双模态传感器及其制备方法和信号检测电路与解耦算法

本发明属于传感器，具体涉及一种可以同时检测触摸位置与压力的双模态传感器及其制备方法和信号检测电路与解耦算法。

背景技术：

1、皮肤是人体表面积最大的器官，它具有同时感知外界刺激位置与大小的功能，随着电子科学、材料科学、计算机科学的协同合作，柔性可穿戴设备受到了广泛关注和飞跃发展，其通过将压力信息或位置信息等传感信息转化为电信号在一定程度上复现了皮肤对外界刺激的感知能力；同时，压力与位置信息也是人机交互、智能操控中十分常用的两种信号。传统的柔性传感器已经能够满足对压力或位置信息的单个信号的感知，但单个信号的传感不能全面地还原皮肤对外界刺激的响应，在人机交互应用中也局限了其可操作性、交互能力。

2、目前，同时获取压力大小和位置信息的主要方式有：独立采集每个位置的压力信号、行列矩阵电路快速扫描不同交叉点处的压力信号等，但这些双模态传感器的设计方法存在检测电路复杂难以大面积制备、集成化难度大、不同位置信号间存在串扰等问题。如何有机地同时高精度稳定地获取两种传感信号，简化压力与位置信息双模态传感器结构，满足更丰富、更多维度的人机交互操作需求是柔性传感器发展亟需解决的重要问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了双模态传感器及其制备方法和信号检测电路与解耦算法，可以同时检测触摸位置与压力，解决了上述背景技术中的问题。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种双模态传感器，包括低阻导电条带、压力传感层、触摸定位层和空气间隔层；所述低阻导电条带连接有输入电极，所述触摸定位层连接有至少两个输出电极，所述输出电极分布于所述触摸定位层的两端；所述压力传感层设置于低阻导电条带与触摸定位层之间，且压力传感层的一侧表面与低阻导电条带或触摸定位层之一贴附，另一侧表面通过所述空气间隔层与触摸定位层或低阻导电条带形成间隔；当低阻导电条带或触摸定位层受到压力时，受压处的压力传感层穿过空气间隔层与触摸定位层或低阻导电条带产生接触，输入电极与输出电极间形成导电通路。

3、在本发明一较佳实施例中，所述低阻导电条带包括上层柔性薄膜，所述上层柔性薄膜附着有低阻导电材料，所述输入电极与低阻导电材料连接。

4、在本发明一较佳实施例中，所述压力传感层包括聚氨酯网格泡沫，所述聚氨酯网格泡沫的孔洞结构上填充附着有导电敏感材料。

5、在本发明一较佳实施例中，所述触摸定位层包括下层柔性薄膜，所述下层柔性薄膜附着有导电敏感材料，所述输出电极与导电敏感材料连接。

6、在本发明一较佳实施例中，所述导电敏感材料由基础导电敏感材料与甲基纤维素混合制成，所述基础导电敏感材料包括碳纳米管、石墨粉或石墨烯分散液；所述低阻导电材料包括银胶。

7、在本发明一较佳实施例中，所述上层柔性薄膜、下层柔性薄膜采用的柔性基材包括聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚二甲基硅氧烷薄膜或聚酰亚胺薄膜。

8、本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：提供了一种双模态传感器的制备方法，包括如下步骤：

9、1)将基础导电敏感材料与甲基纤维素以质量比200：1-2000：1搅拌混合，得到导电敏感材料；将导电敏感材料涂覆在平滑的柔性基材上，得到触摸定位层；

10、2)将导电敏感材料浸涂在具有多孔网格结构的柔性基材上，得到压力传感层；

11、3)在柔性基材表面用银胶笔画出银线，晾干凝固得到低阻导电条带；

12、4)将低阻导电条带、压力传感层、触摸定位层依次叠层；其中，低阻导电条带附有银线的一侧与压力传感层贴合；触摸定位层附有导电敏感材料的一侧朝向压力传感层，二者间通过绝缘垫片连接并形成空气间隔层；

13、5)在低阻导电条带的银线、触摸定位层两端的导电敏感材料上通过分别引出输入电极和两个输出电极。

14、在本发明一较佳实施例中，步骤1具体为：

15、1-1)将基础导电敏感材料与甲基纤维素以质量比200：1-2000：1搅拌混合；甲基纤维素与基础敏感材料混合是为了提高导电敏感材料的机械稳定性；

16、1-2)将经1-1)得到的混合物与去离子水以体积比1：10-1：1搅拌混合；

17、1-3)用激光雕刻机将柔性薄膜切割为长宽比2：1-20：1的矩形条，激光管功率5-20w，切割速度10-30毫米每秒；

18、1-4)将1-2)得到的混合物取2-20克倒在1-3)得到的矩形条上，用涂布器将混合物均匀涂覆在矩形条表面，涂布厚度为20-200微米，回收多余的混合物；

19、1-5)将1-4)得到的涂覆有1-2)得到的混合物的矩形条放入烘箱中处理，处理温度为40-60摄氏度，处理时间为40-80分钟；经过此处理得到表面涂覆有导电敏感材料的柔性薄膜，即表面涂覆有导电敏感材料的平滑的柔性基材。

20、在本发明一较佳实施例中，步骤2具体为：

21、2-1)用激光雕刻机将聚氨酯网格泡沫切割为长宽比2：1-20：1的矩形条，聚氨酯网格泡沫厚度为1-10毫米，激光管功率15-30w，切割速度10-30毫米每秒；

