[发明专利]一种多感官集成的电子皮肤及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器仿生技术领域，更具体地涉及一种电子皮肤，尤其是一种多感官集成的电子皮肤及其制造方法。

背景技术

仿生机器人的迅速发展获得了全世界的瞩目，越来越多的智能机器人被应用到日常生活和医疗护理中，引来了国内外的研究热潮。目前机器人已经具备独立行走、抓取等能力，并且配备了较为完善的视觉和听觉辅助系统。为了使机器人更加贴近真实人类，需要给机器人配备基本的感知器官。

对于进行复杂抓取工作的机器人，触觉传感器是不可缺少的。进行抓取动作时，要求机器人在能够抓紧但是不损坏物体的情况下进行操作。因此需要机器人感知机械手与目标物体相互作用时的物理特征量，获取目标物体的多种物理信息(接触力的大小、柔软性、硬度、弹性、粗糙度、形状等)。

过高的环境温度和接触物体温度会使电子皮肤内部的器件性能改变，导致电子皮肤加快老化、性能下降甚至是功能失灵，从而造成各种故障的产生，对电子皮肤造成损坏。因此需要机器人获取周围的环境温度和接触物体温度，在高温时进行自我调节和自我保护。

机器人在工作时会不可避免的和各种物体进行接触，为了保证机器人在和周围环境接触时能够做出合理的反应并且确保机器人工作时不对周围环境或接触物体造成破坏，因此需要机器人配备感知周围物体距离的能力，从而对周围环境做出很好的判断，实现避障。

目前，现有的电子皮肤研究重点大多集中在触觉的测量上，对环境感知信息获取不全面，没有办法完全替代人类皮肤。并且至今的研究成果中大多依赖于材料本身的弹性进行力的传递，对材料要求太高且效果并非十分良好。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种多感官集成的电子皮肤，以解决电子皮肤感知功能不完善和测力不精准的问题。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种多感官集成的电子皮肤，包括至少一个电子感官单元，所述电子感官单元包括栅电极1、有源半导体层2、源电极3、弹性绝缘层6和漏电极7，其中所述弹性绝缘层6位于所述栅电极1和有源半导体层2之间，所述源电极3和漏电极7对称的分布在有源半导体层2下方，构成一绝缘层厚度可变的有源场效应晶体管。

其中，所述电子感官单元中还包括具有负温度系数的热敏电阻层4和具有正温度系数的热敏电阻层5，并肩位于所述源电极3和漏电极7下方，中间有柔性基底9相隔，所述的两个热敏电阻层4、5通过通孔8与所述漏电极7电连接，构成所述有源场效应晶体管的偏置电阻；以及

两个热敏电阻层4、5的热敏效应互相抵消，整体保持零温度系数。

其中，所述两个热敏电阻层4、5以聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺为基体相，导电相分散到所述基体相中，通过旋涂和刻蚀方法制备而成；以及通过调节掺杂导电相的质量分数来改变所述两个热敏电阻层4、5的温敏特性，当掺杂浓度低时呈正温度系数，提高掺杂浓度到一临界值后呈负温度系数。

其中，所述弹性绝缘层6上均匀分布高密度、有弹性的倒锥形微针结构，用于提高器件的灵敏度及减少器件的迟滞时间。

其中，所述电子皮肤中包括多个所述的电子感官单元，以及通过相邻的所述电子感官单元的栅电极1组成测距模块。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种多感官集成电子皮肤的制造方法，包括下列步骤：

在模具上用预聚物形成绝缘层6；

在所述绝缘层6上用导电金属制成栅电极1；

在所述栅电极1上旋涂预聚物薄膜作为电极保护层，加热固化成型；

将制作好的薄膜从模具上剥离，得到顶层柔性基底层；

在刚性载体上旋涂预聚物薄膜，加热固化形成底层柔性基底；

将导电颗粒均匀分散到预聚物中，调节添加导电颗粒的质量分数，制作温度特性完全相反的柔性热敏材料；

使用上述制备的温度特性完全相反的柔性热敏材料，在所述底层柔性基底上并排形成具有负温度系数的热敏电阻层4和具有正温度系数的热敏电阻层5；

在所述底层柔性基底上旋涂预聚物薄膜，加热固化后在相应位置刻蚀出通孔8，在通孔8中沉积导电金属，从而使所述热敏电阻层4、5与后续形成的漏电极7形成电连接；

在所述热敏电阻层4、5上方用导电金属形成源电极3和漏电极7；

在所述底层柔性基底上形成有源半导体层2；

将所述顶层柔性基底层和所述底层柔性基底层键合；

将所述键合的柔性材料从所述刚性载体上剥离。

其中，所述预聚物为聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺的预聚物。