(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度検知ユニットと、前記温度検知ユニットに設けられた熱伝導ユニットと、前記温度検知ユニット及び前記熱伝導ユニットを一体的にパッケージしたパッケージ層とを備え、
前記温度検知ユニットは、可撓性基板と、下から上へ順次前記可撓性基板に堆積された、絶縁層、遷移層、複数の薄膜熱電スタック、及び、断熱保護層を含み、
前記熱伝導ユニットは、それぞれ前記薄膜熱電スタックの熱伝導エリアに固定されており、前記断熱保護層及び前記パッケージ層の外に延びた複数の熱伝導ファイバを含むことを特徴とする温度検知ベースの可撓性電子皮膚。
【請求項２】
前記絶縁層は、前記可撓性基板に堆積された熱絶縁層と、前記熱絶縁層に堆積された電気絶縁層とを含むことを特徴とする請求項１に記載の温度検知ベースの可撓性電子皮膚。
【請求項３】
各前記薄膜熱電スタックは、複数組の薄膜熱電対が直列接続されて形成された環状構造となっており、前記熱伝導エリアは、前記環状構造内に位置していることを特徴とする請求項１に記載の温度検知ベースの可撓性電子皮膚。
【請求項４】
前記熱伝導ファイバは、高熱伝導の炭素繊維、黒鉛繊維、金属または高分子材料から製造された糸状物であることを特徴とする請求項１に記載の温度検知ベースの可撓性電子皮膚。
【請求項５】
前記熱伝導ファイバは、熱伝導接着層を介して前記熱伝導エリアに固定されていることを特徴とする請求項１又は４に記載の温度検知ベースの可撓性電子皮膚。
【請求項６】
可撓性基板を用意し、前記可撓性基板に下から上へ順次絶縁層と遷移層とを堆積させ、前記遷移層に間隔をおいて複数の薄膜熱電スタックを堆積させ、複数の熱伝導ファイバを用意し、各薄膜熱電スタックの熱伝導エリアに熱伝導ファイバを固定し、前記遷移層に各薄膜熱電スタックをパッケージするための断熱保護層を堆積し、各前記熱伝導ファイバを前記断熱保護層外に延ばすことによって、温度検知ユニット及び熱伝導ユニットを製造する工程と、
前記温度検知ユニット及び前記熱伝導ユニットを一体的にパッケージし、且つ各前記熱伝導ファイバを、パッケージ体外に延ばすようにした、パッケージ工程とを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の温度検知ベースの可撓性電子皮膚の製造方法。
【請求項７】
前記可撓性基板の材料は、ポリイミド、ポリビニルアルコールフィルムまたはポリエステルフィルムであることを特徴とする請求項６に記載の可撓性電子皮膚の製造方法。
【請求項８】
前記絶縁層は、前記可撓性基板に堆積された熱絶縁層、及び前記熱絶縁層に堆積された電気絶縁層を含み、前記熱絶縁層は、多孔シリコン層または酸化イットリウムとジルコニアから構成された熱バリアコーティングであり、前記電気絶縁層は、ＳｉＯ2層であることを特徴とする請求項６に記載の可撓性電子皮膚の製造方法。
【請求項９】
前記薄膜熱電スタックは、複数組の薄膜熱電対が直列接続されて形成されたものであり、前記薄膜熱電スタックは、Ｔ型、Ｓ型、Ｂ型、Ｅ型、Ｒ型またはＫ型熱電対であることを特徴とする請求項６に記載の可撓性電子皮膚の製造方法。
【請求項１０】
前記熱伝導ファイバは、高熱伝導の炭素繊維、黒鉛繊維、金属または高分子材料から製造された糸状物であることを特徴とする請求項６に記載の可撓性電子皮膚の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可撓性センサ技術分野に関し、特にファイバ温度検知ベースの可撓性電子皮膚及びその製造方法を提供する。
【背景技術】
【０００２】
電子皮膚は現在の国際研究のホットスポット問題の一つであり、バイオミメティクス知能ロボット、人体義肢、ウェアラブルデバイス等の複数の分野において非常に重要な将来性がある。人間の皮膚は、人体の内部器官を外部の干渉から保護するだけではなく、重要な情報の取得源である。主に圧力、引張力、振動に対する感知力の検知、及び熱損失、冷、温の温度検知といった分野を含む。現在の電子皮膚の研究は、主に力に対する触覚感知に集中しており、著しい進歩を得ているが、温度感知面における研究は比較的少ない。
