传感器，可应用于电子皮肤，还可应用于仿生皮肤，用于将机械力的特性进行反馈，以实现通讯。

上述传感器，可应用于仿生交流通讯设备、可穿戴设备等，其中可穿戴设备例如为可穿戴手势识别手套。

以下通过具体实施例，对本公开提出的传感器及应用其的电子、仿生皮肤及仿生交流通讯设备进行详细描述。

实施例1

本实施例提出一种传感器，其作为电子皮肤/仿生皮肤的一个单元，多个构成电子皮肤/仿生皮肤。每个传感器包括基底层、两个摩擦层和一个间隔层，间隔层将上下两层摩擦层粘结在一起后置于基底层上，且间隔层仅与上下两层薄膜的部分相接触，以使两个摩擦层在机械力作用下能够相接触；间隔层的厚度约为2mm。

两个摩擦层中的其中之一为透光聚合物包裹荧光材料形成的复合物薄膜，另一为与上述透光聚合物摩擦极性序列相差较大，且呈正性的薄膜，该透光聚合物表面经纳米技术处理后设有微结构阵列修饰层；

该传感器在受到机械力作用下(压力、剪切力和拉伸力)，由于两个摩擦层存在的相差较大的摩擦极性序和形变，引起荧光材料周围的压电效应和感应效应，产生压电势和摩擦电势差，从而使得荧光材料表面的电势发生变化，实现机械能直接转换为光能，通过发光强度和光的分布情况最终得到所施应力强度信息和所施应力的分布情况。

在不同机械力(压力、剪切力和拉伸力)作用下，对本实施例中的传感器进行了信号测量。将此传感器应用于电子皮肤进行检测。

如图5(a)所示，为本实施例的电子皮肤，在受到65～875kpa之间不同大小的压力下，产生的光信号响应强度图，从图中可看出，压力越大，光信号响应强度越大，两者的相对应表示如图5(b)所示，从图5(b)中可以看出，本实施例的电子皮肤能够很好的检测得到压力的相对大小，灵敏度很高。

如图6(a)与图6(b)所示，分别为本实施例的电子皮肤，在受到延伸率在5％～40％之间、拉伸频率在1～8hz之间的拉伸力时，产生的光信号响应强度图，从图中可看出，拉伸力的延伸率和拉伸频率越大，电子皮肤表面的光信号响应强度越大。

如图7(a)与图7(b)所示，分别为本实施例的电子皮肤，在受到大小为5～80kpa、速率为0.5～8cm/s的剪切力时，产生的光信号响应强度图，从图中可以看出，剪切力的大小和速率越大，电子皮肤表面的光信号响应强度越大。

再者，如图8(a)所示，将s型压力施加于本实施例提出的电子皮肤，则电子皮肤表面的发光情况如图8(b)所示，可发现电子皮肤表面的发光区域压力的施加区相吻合，因此，通过观测电子皮肤表面的发光情况，即可准确的得到所施应力的分布及应力的大小。

本实施例中，荧光材料选择压电材料cus。

综上所述，本实施例提出的传感器及应用其的电子皮肤，采用摩擦极性序电负性材料与荧光材料的混合材料形成一个薄膜层，使存在摩擦电极序的另一摩擦层与之摩擦引起其表面电势变化及荧光材料形变引起的压电势，通过类似于电致发光的原理及压电光子学，致使荧光材料发光，通过发光区域及发光亮度即可表征外界机械应力的大小及分布，因此本实施例形成的传感器及电子皮肤，相对于传统的转换机制，制造工艺简单，在大大降低成本的同时仍能保持着传感器及电子皮肤的高检测灵敏度。

实施例2

如图9所示，本实施例采用实施例1中的传感器，应用于仿生皮肤，，提出一种仿生的交流通讯设备上，此设备通过预先编程的步进电机201对仿生肤202本身产生机械刺激后，光纤203将其自响应产生的光信号传递给光谱仪204，通过光谱仪204对光强度的实时监测，实现对所进行传递的信息的解码，用于实现自驱动可见光通讯和信息的传递。

从实施例1中可知，应力会引起荧光材料光子的辐射，因此通过一套应力编码的可见光通讯系统，在相同时间的连续剪切应力下，机械能持续转换成光能，这一情况下的光强度，我们定义为二进制逻辑信号“1”；同时，相同时间内若不对器件施加应力，也就是黑暗条件下，我们定义为二进制逻辑信号“0”。通过此类编码方式，如图10(a)所示，通过预先编程施加剪切应力，产生出一系列的二进制逻辑信号“010101……010101”、“100100……100100”、“011011……011011”。本实施例中二进制逻辑信号及其相对应的信息如图10(b)所示，逻辑信号为“010011000101001101001011010010010100111001000011010011110100110101001101010101010100111001001001010000110100000101010100010010010100111101001110”，其对应的信息为字母“lskincommunication”。

实施例3

本实施例将实施例1中的传感器应用到可穿戴设备上，如图11(a)所示，提出一种可穿戴手势识别手套，该手套通过将混合荧光材料和聚合物的浆料涂在手型模具表面，然后加热成型后脱模制得。

如图11(b)所示，可预先将信息通过不同的手势进行制定，如：手势i代表：前进；手势ii代表：后退；手势iii代表：趴下；手势iv代表：起立等，该些手势即使在黑夜的条件下也可通过手套的自发光进行识别，如图11(b)中v至viii所示。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。