一种兼顾型触觉传感器、电子皮肤、脉象检测设备制造技术

本实用新型专利技术涉及一种兼顾型触觉传感器、电子皮肤、脉象检测设备，其中传感器阵列包括第一传感器单元及第二传感器单元；每个第一传感器单元设有球形或椭球形的第一柔性多功能层，每个第二传感器单元设有条形的第二柔性多功能层，每个柔性多功能层的内部设有曲面弹性的上层电极，上层电极的下方设有下层电极，上层电极与下层电极之间设置绝缘层，上层电极与下层电极之间形成不同的电容来反映力在不同方向上的分量；在第一传感器单元中，其上层电极与下层电极中至少有一者的数量是至少三个；在第二传感器单元中，其上层电极与下层电极中至少一者的数量设置为至少两个，该者的各个电极分布于第二柔性多功能层的长条两侧。分布于第二柔性多功能层的长条两侧。分布于第二柔性多功能层的长条两侧。

【技术实现步骤摘要】
一种兼顾型触觉传感器、电子皮肤、脉象检测设备


[0001]本技术涉及触觉传感技术，尤其涉及一种兼顾三维力以及通道数量的触觉传感器，还涉及使用该触觉传感器构成的电子皮肤、脉象传感器或脉象检测设备。

技术介绍

[0002]望闻问切中的切(诊脉)是中医诊断客观化的关键难点，脉象诊断客观化和标准化对中医的传承和发展至关重要，而脉象传感器技术是脉象诊断的卡脖子技术。中医的诊脉是靠中医的手指感知患者手腕处尤其是关、寸、尺处的动脉的脉象变化，分为二十八种脉象，其中脉象变化可以归结为感知手腕处尤其是关、寸、尺处的动脉的血压变化信息。
[0003]脉象传感器的技术发展可以分为三个阶段：1.20世纪70年代至80年代出现单点刚性面压力传感器单头式传感器，但单探头脉象仪不能同时对寸、关、尺三部的脉搏信息进行采集，且存在需要反复尝试寻找对准关脉的问题，此外，单点刚性面压力传感器在仿生学上与人体触觉不符，采集到的脉搏信息较为单一；2.20世纪末出现能同时采集寸、关、尺三部脉搏信息又能单独采集寸、关、尺三部中单部脉搏信息的三头式传感器，并设计了手动垂直调节螺杆和手动径向调节螺杆来实现传感器在桡动脉径向和垂直方向的位移；3.21世纪以来，脉象仪的研制主要围绕以下3点：
①
设计普通阵列式压力传感器来对脉搏信息进行多点式采集；
②
设计在仿生学方面能够模仿人体触觉的柔性阵列式压力传感器；
③
构建压力传感器与光电式传感器、传声器等非接触型传感器协同采集脉搏信息的复合采集模式。
[0004]目前的脉象传感器技术中，存在的缺陷之一就是所使用的电子皮肤，尤其是其中的传感器的压力灵敏度不高，检测能力远低于中医专家人手(男性指尖的法向压力阈值平均为0.055g，女性的相应值为0.019g)。此外，由于感知系统需要大面积覆盖具有大量传感器的仿生皮肤，因此，传感器还需要符合小型化、低功耗、便于形成传感器阵列的要求。
[0005]另一方面，对于压力的检测，目前按传感原理划分，主要分为电阻式、电容式、光电式、压电式、电感式、微机电式和复合式(两种或两种以上原理复合)。其中大部分处在实验室研究阶段，还没有成熟到实用阶段，而较多的趋向是电阻式、电容式和阻容复合式，其中以电容式或阻容复合式触摸传感器最具发展前景。
[0006]电容式检测相关技术中，塔夫斯学院与麻省理工在专利CN201980023078.6中提出一个或多个电阻、压电或电容元件构建传感器阵列，由传感器阵列检测心跳周期期间动脉几何结构和力的变化；威里利生命科学有限责任公司在专利CN201880008077.X中提出触觉传感器阵列包括多个电容传感器以检测由于血流引起的手指的指动脉内的压力变化，其中该压力变化引起该触觉传感器阵列的一个或多个电容传感器的电容值的变化，该控制电路耦接到该触觉传感器阵列以从该触觉传感器阵列接收电容值，并基于该电容值确定血压；苹果公司在CN201680043825.9中提出配置测量佩戴腕戴式设备的用户的血压的电容性节点，用于测量平均动脉压的方法。上述的电容式传感器阵列，普遍存在压力传感器刚性、长期佩戴不舒适的问题，且压力传感器也难以达到类似人手的压力分辨率。
[0007]专利CN201920633712.5公开的柔性电容式三维力矢量传感器结构，通过多功能层
的上层电极以及下方设置的下层电极阵列，能够实现接触觉(当感知系统即将或刚刚接触外部物体时，应能对即将或刚刚接触的外部物体进行大致的分类并判断即将接近的外部物体的速度和距离)、感知三维力大小以及方向(XYZ)的功能要求，同时兼顾高灵敏和宽检测范围的要求以及柔性接触。测试中传感器单元能够达到0.01克法向力(压力方向、Z向)分辨率，超越中医专家手指的压力分辨能力(0.019克)，可以说在脉象传感器技术的触觉传感器的构建中具备先天优势。但采用专利CN201920633712.5的柔性电容式三维力矢量传感器结构在构建传感器阵列时，但也极大地带来电极采样通道数的增加所导致的芯片通道的分配压力以及成本的提升。
[0008]因此，如何在实现XYZ三维力分辨的前提下，兼顾构建传感器阵列时的通道的分配压力，是本专利提案所要解决的问题。