【０００３】
電子皮膚に適用される温度センサの種類として、サーミスタ抵抗、熱膨張複合材料及び熱電ｐ−ｎ接合が周知である。ここで、サーミスタ抵抗と温度変化との間に良好な線形関係があるが、温度を測定する際に外部電流を入力する必要があると共に、電圧値の変化も監視する必要があるため、４端子リード線を採用し、上下の極板とサンドイッチ構造を構成する必要があり、構造が複雑であり、加工難度が高くなる。一方、３線式及び２線式の結線法は、温度測定の精度が悪いと共に、抵抗値の変化が圧力による影響を受けやすいので、構造が簡単、精確な電子皮膚温度検知を求める応用において大きな限界がある。一方、ポリマー基材内に導電性充填物を添加した複合材料は、温度上昇すると、基材が膨張して充填物の分布が疎になり、抵抗が増大し、測定時に変形作用により影響を受けやすくなり、測定精度が悪く、材料性能が不安定であるため、長期使用特性を有しない。サーミスタｐ−ｎ接合は、キャリアの熱活性化に基づいて温度を測定し、感度がサーミスタ抵抗より優れているが、光影響特性を有するため、実際の応用において干渉を受けやすく、温度感知変化の精度に影響を与える。
【０００４】
また、現在の電子皮膚の温度感知は、主に固体表面の温度検知に適用され、環境（気流）の温度変化を鋭敏に感知することができない。気体温度測定に適用される方法として、以下がある。非接触式：赤外線、音響温度測定等は、気体の環境要因による大きい影響を受け、半導体レーザ吸収スペクトル技術を調整することができ、測定装置が複雑であり、高価であり、かつ使用の限界が大きく、測定精度が悪い。接触式：サーミスタ抵抗等の熱容量が大きく、温度に対する反応が遅く、テストに対する要求が厳しい温度検出に対して、被測定温度場を妨害しやすく、いずれも電子皮膚の温度検知には適用されていない。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、ファイバ温度検出ベースの可撓性電子皮膚及びその製造方法を提供し、従来技術における温度検知の精度が低く、反応が遅い等の技術問題を解決することを目的とする。
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明の採用する技術的解決手段は以下のとおりである。温度検知ユニットと、前記温度検知ユニットに設けられた熱伝導ユニットと、前記温度検知ユニット及び前記熱伝導ユニットを一体的にパッケージしたパッケージ層とを備えた温度検知ベースの可撓性電子皮膚であり、前記温度検知ユニットは、可撓性基板と、下から上へ順次前記可撓性基板に堆積された、絶縁層、遷移層、複数の薄膜熱電スタック、及び、断熱保護層を含む。前記熱伝導ユニットは、それぞれ前記薄膜熱電スタックの熱伝導エリアに固定されており、前記断熱保護層及び前記パッケージ層外に延びた複数の熱伝導ファイバを含む。
【０００７】
さらに、前記絶縁層は、前記可撓性基板に堆積された熱絶縁層と、前記熱絶縁層に堆積された電気絶縁層とを含む。
【０００８】
さらに、各前記薄膜熱電スタックは、複数組の薄膜熱電対が直列接続されて形成された環状構造となっており、前記熱伝導エリアは、前記環状構造内に位置している。
【０００９】
さらに、前記熱伝導ファイバは、高熱伝導の炭素繊維、黒鉛繊維、金属または高分子材料から製造された糸状物である。
【００１０】
さらに、前記熱伝導ファイバは、熱伝導接着層を介して前記熱伝導エリアに固定されている。
【００１１】
本発明は、上記のファイバ温度検知ベースの可撓性電子皮膚の製造方法をさらに提供する。この製造方法は、以下の技術ステップを含む。
【００１２】
以下を含む温度検知ユニット及び熱伝導ユニットを製造する工程：
【００１３】
可撓性基板を用意し、前記可撓性基板に下から上へ順次絶縁層と遷移層とを堆積させる。
【００１４】
前記遷移層に間隔をおいて複数の薄膜熱電スタックを堆積させる。
【００１５】
