電子皮膚課件

我們畢業(yè)啦其實是答辯的標(biāo)題地方一種新型電子皮膚的研究小組成員符慶豐，林坤鵬，賀正義，楊浩田010203研究背景與意義基本結(jié)構(gòu)及原理性能表征04產(chǎn)品應(yīng)用010203研究背景與意義基本結(jié)構(gòu)及原理性能表征04產(chǎn)品應(yīng)用01研究背景與意義生物皮膚與電子皮膚生物皮膚不同類型的壓力（硬度）溫度與熱量空氣及水流痛覺等（保護作用）電子皮膚首先具備生物皮膚現(xiàn)有的功能甚至具有生物皮膚不具備的功能：如感受聲波，超聲波，測量血壓，心跳等更加先進的功能。表皮真皮傳感器1.1

定義01研究背景與意義19741.2

發(fā)展歷史19852000Organictransistore-nose2004200820102012201301研究背景與意義電子皮膚：讓燒傷病人不用忍受切膚之痛皮膚作為人體最大的器官，其重要性不言而喻。對燒傷病人和肢體殘疾人士來說，皮膚的不可修復(fù)性損壞給他們帶來了身心傷害。而電子皮膚，能夠幫助他們重獲皮膚功能。1.3

研究意義01研究背景與意義電子皮膚：讓機器人更智能現(xiàn)有電子皮膚技術(shù)使機器人和機械假肢能夠抓住和操作物體，識別表面紋理和硬度，感受物體的溫度狀況。然而在此之前電子皮膚可以同時非常靈敏地探測熱量和不同類型的壓力是很難實現(xiàn)的。1.3

研究意義01研究背景與意義電子皮膚：讓生活更美好1.3

研究意義2.1設(shè)計難點2.2設(shè)計準(zhǔn)則2.3電子皮膚基本結(jié)構(gòu)2.4電子皮膚工作原理2.5電子皮膚新型平板電容壓力傳感器2.5.1新型平板電容壓力傳感器工作原理2.5.2新型平板電容壓力傳感器基本結(jié)構(gòu)2.6電子皮膚新型聲表面波壓力傳感器2.6.1新型聲表面波壓力傳感器工作原理2.6.2新型聲表面波壓力傳感器基本結(jié)構(gòu)2.7電子皮膚應(yīng)用實例

02基本結(jié)構(gòu)及原理02基本結(jié)構(gòu)及原理2.2設(shè)計準(zhǔn)則

適應(yīng)性

電子皮膚能夠應(yīng)用于任意表面

順應(yīng)性電子皮膚應(yīng)具有軟表面測量范圍和靈敏度測量范圍可根據(jù)實際使用條件調(diào)節(jié)

安裝空間系統(tǒng)所占空間越小越好

覆蓋面積電子皮膚所能覆蓋的面積越大越好

重量電子皮膚應(yīng)輕量化

能耗電子皮膚應(yīng)能耗低

尺寸單個傳感單元尺寸越小越好

韌性韌性好、耐用

可制造性易于制作、成本低電子皮膚的設(shè)計準(zhǔn)則02基本結(jié)構(gòu)及原理電子皮膚：由三維界面應(yīng)力檢測單元、局部點微應(yīng)力檢測單元和外圍電路組成。三維界面應(yīng)力檢測單元由新型平板電容壓力傳感器組成，用于實時檢測三維界面應(yīng)力的大小，包括與界面垂直的向正應(yīng)力和與界面相切的向剪應(yīng)力和向剪應(yīng)力。微應(yīng)力檢測單元由新型聲表面波壓力傳感器組成，用于檢測局部點的微應(yīng)力大小。電子皮膚基本結(jié)構(gòu)2.3電子皮膚

基本結(jié)構(gòu)02基本結(jié)構(gòu)及原理工作原理：新型平板電容傳感器相互連接組成傳感器陣列，將新型聲表面波壓力傳感器嵌入到需要檢測微壓力的指定點，然后將傳感器陣列與外圍電路相連，組成完整的電子皮膚。電子皮膚能夠?qū)崟r檢測各個傳感器單元處的三維界面應(yīng)力大小和指定點的微應(yīng)力大小，將各個點的檢測數(shù)據(jù)輸出到外圍電路，以達到實時檢測作用于電子皮膚的界面應(yīng)力分布的目的。2.4電子皮膚工作原理02基本結(jié)構(gòu)及原理2.5電子皮膚新型平板電容壓力傳感器2.5.1平板電容壓力傳感器工作原理平板電容的電容大小與電極的面積成正比，與電極間的距離成反比。當(dāng)改變電極之間的面積或者距離時，會引起輸出電容發(fā)生改變?；谄桨咫娙莸膫鞲衅髡抢酶淖兤桨咫姌O間的面積或距離，引起輸出電容的改變來測定被測對象發(fā)生的變化的。電子皮膚界面應(yīng)力傳感器采用平板電容傳感器。02基本結(jié)構(gòu)及原理2.5.2新型平板電容壓力傳感器基本結(jié)構(gòu)電子皮膚新型平板電容壓力傳感器采用傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計：表層，中間層和底層，如左圖所示。在表層耦合驅(qū)動電極，底層耦合感應(yīng)電極，中間層采用超彈塑性材料。當(dāng)傳感器表層加載力時，中間層的彈塑性材料發(fā)生應(yīng)變，從而引起驅(qū)動電極和感應(yīng)電極之間的距離和面積發(fā)生變化，根據(jù)輸出電容的變化，達到檢測加載的壓力大小的目的。新型平板電容壓力傳感器基本結(jié)構(gòu)圖02基本結(jié)構(gòu)及原理2.6電子皮膚應(yīng)用實例新型聲表面波壓力傳感器采用延遲線結(jié)構(gòu)，由壓電襯底、輸入叉指換能器、輸出叉指換能器和外圍電路構(gòu)成。壓電襯底釆用懸臂梁結(jié)構(gòu)，即一端固定，另一端加載微壓力。輸入叉指換能器激勵出聲表面波，經(jīng)過壓電襯底傳播到輸出叉指換能器，輸出叉指換能器將接收到的聲表面波還原成電信號，與放大器相連，輸出頻率信號。當(dāng)微壓力加載于懸臂梁一端時，懸臂梁發(fā)生應(yīng)變，使得聲表面波的傳播路徑發(fā)生改變，從而引起輸出頻率發(fā)生變化，利用輸出頻率的變化可以檢測加載于懸臂梁的微壓力。2.6.2新型聲表面波壓力傳感器工作原理02基本結(jié)構(gòu)及原理“觸動”腦神經(jīng)的電子皮膚工作原理示意圖2.7電子皮膚應(yīng)用實例010203研究背景與意義基本結(jié)構(gòu)及原理性能表征04產(chǎn)品應(yīng)用03電子皮膚的性能測試

