CN101074895A - 阵列压电传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于接触压力分布测量的传感器。阵列传感器需解决单体传感器的问题，以及集成小型化、相互干扰等问题。本发明的传感器金属外壳内由上至下依次设置有橡胶封装层、压电敏感层、电极转接板和电荷读出集成电路。橡胶封装层为带有呈阵列排列突点的橡胶片。压电敏感层包括PVDF片，PVDF片的一面为整片电极，另一面为阵列电极。阵列电极与突点位置一一对应。电荷读出集成电路为带有电荷注入电极的CCD集成电路。本发明利用压电原理与集成电路相结合的方法，不仅使阵列压电传感器的动态性能和抗干扰能力得到明显的改善，稳定性也得到大大加强，同时具有表面柔顺、体积小、集成度高的特点。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，尤其涉及一种用于接触压力分布测量的传感器。
背景技术
接触压力分布的测量在许多应用领域具有重要的价值。坐姿的压力分布数据对于设计合适的座椅结构极为重要，如汽车驾驶员、航天员的座椅设计；不正确的坐卧姿势，使人体局部长期受压过大会引起褥疮、坐疮等疾病，对于半身不遂、卧床不起的病人来说，如果不采取有效减压措施，这种疾病将是致命的。人工触觉在机器人的感觉系统中占有非常重要的地位，它通过接触得到环境的信息，不管是手指触觉还是足底触觉，其本质还是压力分布的测量。因此，阵列式压力传感器在人机工程学、机器人触觉、及医疗、体育、康复等方面均有重要的意义及应用价值。
阵列传感器不仅面临单体传感器所存在的问题，还应解决集成小型化、引线、相互干扰等新问题。用压电原理制成的传感器单体，其应用已经非常普遍，如，压电力/加速度传感器、压电超声波传感器、压电机器人触觉传感器等等。利用压力——电阻变化的原理制作的阵列压力传感器，也已经有应用方面的报道，但存在迟滞、漂移、集成度不高等弊病。压电声表面波传感器可用于分布压力、温度的测量，但其测量原理和方式与本发明所述方法完全不同，它是用表面波的传输特性变化完成测量的。Edward，S.发表了一种用集成电路工艺制作的机器人用压电阵列触觉传感器，以压电材料为敏感材料，感压源信号直接与制作在集成电路基板上的MOSFET电荷放大器相连，实现了压电式阵列触觉。Siegel和Boie等人利用介质受力后的变形，进而引起电容变化的原理测量分布压力，通过受力变形的介质两侧布置相互垂直的导电条，垂直交叉的单元构成单元敏感电容，用激励电路的输出推知电容的变化，并得出对应单元上的受力情况。另外，利用光纤传感也可以得到抗干扰能力很强的压力传感器，但这种传感器小型化、集成化困难。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种可以提高抗干扰性能、减少外接引线、集成和小型化的阵列压电传感器的结构。
本发明包括电路板，电路板上固定设置顶部开放的金属外壳。金属外壳内由上至下依次设置有橡胶封装层、压电敏感层、电极转接板和电荷读出集成电路。电路板上设置的电源输入端口和信号输出端口分别与电荷读出集成电路连接，电荷读出集成电路的地电极与电路板的地电极连接。
所述的橡胶封装层是厚度为1～2mm的橡胶片，其外表面设置有突出的突点，突点呈阵列排列。
所述的压电敏感层包括PVDF(聚偏二氟乙烯)片，其厚度为50～60μm。PVDF片的一面镀有整片的金属膜，形成整片电极，作为公共的地电极；另一面镀有相互绝缘的呈阵列排列的金属膜，形成阵列电极。整片电极与橡胶封装层紧密配合，并通过导线与电路板的地电极连接。阵列电极与橡胶封装层阵列排列的突点位置一一对应。
所述的电荷读出集成电路包括CCD集成电路，CCD集成电路中每个电荷注入电路单元连接有电荷注入电极，电荷注入电极的数量与阵列电极的数量相同。
所述的电极转接板包括绝缘板，绝缘板上表面呈阵列排列设置有上电极，绝缘板下表面设置有下电极。上电极与压电敏感层的阵列电极位置一一对应，下电极与电荷读出集成电路的电荷注入电极位置一一对应。每个上电极通过设置在绝缘板内的导电丝与对应的下电极连接。
本发明的阵列压电传感器将压电敏感层与当地化的电荷读出集成电路相结合，经电极转接板完成尺寸的匹配，这种独特的结构与组合方式不仅使传感器的抗干扰性能大大提高，还实现了传感器的小型化和集成化，外接引线数量大大降低，为阵列式压电传感器的设计提供了一种公共的可参照的结构设计方式。
本发明利用压电原理与集成电路相结合的方法，不仅使阵列压电传感器的动态性能和抗干扰能力得到明显的改善，稳定性也得到大大加强。该传感器具有表面柔顺、体积小、集成度高的特点，可用于测量接触式的高密度压力分布，如人体坐姿时支撑部位的压力分布、机器人触觉等。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中橡胶封装层的结构示意图；