複数の熱伝導ファイバを用意し、各薄膜熱電スタックの熱伝導エリアに熱伝導ファイバを固定する。
【００１６】
前記遷移層に各薄膜熱電スタックをパッケージするための断熱保護層を堆積し、各前記熱伝導ファイバを前記断熱保護層外に延ばす。
【００１７】
以下を含むパッケージ工程：
【００１８】
前記温度検知ユニット及び前記熱伝導ユニットを一体的にパッケージし、且つ各前記熱伝導ファイバを、パッケージ体外に延ばす。
【００１９】
さらに、前記可撓性基板の材料は、ポリイミドまたはポリビニルアルコールフィルムまたはポリエステルフィルムである。
【００２０】
さらに、前記絶縁層は、前記可撓性基板に堆積された熱絶縁層、及び前記熱絶縁層に堆積された電気絶縁層を含み、前記熱絶縁層は、多孔シリコン層または酸化イットリウムとジルコニアから構成された熱バリアコーティングであり、前記電気絶縁層は、ＳｉＯ2層である。
【００２１】
さらに、前記薄膜熱電スタックは、複数組の薄膜熱電対が直列接続されて形成されたものであり、前記薄膜熱電スタックは、Ｔ型、Ｓ型、Ｂ型、Ｅ型、Ｒ型またはＫ型熱電対である。
【００２２】
さらに、前記熱伝導ファイバは、高熱伝導性の炭素繊維、黒鉛繊維、金属または高分子材料から製造された糸状物である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明において、熱伝導ファイバを利用して外部環境温度を精確に感知し、薄膜熱電スタックに伝送することができる。そして、応答時間を大幅に短縮し、反応速度を向上させることができる。また、温度感知に外部電流の入力が必要ないため、信号の伝送をするのに上下の基板と電気回路を形成する必要がない。したがって、構造が簡単で、製造が容易で、量産と集積化製造に有利である。また、薄膜熱電スタックを採用した温度測定は、熱電対と比較して、出力電圧及び温度測定の精度が高く、薄膜熱電スタックの外部に、断熱保護層がパッケージされることにより、環境温度による測温精度に対する干渉を効果的に防止し、且つ可撓性基板及び絶縁層による薄膜熱電スタックの温度反応速度に対する影響を軽減し、構造の熱慣性を大幅に低減させ、熱電スタックの温度反応速度を向上させることにより、可撓性電子皮膚の感知感度を向上させることができる。また、薄膜熱電スタックの機能は安定しており、光照射及び変形による影響が小さく、電子皮膚に適用されると、電子皮膚により良い適用性及び安定性を付与することができる。さらに、薄膜熱電スタックを製造することができる材料の種類が多いため、応用場所が広くなり、使用の将来性がより一層良くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本発明に係る実施形態における技術的解決手段をより明確に説明するために、実施形態又は従来技術の説明に用いられる図面について簡単に説明する。以下の説明における図面は、本発明に係る一部の実施形態だけであり、当業者は、創造的な業務を行わない前提の下で、これらの図面に基づいてほかの図面を得ることができる。
【図１】本発明の実施例で提供するファイバ温度検知ベースの可撓性電子皮膚の概略構成図である。
【図２】本発明の実施例で提供するファイバ温度検知ベースの可撓性電子皮膚の断面図である。
【図３】本発明の実施例で提供するファイバ温度検知ベースの可撓性電子皮膚における薄膜熱電スタックの概略構成図である。
【図４】本発明の実施例で提供するファイバ温度検知ベースの可撓性電子皮膚の製造方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。前記実施例は添付図面に示され、全体を通して同一または類似の部品または同一または類似の機能を有する部品については同一または類似の符号付す。以下、添付図面を参照して記載される実施例は、本発明を解釈するための例示であって、本発明を限定するものではない。
【００２６】