為了使電子皮膚盡可能達到與真實皮膚的性能相接近，需要根據(jù)不同部位皮膚的性能進行單獨設(shè)計，以手部皮膚為例，分別測試電子皮膚對外界作用力、溫度和濕度的感應(yīng)，來確定是否達到使用性能。不同運動下皮膚的應(yīng)變程度檢測由實驗得知手部運動時皮膚應(yīng)變范圍在4%至16%3.2電子皮膚對外加作用力的測試

在0%到30%的應(yīng)變作用下，S1到S6的曲率分別為0、1.94、4.74、7.4、9.75和10mm-1。檢測了其變化范圍。由圖中可知，隨著曲率的增加，對外加應(yīng)變的反應(yīng)越不明顯，敏感度降低，抗拉力作用升高。在外加應(yīng)變和循環(huán)拉伸作用下不同曲率的變化程度電子皮膚在不同部位作用的性能測試

綜上所知，電子皮膚對外加作用力的反應(yīng)與實際實驗所得結(jié)論大致符合，S1傳感器適合彈性較小，敏感度高的部位，如手背；S3傳感器有一定的敏感度和彈性，適用于手背和膝關(guān)節(jié)皮膚；S6傳感器彈性較好，適合于手腕皮膚。3.3電子皮膚對溫度的感應(yīng)電子皮膚的保溫和加熱效應(yīng)測試在拉伸作用下測試其溫度效應(yīng)3.4電子皮膚對濕度的感應(yīng)由圖中可以看出，在水滴親潤較多的區(qū)域濕度逐漸增大010203研究背景與意義基本結(jié)構(gòu)及原理性能表征04產(chǎn)品應(yīng)用04產(chǎn)品應(yīng)用假肢制造：2010年末我國殘疾人總數(shù)：8502萬，占總?cè)丝诘?.3%，其中肢體殘疾2472萬，占殘疾人比例的三成。絕大多數(shù)截肢者靠假肢活動，假肢的質(zhì)量很大程度影響他們的生活質(zhì)量。04產(chǎn)品應(yīng)用電子皮膚的功能不局限于感受壓力，它內(nèi)置了超薄、單晶硅納米帶，上面布有傳感器整列，包括壓力傳感器，溫度傳感器，濕度傳感器，應(yīng)變傳感器，組熱加熱器等其他神經(jīng)刺激傳感器。電子皮膚能夠?qū)ν獠看碳ぷ龀隹焖俜磻?yīng)，更加接近人體真實皮膚對外部世界反應(yīng)時間，從而大大方便殘疾人的生活。04產(chǎn)品應(yīng)用智能穿戴設(shè)備：電子皮膚通過靜電貼在皮膚上后，能夠通過實時監(jiān)測脈搏、心跳、體溫、肌肉群震動等人體健康生理指標(biāo)，對人體健康數(shù)據(jù)變化及時做出反饋，實現(xiàn)疾病的前期預(yù)防和診斷。更令人稱道的是，這款電子皮膚還設(shè)計了一個藥物接口，可以根據(jù)人體實時數(shù)據(jù)和健康狀況，將藥物直接通過電子皮膚釋放到人體內(nèi)，更快速有效完成治療過程。04產(chǎn)品應(yīng)用

電子皮膚可具有顯示的功能，顯示屏可以粘附到人身上，顯示各種生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，如心率或血氧水平，甚至也可以顯示表情和壓力水平。除了無需隨身攜帶設(shè)備外，這一技術(shù)還能增強我們與周圍世界交互的方式，或增添一個全新的溝通渠道。有朝一日，人們將能在衣袖上顯示自己的心情，甚至是狀態(tài)更新。04產(chǎn)品應(yīng)用智能機器人的研發(fā)：電子皮膚可以使機器人擁有和人類、動物一樣的觸覺，使其更加人性化，智能化。電子皮膚包含數(shù)百個獨立的傳感器，借助傳感器收集的信息，機器人可以利用所謂的“觸覺“來控制走向，識別周圍的情況，找出最佳