电子皮肤在语音识别上的应用、语音识别系统和方法

摘要

本发明公开了一种语音识别系统，包括：电子皮肤，所述的电子皮肤包括柔性的敏感层，所述敏感层的上表面和下表面至少之一为非平面结构，所述敏感层的上表面和下表面上分别形成有上电极层和下电极层；数据处理模块，接收来自电子皮肤的信号并将处理后的信号发送至显示模块；显示模块，接收并显示来自数据处理模块的信号。本发明的识别系统具有同步识别，识别率高，体积简小且携带方便的优点，同时由于使用柔性薄膜材料，可以方便的将本器件整合成可穿戴电子设备。

说明书

技术领域

本申请属于传感器领域，特别是涉及一种电子皮肤在语音识别上的应用及语音识别系统和识别方法。

背景技术

随着通信技术的快速发展和计算机科学技术的不断进步，语音识别是一项令人瞩目的高新智能人机交互技术，它涉及语音学、发声机理学、微电子技术、计算机信息处理技术、语音信号处理技术、电路与系统以及传感技术等多学科的综合性技术，其应用已经成为一个具有竞争性的新兴高技术产业。智能语音识别产业作为我国战略性新兴产业之一，一直受到国家各级主管部门的高度重视，已被列入多项国家科技发展规划和政策支持领域。

目前报道的语音识别技术大都是基于语音模板、大词汇连续语音识别、声学模型等方法。然而，这些传统的语音识别技术面临很多问题，比如在吵闹的环境、口音或方言等不清晰的发音以及多人同时发音的情况下，语音输入效果差，识别率不高，甚至无法识别。存在以上问题的主要原因是传统的语音采集模块通过捕捉语音在空气中的传播信号进行语音采集，而外界的其他声源干扰会影响到采集的语音数据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电子皮肤在语音识别上的应用及语音识别系统和方法，以解决现有技术中语音输入效果差、识别率不高的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请实施例公开了电子皮肤在语音识别上的应用，所述的电子皮肤包括柔性的敏感层，所述敏感层的上表面和下表面至少之一为非平面结构，所述敏感层的上表面和下表面上分别形成有上电极层和下电极层。

本发明还公开了一种语音识别系统，包括：

电子皮肤，所述的电子皮肤包括柔性的敏感层，所述敏感层的上表面和下表面至少之一为非平面结构，所述敏感层的上表面和下表面上分别形成有上电极层和下电极层；

数据处理模块，接收来自电子皮肤的信号并将处理后的信号发送至显示模块；

显示模块，接收并显示来自数据处理模块的信号。

优选的，在上述的语音识别系统中，所述敏感层的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度范围为2～50μm,优选为50μm。

优选的，在上述的语音识别系统中，所述敏感层的材质为高分子材料，所述的高分子材料选自聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯中的一种或多种的组合。

优选的，在上述的语音识别系统中，所述的敏感层和下电极层之间还设置有柔性的支撑层。

优选的，在上述的语音识别系统中，所述的支撑层为聚乙烯(PE)薄膜，厚度范围为1～100μm，优选为12μm。

优选的，在上述的语音识别系统中，所述的支撑层材料还可以选自高透明高柔性的聚氯乙烯（PVC）薄膜、聚偏二氯乙烯（PVDC），聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜中一种或多种的组合。

优选的，在上述的语音识别系统中，所述的上电极层和下电极层材质选自金、铂、镍、银、铟、铜、铝、碳纳米管、石墨烯、银纳米线中的一种或多种的组合。

优选的，在上述的电子皮肤中，所述的上电极层和下电极层电极是通过蒸镀、化学沉积、打印、喷涂或溅射方式形成。

优选的，在上述的语音识别系统中，所述的非平面结构为凸伸的多个多棱椎体。

优选的，在上述的语音识别系统中，所述的每个椎体的底面为10μm×10μm的正方形，侧面与底面的夹角为54.7°，椎体高度为7.06μm ，椎体之间间距为1~100μm，椎体之间间距优选为10μm。

本发明还公开了一种语音识别方法，包括；

利用上述的电子皮肤采集声带的振动信号；

对采集的振动信号进行滤波、放大，并提取特征信号；

采用时域分析法或频域分析法对特征信号进行分析识别，并将识别结果通过显示模块显示。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的电子皮肤与新型微纳传感技术相融合，由于使用了无毒且生物相容性很好的超薄弹性薄膜材料，故能很好的和人体皮肤融为一体，构筑成可穿戴式器件能带来超好的用户体验感；同时由于敏感材料独特的纳米结构使得该设备具有的灵敏度更高、稳定性更好；加上整个器件轻小灵巧具有携带方便的优点。