图3为图1中压电敏感层的结构示意图；
图4为图1中电极转接板的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，阵列压电传感器包括电路板7和固定在电路板7上的金属外壳9。金属外壳9的顶部是开放的，其内部空间由上至下依次设置有橡胶封装层1、压电敏感层、电极转接板和电荷读出集成电路6。电路板7上设置的电源输入端口和信号输出端口分别与电荷读出集成电路6连接，电荷读出集成电路6的地电极与电路板7的地电极连接。
橡胶封装层1的结构参见图1和图2，该橡胶封装层包括一橡胶片，其外表面设置有突出的突点10，突点10的形状为平头圆锥形，并呈阵列排列。
压电敏感层的结构参见图1和图3，该压电敏感层包括PVDF片3，PVDF片3的一面镀有整片的金属膜，形成整片电极2，作为公共的地电极；另一面镀有相互绝缘的呈阵列排列的金属膜，形成阵列电极4。整片电极3与橡胶封装层紧密配合，并通过导线8与电路板7的地电极连接。阵列电极4与橡胶封装层阵列排列的突点10位置一一对应。相互绝缘的呈阵列排列的金属膜的加工是在相应的掩膜板的覆盖下，用真空溅射法金属镀膜成所需要阵列排列的形式。掩膜板一般由弹簧钢板采用激光加工的方式完成，掩膜板上加工的阵列式方孔在金属镀膜完成后形成阵列电极，方孔的尺寸比阵列间距略小，以保证金属镀膜完成后各阵列电极间相互不粘连，阵列数、阵列间距则可根据不同的需要进行不同的设计。
电荷读出集成电路6包括CCD集成电路，CCD集成电路中每个电荷注入电路单元连接有电荷注入电极，电荷注入电极的数量与阵列电极的数量相同。电荷读出集成电路的工作原理与CCD集成电路的完全一样，其区别仅在于本设计的集成电路其电荷信号是通过压电传感器注入的，而不是通常CCD集成电路由光照产生的电荷信号。它们之间只是电荷的注入方式有区别(对应电信号注入和光信号注入)，其余的电路如电荷转移、输出电路等完全一样，是一种成熟的电路。
电极转接板的结构如图4所示，包括绝缘板5，绝缘板5上表面呈阵列排列设置有上电极11，绝缘板5下表面设置有下电极13。上电极11与压电敏感层的阵列电极4位置一一对应，下电极13与电荷读出集成电路6的电荷注入电极位置一一对应。每个上电极11通过设置在绝缘板5内的导电丝12与对应的下电极13连接。
当传感器表面受压时，受压敏感区域对应的压电敏感层产生压力，对应的整片电极与阵列电极构成的传感单元输出电荷，经电极转接板导入电荷读出集成电路的电荷注入电极，转换成与传感单元受压成对应关系的电荷信号，通过对电荷读出集成电路的控制，以扫描的方式得到全部阵列压电传感单元的压力分布信号。
通过电极转接板的上、下电极将两种不同尺寸的阵列电极和电荷注入电极一一对应地连接起来，当阵列传感器的总体尺寸与电荷读出集成电路尺寸相当时(按现阶段的集成电路制作工艺，一般集成电路的尺寸不宜大于cm数量级)，采用压电敏感层的下侧阵列电极与电荷读出集成电路的电荷注入电极直接连通的方式，可以省去电极转接板。当阵列传感器的尺寸较大时，压电敏感层的下侧阵列电极通过电极转接板(使电极间距成比例缩小)与电荷读出集成电路的电荷注入电极对接。
Claims (1)
1、阵列压电传感器，包括电路板，电路板上固定设置顶部开放的金属外壳，其特征在于金属外壳内由上至下依次设置有橡胶封装层、压电敏感层、电极转接板和电荷读出集成电路；电路板上设置的电源输入端口和信号输出端口分别与电荷读出集成电路连接，电荷读出集成电路的地电极与电路板的地电极连接；
所述的橡胶封装层是厚度为1～2mm的橡胶片，其外表面设置有突出的突点，突点呈阵列排列；
所述的压电敏感层包括聚偏二氟乙烯片，聚偏二氟乙烯片的一面镀有整片的金属膜，形成整片电极，作为公共的地电极；另一面镀有相互绝缘的呈阵列排列的金属膜，形成阵列电极；整片电极与橡胶封装层紧密配合，并通过导线与电路板的地电极连接；阵列电极与橡胶封装层阵列排列的突点位置一一对应；
所述的电荷读出集成电路包括CCD集成电路，CCD集成电路中每个电荷注入电路单元连接有电荷注入电极，电荷注入电极的数量与阵列电极的数量相同；
所述的电极转接板包括绝缘板，绝缘板上表面呈阵列排列设置有上电极，绝缘板下表面设置有下电极；上电极与压电敏感层的阵列电极位置一一对应，下电极与电荷读出集成电路的电荷注入电极位置一一对应；每个上电极通过设置在绝缘板内的导电丝与对应的下电极连接。
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