本発明の説明において、「長さ」、「幅」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「頂」、「底」「内」、「外」等の表示方向又は位置関係は、図面に示される方向または位置関係であり、本発明の理解を容易にする、または説明を簡略化するためのものであって、装置又は部品が特定の方位を有する必要があり、特定の方位で構成及び操作を行う必要があることを示唆または暗示するものではない。従って、本発明に対する制限として理解されるべきではない。
【００２７】
また、用語「第１の」、「第２の」は説明を目的としたものであり、相対的な重要度を示唆または暗示するものではなく、または技術的特徴の数量を示すために用いられているものではない。したがって、「第１の」、「第２の」と制限された特徴は、一つまたは複数の当該特徴を含むことを示唆または暗示することは可能である。本発明の記載において、明確的、具体的に限定されたもの以外、「複数の」の意味は、２つまたは２つ以上ということを指す。
【００２８】
本発明において、明確に規定または限定されたもの以外、「取付」、「繋がり」、「接続」、「固定」等の用語は広く解釈されるべきであり、例えば、固定接続であってもよく、取り外し可能な接続であってもよく、或いは、一体化であってもよく、電気的接続であってもよく、直接接続であってもよく、中間仲介体を介して間接接続であってもよく、２つの部品の内部の接続であってもよく、または２つの部品の相互作用の関係であってもよい。当業者であれば、具体的な状況に基づいて上記用語が本発明における具体的な意味を理解することができる。
【００２９】
本発明の実施例に提供された温度検知ベースの可撓性電子皮膚は、温度検知ユニット１０と、温度検知ユニット１０に配置された熱伝導ユニット２０と、温度検知ユニット１０及び熱伝導ユニット２０を一体的にパッケージしたパッケージ層３０とを備えている。（図１〜図３を参照されたい）具体的には、温度検知ユニット１０は、可撓性基板１１と、下から上まで順次可撓性基板１１に配置された、絶縁層１２及び遷移層１３と、間隔を空けて遷移層１３に配置された複数の薄膜熱電スタック１４と、各薄膜熱電スタック１４をパッケージした断熱保護層１５とを備えている。各薄膜熱電スタック１４は、いずれも熱伝導エリア１４１を有し、熱伝導ユニット２０は、複数の熱伝導ファイバ２１を有している。各熱伝導ファイバ２１は、薄膜熱電スタック１４の熱伝導エリア１４１に対応した位置に固定され、且つ各熱伝導ファイバ２１は、断熱保護層１５及びパッケージ層３０外に延びている。
【００３０】
本発明の実施例において、熱伝導ファイバ２１を利用して外部環境温度を精確に感知し、薄膜熱電スタック１４に伝送することができる。そして、応答時間を大幅に短縮し、反応速度を向上させることができる。また、温度感知に外部電流の入力が必要ないため、信号の伝送をするのに上下の基板と電気回路を形成する必要がない。したがって、構造が簡単で、製造が容易で、量産と集積化製造に有利である。また、薄膜熱電スタック１４を採用した温度測定は、出力電圧及び温度測定の精度を向上させ、薄膜熱電スタック１４の外部に、断熱保護層１５がパッケージされることにより、環境温度による測温精度に対する干渉を効果的に防止し、且つ可撓性基板１１及び絶縁層１２による薄膜熱電スタック１４の温度反応速度に対する影響を軽減し、構造の熱慣性を大幅に低減させ、熱電スタックの温度反応速度を向上させることにより、可撓性電子皮膚の感知感度を向上させることができる。また、薄膜熱電スタック１４の機能は安定しており、光照射及び変形による影響が小さく、電子皮膚に適用されると、電子皮膚により良い適用性及び安定性を付与することができる。さらに、薄膜熱電スタックを製造することができる材料の種類が多いため、応用場所が広くなり、使用の将来性がより一層良くなる。
【００３１】
本実施例において、可撓性基板１１は、可撓性ポリイミドから製作される。ポリイミドの耐熱性は４００℃以上に達し、長期使用温度範囲は、−２００〜３００℃である。このような材料で基板を製作することで、基板の信頼性を向上させるだけではなく、様々な環境場所に適用することができる。なお、この材質は、可撓性が良好で、伸縮が可能であり、変形が容易であるため、電子皮膚を、機械、人体義肢、ウェアラブルデバイス等の分野に用いることができ、適用性が高い。