本发明由上述电子皮肤获得的语音识别系统，具有同步识别，识别率高，体积简小、携带方便且可穿戴的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中语音识别系统的示意图；

图2所示为本发明具体实施例中电子皮肤的剖视图；

图3所示为本发明具体实施例中硅晶片模板的SEM图；

图4所示为由图3所示模板制作的PDMS柔性薄膜的SEM图；

图5所示为利用本发明实施例中的语音识别系统对语音识别的示意图。

具体实施方式

当前信息产业的国际竞争已经日益表现为对科学技术的争夺，语音识别行业作为战略性和前瞻性的重要新兴技术产业一直是国内外科学界和产业界关注的焦点。本发明涉及一种新型语音识别技术及相应的装置，本发明提出用微纳传感器采集发音时声带产生的振动信号，而不是像传统的语音识别技术通过采集模块捕捉语音在空气中的传播信号，再对振动信号进行放大、滤波等预处理，提取特征信号利用时域分析法、频域分析法等识别分析，从而得到一种简便、可行、系统的振动信号识别方法，最后显示识别结果。

本发明在传统语音识别技术基础上进行了创新，主要集中在语音信号的采集方式和提取装置上，具有同步识别，识别率高，体积简小且携带方便的优点，同时由于使用柔性薄膜材料，可以方便的将本器件整合成可穿戴电子设备。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参图1所示，本发明实施例中，语音识别系统包括电子皮肤、数据处理模块和显示模块。

电子皮肤用以采集声带的振动信号；数据处理模块对采集的振动信号进行滤波、放大，并提取特征信号，采用时域分析法或频域分析法对特征信号进行分析识别，并将识别结果通过显示模块显示。

参图2所示，本实施例中的电子皮肤包括柔性的支撑层1、形成于支撑层1上表面的柔性的敏感层2，以及分别形成于敏感层2上表面和支撑层1下表面的上电极层3和下电极层4。

敏感层2的材料优选为PDMS（聚二甲基硅氧烷），敏感层2的材料还可以是其他高分子材料，如聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯中的任意一种或多种。

敏感层2的上表面为非平面结构，优选为多个凸起的椎体21，每个椎体21的底面为为10μm×10μm的正方形，侧面与底面的夹角为54.7°，椎体高度为7.06μm ，椎体之间间距为10μm。

在其他实施例中，敏感层2上表面的形状也可以为波浪状等其他非平面结构。

易于想到的是，敏感层2的下表面也可以设置为非平面形状，相应地，敏感层2的下表面也需要设置一层电极层。

支撑层1优选为高透明高柔性的超薄PE（聚乙烯）薄膜，其厚度优选为12μm。

PE薄膜作用在于帮助在硅晶片表面的图案化PDMS膜与模板能完整轻易分离，同时作为衬底支撑PDMS膜。

上电极层3和下电极层4的材料选自金、铂、镍、银、铟、铜、铝、碳纳米管、石墨烯、银纳米线中的一种或多种的组合。

上述的电子皮肤，支撑层1和敏感层2的整体厚度小于70μm，该超薄电子皮肤具备与人体皮肤相同的柔软度及杨氏模量，重量也超轻轻，可以直接与皮肤黏合，是一种可穿戴性器件。

上述的电子皮肤的制作方法如下：

S1、制作可形成非平面结构的模板

本实施例利用MEMS加工制造技术中的光刻、刻蚀等工艺制作出具有微结构的模板（优选4寸硅晶片）。先将硅晶圆表面进行洁净处理，再旋涂光刻胶、前烘、光刻、显影、后烘，最后利用刻蚀将图形转移到硅晶圆,得到具有微结构的模板，具体制备方法如下：

1、制板

通过设计论证后利用做图软件绘制图纸，单纯的增加图案的宽度和高度以及图案之间的间距都有利于器件灵敏度的提高，但综合后，微图案优选为金字塔结构，塔底面为10μm×10μm的正方形，侧面与底面的 夹角为54.7°，塔顶到底面的距离为7.06μm ，图案间距为10μm，按照图纸的尺寸去做掩模板。

2、准备4寸硅晶圆

硅晶圆采用4寸单面抛光，单面300nm热氧化SiO₂层硅晶圆，MOS级丙酮、去离子水分别超声15分钟，然后MOS级乙醇超声10分钟后吹干，接下来105℃烘干10分钟。