技术实现思路

[0009]本技术的目的提出一种触觉传感器结构，适于诊脉中的关、寸、尺对准，同时，能够实现XYZ三维力的高分辨，并且能够兼顾传感器阵列的采样通道的分配压力。
[0010]为此，提供一种兼顾型触觉传感器，包括传感器阵列，所述传感器阵列包括有至少一个第一传感器单元以及至少一个第二传感器单元；每个所述第一传感器单元均设有球形或椭球形的第一柔性多功能层，每个所述第二传感器单元均设有条形的第二柔性多功能层，每个柔性多功能层的内部均设置有与多功能层电连接的上层电极，上层电极为曲面弹性电极，上层电极的下方设置有下层电极，上层电极与下层电极之间设置绝缘层且上层电极向下的投影至少覆盖每个下层电极的部分面积，上层电极与下层电极之间形成不同的电容来反映力在不同方向上的分量，柔性多功能层受外力形变带动上层电极改变与绝缘层的接触面积；在第一传感器单元中，其上层电极与下层电极中至少有一者的数量是至少三个；在第二传感器单元中，其上层电极与下层电极中至少一者的数量设置为至少两个，该者的各个电极分布于第二柔性多功能层的长条两侧，第二柔性多功能层在其条形的径向上受力形变能够带动上层电极改变与绝缘层的接触面积。
[0011]本技术中，第一传感器单元的电极矩阵由至少三个构成，柔性多功能层的形变以及上下电极形成不同的电容来反映力在不同方向上的分量，可以达到XYZ方向的高分辨率；第二传感器单元的电极矩阵由至少两个构成以获得Z方向的高分辨率。通过分别设置第一传感器单元、第二传感器单元构成的传感器阵列，一方面阵列中每个节点都具备Z方向分辨能力，便于对寸关尺的对准以及压力检测，另一方面第二传感器单元的电极矩阵数量最低由四个降低至两个，整个阵列所需的通道数量得到极大降低，成本可控，同时可以依靠第一传感器单元获取XY向信息进行补充，因此，在达到XYZ三维力的高分辨的同时，兼顾传感器阵列的采样通道的分配压力。
[0012]人体动脉为管状结构，血液在动脉中的流动是周期性的，以血液流动方向为X向，压力变化反映为心脏泵血时血液在动脉管壁引起的Z向(法向)凸起信息，X向可以反映血液流动的方向类信息，Y向可以反映血管的粗细厚薄。对于血压检测而言，压力变化的信息更为重要，流动方向、血管的粗细厚薄作为辅助信息。人体血流速度<20mm/s，在采用上述触觉传感器结构的基础上，配合芯片转换速率0.5ms以上的高转换速率芯片对各电极进行电容值采集，则20/2000＝0.01mm/ms，换言之，能够达到0.01克法向力(Z向)分辨率，超越中医专
家手指的压力分辨能力，以及实现XY向上的分辨率。其中，高转换速率芯片例如可以采用R
‑
SpiNNaker芯片，能够达到24位高速CDC，有效分辨率21.9位，转换时间0.5ms，可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼顾型触觉传感器，其特征在于：包括传感器阵列，所述传感器阵列包括有至少一个第一传感器单元以及至少一个第二传感器单元；每个所述第一传感器单元均设有球形或椭球形的第一柔性多功能层，每个所述第二传感器单元均设有条形的第二柔性多功能层，每个柔性多功能层的内部均设置有与多功能层电连接的上层电极，上层电极为曲面弹性电极，上层电极的下方设置有下层电极，上层电极与下层电极之间设置绝缘层且上层电极向下的投影至少覆盖每个下层电极的部分面积，上层电极与下层电极之间形成不同的电容来反映力在不同方向上的分量，柔性多功能层受外力形变带动上层电极改变与绝缘层的接触面积；在第一传感器单元中，其上层电极与下层电极中至少有一者的数量是至少三个；在第二传感器单元中，其上层电极与下层电极中至少一者的数量设置为至少两个，该者的各个电极分布于第二柔性多功能层的长条两侧，第二柔性多功能层在其条形的径向上受力形变能够带动上层电极改变与绝缘层的接触面积。2.根据权利要求1所述的兼顾型触觉传感器，其特征在于：阵列中每行每列的第一传感器单元与第二传感器单元均交替设置；或者至少两个第一传感器单元沿第二传感器单元的条形方向排布形成第一传感器单元组，阵列中每行每列的第一传感器单元组与第二传感器单元均交替设置。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙滕谌，曾凡佑，王凯，
申请(专利权)人：北京他山科技有限公司，
类型：新型
国别省市：