【００３２】
図２を参照すると、絶縁層１２は、可撓性基板１１に堆積された熱絶縁層１２１と、熱絶縁層１２１に堆積された電気絶縁層１２２とを含む。具体的には、断熱絶縁層１２１は、多孔シリコン層であり、または酸化イットリウムとジルコニアから構成された熱バリアコーティングである。電気絶縁層１２２は、ＳｉＯ2層である。薄膜熱電スタック１４の温度測定の精度に影響を与えないように、熱絶縁層１２１及び電気絶縁層１２２が形成されており、これによって、薄膜熱電スタック１４の温度測定に干渉して精度に影響を与えることを避けるように、外部環境の熱及び電気を隔離する。
【００３３】
本実施例において、遷移層１３はＴａ2Ｏ5層であることが好ましい。
【００３４】
さらに、本実施例において、薄膜熱電スタック１４は、複数組の薄膜熱電対が直列接続されて形成された環状構造となっており、熱伝導エリア１４１は、環状構造内に位置している。（図３を参照されたい）図において、薄膜熱電スタックは、Ｎ−Ｐ薄膜熱電対１４２が直列接続されて形成されている。このような熱電対の直列接続構造を利用することにより、出力電圧がより大きくなり、温度測定の精度も向上する。
【００３５】
本実施例において、断熱保護層１５は、ＳｉＯ2層である。ＳｉＯ2の熱伝導が比較的悪いため、環境温度が薄膜熱電スタック１４の測定精度に干渉することを効果的に防止し、且つ、薄膜熱電スタック１４が付着した基板が比較的大きな厚さ、質量及び熱容量を有する場合、薄膜熱電スタック１４が温度に対する反応速度が低下することを防止する。それにより、構造の熱慣性を大幅に低下させ、温度変化の反応速度を向上させる。
【００３６】
本実施例において、熱伝導ファイバ２１は、高熱伝導性の炭素繊維、黒鉛繊維、金属（銅、銀、アルミニウムなど）または高分子材料から製造された糸状物である。（図２、図３を参照されたい）製造時に、上記材料から製作された糸状物を所定の長さにカットして、熱伝導接着層２２を介して薄膜熱電スタック１４の熱伝導エリア１４１に固定する。したがって、熱伝導ファイバ２１を利用して外部環境または気流の熱量が、薄膜熱電スタック１４の熱伝導エリア１４１に伝導する。本実施例において、パッケージ層３０には、柔軟性、弾性を有するジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）又はポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）材質が採用されており、上記各デバイスに対する保護と外部環境に対する電気的絶縁を実現している。
【００３７】
図４に示すように、本発明の実施例は、前記可撓性電子皮膚の製造方法を提供する。この製造方法は、以下のステップを含む。
【００３８】
Ｓ１：温度検知ユニット１０及び熱伝導ユニット２０を製造する。
【００３９】
可撓性基板１１を用意し、可撓性基板１１に上から下まで順次絶縁層１２及び遷移層１３を堆積させ、しかる後、遷移層１３に複数の薄膜熱電スタック１４を間隔を空けて堆積する。そして、各薄膜熱電スタック１４の熱伝導エリア１４１に熱伝導ファイバ２１を固定する。その後、遷移層１３に各薄膜熱電スタック１４をパッケージするための断熱保護層１５を堆積し、各熱伝導ファイバ２１を断熱保護層１５外に延ばすようにする。
【００４０】
具体的に、本ステップにおいて、可撓性基板１１は、可撓性ポリイミドから製作される。ポリイミドの耐熱性は４００℃以上に達し、長期使用温度範囲は、−２００〜３００℃である。このような材料で基板を製作することで、基板の信頼性を向上させるだけではなく、様々な環境場所に適用することができる。なお、この材質は、可撓性が良好で、伸縮が可能であり、変形が容易であるため、電子皮膚を、機械、人体義肢、ウェアラブルデバイス等の分野に用いることができ、適用性が高い。
【００４１】