3、图形化光刻胶

a、甩胶：在准备好的4寸硅晶圆表面旋涂6-7um光刻胶，优选AZ4620，预转速 500rpm 时间 6s，旋涂转速 400rpm 时间 30s ；

b、前烘：在95°下前烘，210 秒；

c、曝光：使用MA6 接触式光刻机，在低真空模式下曝光 24 s；

d、显影：所用显影液的配比为四甲基氢氧化铵：去离子水=1:8，显影时间95 s；

e、后烘：后烘 95°，180 秒。

4、图形转移至硅晶圆

a、去胶：等离子体去胶机去除显影后残留的光刻胶胶膜；

b、干法刻蚀：使用反应离子刻蚀（RIE）去除图形化的SiO₂层，时间 6分钟

c、湿法定向刻蚀：用30% KOH溶液在78℃下刻蚀9分钟，最终在硅晶圆表面形成反四棱锥结构，参图3所示。

、在模板表面形成一层有机物分子层

在模板表面加工处理（如气相沉积或者熏涂）一层薄薄的有机物（三甲基氯硅烷或者全氟辛基三氯硅烷)分子层保证在硅晶片表面的PDMS膜与模板的能完整轻易分离。

、在有机物分子层上形成敏感层

接着在有机物分子层上旋涂（优选转速在3000r/min，时间30S）一种透明的液体高分子聚合物（如聚二甲基硅氧烷，优选引发剂和反应剂的配比量为质量比1：10，）使之均匀形成一层很薄（优选厚度为50μm）的薄膜。

、在敏感层上形成一层支撑层

再在上述薄膜表面无缝无气泡（有气泡、缝隙的情况也包括在里面）地形成一层高透明高柔性的超薄PE（聚乙烯）薄膜（厚度优选为12μm）。

、热处理，将固化后的敏感层和支撑层从模板上剥离

再在真空环境下加热（优选温度在65～75℃）处理一段时间（优选2～3h）后等到上述液体高分子聚合物PDMS薄膜完全固化，同时和PE膜也完全融为一体，接下来把固化的高分子聚合物薄膜从硅晶片模板表面剥离下来，从而就把硅晶片模板上的微图案复形到PDMS柔性薄膜上制备出具有金字塔型微结构的薄膜，该薄膜整体厚度<70μm，如图4所示。

、分别于敏感层的上表面以及支撑层的下表面形成上电极层和下电极层

最后在薄膜的上下表面分别均匀涂覆（如蒸镀、化学沉积等，本专利优选蒸镀）一层超薄纳米导电膜（本发明优选纯度为99.9999%的Au颗粒，蒸镀Au导电膜厚度为100nm），此时就形成了具有多个灵敏位点的超薄柔性导电电子皮肤。

接着在超薄柔性导电电子皮肤上下面的Au纳米导电层上各引出（如粘压、焊接等，本专利优选粘压）一条柔性电极（如直径0.1mm漆包线、20μm厚且带有压敏胶粘剂的扁平铜箔胶带、柔韧超薄（10μm厚）的铜箔，本专利优选柔韧超薄的铜箔）。

最后旋涂（优选转速在5000r/min，时间30S）一层PDMS，使之均匀形成一层很薄（厚度<10μm）的Au导电层的保护层，就构筑成了电容式超薄柔性电子皮肤。

选取一片超薄柔性电子皮肤，物理切割出大小不等的2小片（优选出15mm×15 mm和20mm×15 mm的2片），再分别在这些小片有图案面的一条边缘上固定住柔性导线来制作电极，最后在透明衬底上（如玻璃，PDMS膜等，本专利优选厚度为2mm的PDMS膜）将这两片有图案面无缝贴合起来就构成了超薄可穿戴式柔性器件。

器件在裸片情况下，使用电阻测量工具测量其基本阻抗，同时加上一个小电压（优选2～5V）；在器件空载状态下用示波器测试其背景噪音，接着采集发音时声带的振动信号发现背景噪音过大，振动信号无法从噪声中有效的筛选出来。经过我们外端电路测试和分析以及对器件进行优化，将器件放在声带上时由于声带的振动使传感器阻抗产生较大变化，在采样电阻上产生的电压波动的范围高于示波器测量出来的背景噪声，所产生的电压跳变电平可以从噪声电平中分离出来，进而被测试电路识别。再借助电路中的滤波装置将背景噪声信号滤掉就得到有效的脉搏波信号，经放大电路将信号放大后利用无线蓝牙发射技术将信号发射到显示器上的接收装置从而将发音时声带振动波同步的在显示器上显示出来。

参图5所示，将器件粘贴在声带处，当我们说话发音时声带会产生相应的振动，传感器会自动收集振动信号，经外电路的转换识别后利用蓝牙发射到显示器上（优选7寸pad），显示器上的波形会根据发音的轻重、长短等而出现振幅、频率不同的波形。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。