22、2-2)将1-2)得到的混合物取80-180克倒入100毫升或200毫升烧杯中，将2-1)得到的聚氨酯网格泡沫矩形条完全浸入装有混合烧杯中，浸泡时间为15-40分钟；

23、2-3)将2-2)得到的浸有混合物的聚氨酯网格泡沫矩形条放入烘箱中处理，处理温度为50-70度，处理时间为4小时到7小时,经过此处理得到浸涂有导电敏感材料的聚氨酯网格泡沫，即浸涂有导电敏感材料的具有多孔网格结构的柔性基材上。

24、在本发明一较佳实施例中，步骤3具体为：

25、在1-3)得到的另一矩形条上用银胶笔画出一条与矩形条等长，宽2-5毫米的银线，自然晾干10-20分钟，使银胶凝固，即可得到低阻导电条带。

26、在本发明一较佳实施例中，步骤4具体为：

27、4-1)在1-5)得到的表面涂覆有导电敏感材料的柔性薄膜长边两侧距端口0.2-0.5厘米处粘贴长度为0.4-1.0厘米，宽度为0.5-3.0毫米、厚度为0.3-1.5毫米的绝缘双面胶带或绝缘垫片；

28、4-2)将2-3)得到的浸涂有导电敏感材料的聚氨酯网格泡沫对齐放置在经3-1)得到的两侧粘贴有胶带的柔性薄膜上；

29、4-3)用绝缘双面胶带在4-2)得到的浸涂有导电敏感材料的聚氨酯网格泡沫上层贴上4-1)得到的低阻导电条带。

30、在本发明一较佳实施例中，所述低阻导电材料或导电敏感材料由导电粘剂与导线引出至输入电极或输出电极。导电粘剂包括导电胶带、导电铜箔、导电银胶。步骤5具体为：

31、5-1)用导电粘剂在涂覆有导电敏感材料的柔性薄膜两端引出导线，作为两个检出电极；

32、5-2)在低阻导电条带一端用导电粘剂引出导线，作为供能输入电极，即形成同时检测和解耦压力大小和位置信息的双模柔性传感器。

33、在静止状态下，粘附导电敏感材料的柔性基材与聚氨酯网格泡沫被绝缘双面胶带隔离，不产生接触；在按压状态下，粘附导电敏感材料的柔性基材与聚氨酯网格泡沫在按压处接触，形成导电通路。

34、本发明解决其技术问题所采用的技术方案之三是：提供了一种双模态传感器信号检测电路与解耦算法，采用上述的双模态传感器，并建构传感信号检测电路和传感器信号解耦模型，通过检测目标电流或电压获取压力和位置信息。

35、在本发明一较佳实施例中，当检测信号为电流信号时：

36、所述传感信号检测电路中输入电极接直流恒压源，左侧的输出电极接电流检测模块，右侧的输出电极接电流检测模块；直流恒压源、左路电流检测模块、右路电流检测模块除与传感器电极相连的另一端共同接地；

37、解耦算法将采集到的电流数据导入计算方程中，结合传感器自身参数，解耦得到表征压力的电参数与位置信息的电参数，基于电流的压力与位置信息计算方程为：

38、

39、最终得到基于电流信号的压力与位置信息表达式:

40、

41、其中，i1为左路检测电流，i2为右路检测电流，u0为输入恒压源电压，rc为触摸定位层悬空时两个输出电极间电阻值，r1为压力传感层与触摸定位层导通处左侧部分触摸定位层分流电阻值，r2为压力传感层与触摸定位层导通处右侧部分触摸定位层分流电阻值，uf为压力传感层与触摸定位层导通处电压值，u0为恒压源输入电压值，rf为压力传感层导通部分电阻值。

42、在本发明一较佳实施例中，当检测信号为电压信号时：

43、所述传感信号检测电路中输入电极接直流恒压源；左侧和右侧的输出电极分别接负载电阻，在负载电阻两端并联电压检测模块；直流恒压源、负载电阻除与传感器电极相连的另一端共同接到地；

44、解耦算法将采集到的电压数据导入计算方程中，结合传感器自身参数，解耦得到表征压力的电参数与位置信息的电参数，基于电压的压力与位置信息计算方程为：

45、

46、最终得到基于电压信号的压力与位置信息表达式:

47、

48、其中，re为负载电阻阻值，u1为左路负载电阻分压，u2为右路负载电阻分压，u0为输入恒压源电压，rc为触摸定位层悬空时两个输出电极间的电阻值，r1为压力传感层与触摸定位层导通处左侧部分触摸定位层分流电阻值，r2为压力传感层与触摸定位层导通处右侧部分触摸定位层分流电阻值，uf为压力传感层与触摸定位层导通处电压值，u0为恒压源输入电压值，rf为压力传感层导通部分电阻值。

49、本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

50、1)本发明的双模态传感器相较于单模态传感器而言，具有同时检测压力和位置信息两种信号的能力，具备结构稳定简单、可定制化、传感性能好、制备工艺简单等特点；

51、2)该双模态传感器可检测高达300kpa的压力，且具有优秀的灵敏度；

52、3)该双模态传感器独创了传感器信号解耦模型，基于传感器受力在各传感层间产生两路导电通路，压力大小不同、受力位置不同都会改变两路通路电信号值，比较两路电信号值强度、比例可以准确识别压力大小与受力位置；

53、4)该双模态传感器可以贴附在人体皮肤或其他任意表面，检测对物体表面不同位置压力刺激，也可用于人机交互场景，充分发挥二维信号协同优势，为传感目标提供丰富交互指令；

54、5)该双模态传感器在电子皮肤、人机交互、特征刻画、辅助决策等领域具有广泛应用。