次に、可撓性基板１１に多孔シリコン層を調製して熱絶縁層１２１を形成し、または酸化イットリウムとジルコニアから構成された熱バリアコーティングを堆積して、多孔シリコン層の代わりに、断熱を実現する。マグネトロンスパッタリング方式を採用して、熱絶縁層１２１にＳｉＯ2層を電気絶縁層として堆積させる。熱絶縁層１２１及び電気絶縁層１２２を形成することによって、薄膜熱電スタック１４の温度測定に干渉して精度に影響を与えることを避けるように、外部環境の熱、電気を隔離する。
【００４２】
次に、ＳｉＯ2層にＴａ2Ｏ5層を遷移層１３として堆積させる。
【００４３】
Ｔａ2Ｏ5層に薄膜熱電スタック１４を堆積させる。薄膜熱電スタック１４は、複数組の薄膜熱電対が直列接続されて形成されたものである。薄膜熱電スタックは、Ｔ型、Ｓ型、Ｂ型、Ｅ型、Ｒ型またはＫ型熱電対である。パターンを堆積して薄膜熱電対を形成する際に、設計により製作されたマスクプレートによって制御され、パッドに電気的接続されており、統合されて一側に配置されている。
【００４４】
本ステップにおいて、高熱伝導性の炭素繊維、黒鉛繊維、金属（銅、銀、アルミニウムなど）または高分子材料から製造された糸状物を熱伝導ファイバ２１として選択する。本実施例において、熱伝導ファイバ２１は熱伝導性がよい細い銅線であることが好ましい。銅線を所定の長さにカットして、熱伝導接着層２２を介して各薄膜熱電スタック１４の熱伝導エリア１４１に固定する。
【００４５】
最後に、遷移層１３に各薄膜熱電スタック１４をパッケージするためのＳｉＯ2層を断熱保護層１５として堆積させ、各熱伝導ファイバ２１を断熱保護層１５外に延ばすようにする。
【００４６】
Ｓ２：パッケージ工程温度検知ユニット１０及び熱伝導ユニット２０を一体的にパッケージし、且つ各熱伝導ファイバ２１を、パッケージ体外に延ばす。
【００４７】
本ステップにおいて、柔軟性、弾性を有するジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）又はポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）材質を採用し、温度検知ユニット１０及び熱伝導ユニット２０を一体的にパッケージする。本実施例において、ジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）を採用することが好ましい。主剤：硬化剤が１０：１の質量又は体積比率で調製した後、十分に混合して撹拌し、真空吸引して気泡を除去した後、製造したデバイスに鋳込し、７０℃で１時間加熱して硬化成形させて、電子皮膚の製造が完成する。ＰＤＭＳ又はＰＥＴ柔軟性材料を使用して、一体鋳込成形を行い、加工工程を簡略化する。また、電子皮膚に可撓性を付与し、異なる構造曲面に適用し、様々な応用ニーズを満たすことができる。
【００４８】
上述した製造方法を採用してフレキシブル電子皮膚を製造し、可撓性電子皮膚の構造は簡単であり、一体にパッケージして形成されて、集積化製造に便利である。また製造して形成された電子皮膚の柔軟性、弾性も良好であり、様々な応用ニーズを満たすことができる。また、ファイバを採用して温度検知を行うことにより、感度が高く、精度が高く、温度測定の反応時間が短く、温度測定の範囲が広い。
【００４９】
上述した内容は、本発明の好ましい実施例にすぎず、本発明を限定するものではない。本発明の精神及び原則範囲内で限り、いかなる修正、同等置換及び改良などのすべては本発明の保護範囲内に含まれるべきである。
【符号の説明】
【００５０】
１０  温度検知ユニット
１１  可撓性基板
１２  絶縁層
１２１  熱絶縁層
１２２  電気絶縁層
１３  遷移層
１４  薄膜熱電スタック
１４１  熱伝導エリア
１４２  Ｎ−Ｐ薄膜熱電対
１５  断熱保護層
２０  熱伝導ユニット
２１  熱伝導ファイバ
２２  熱伝導接着層
３０  パッケージ層
【図１】
0006802597.tif 000002
【図２】
0006802597.tif 000003
【図３】
0006802597.tif 000004
【図４】
0006802597.tif 000005