CN104048784A

CN104048784A - 使用微柱的传感器组件及其使用方法

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Publication number: CN104048784A
Application number: CN201410092867.4A
Authority: CN
Inventors: D·F·威尔金斯
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: CN104048784B; TW201435313A; JP2014194413A; KR101902043B1; EP2777614B1; KR20140113317A; EP2777614A3; EP2777614A2; TWI641810B; JP6313616B2; US20140260688A1

Abstract

本发明涉及使用微柱的传感器组件及其使用方法。传感器组件包括光源、调制层和至少一个探测器。调制层包括多个微柱，每个微柱具有固定端和自由端。每个固定端与光源相邻。至少一个探测器与多个微柱的自由端相邻。探测器被配置为检测从光源发出的光。

Description

使用微柱的传感器组件及其使用方法

技术领域

本申请的领域大体涉及传感器组件，并且更具体的，涉及使用微柱用于光调制的传感器组件。

背景技术

至少一种公知的微柱传感器利用总动来感知力或感应。然而，施加在与至少某些已知传感器一起使用的关联微柱上的力必须足够大才能使微柱运动，从而能够观察微柱以使得能够产生信号。另一种公知的微柱传感器包括环绕微柱的液晶材料。通过液晶材料，光源发出的光朝向微柱之间。当力施加在传感器上时，使液晶材料压缩或膨胀。液晶材料的压缩或膨胀改变通过的光的数量。光的变化被检测并用来产生信号。可是，基于这种传感器的使用，液晶材料可容易受污染，因而这样的传感器可能会易碎。一旦受到污染，这样的微柱传感器可对外部小变化不敏感或是不具有鲁棒性。因此，这样的传感器的使用可受到限制。

发明内容

在一个方面，提供一种传感器组件，该传感器组件包括光源、调制层和至少一个探测器。调制层包括多个微柱，每个微柱具有固定端和自由端。每个固定端与光源相邻。至少一个探测器与多个微柱的自由端相邻。探测器被配置为检测从光源发出的光。

在另一方面，提供一种确定施加到传感器组件的力的方法。该方法包括从光源发射光到调制层。调制层包括多个微柱，其中每个微柱具有固定端和自由端。该方法还包括在微柱的固定端接收射出的光和从微柱的自由端发射光。该方法进一步包括确定从多个微柱的自由端发射出的光能量的至少一个参数的变化。

附图说明

图1是传感器组件的实现示意图。

图2是在各种激活程度的微柱的平面图。

图3描述图1示出的传感器组件的可替代实施例。

图4描述图1中示出的传感器组件的第二可替代实施例。

图5描述图1中示出的传感器组件的第三可替代实施例。

图6是使用图5中示出的传感器组件执行DNA分析的俯视图。

具体实施方式

现参照附图，特别是图1，在100大体示出传感器组件。在示例性实现中，传感器组件100包括光源102、光调制层104和至少一个光探测器106。在某些实现中，控制器108与光源102和/或光探测器106通信。

光源102被配置为提供光能量。更具体的，光源102是发射一种或多于一种波长的电磁辐射的源。例如，光源102可以包括发光二极管（LED）、有机LED、白炽灯、荧光灯、霓虹灯、环境光、太阳或是能够发射电磁辐射的任何其他电子设备或化学设备中的一个或多于一个。在某些实现中，光源102发射白光、单色（光的波长）光，两种或多于两种颜色的光的组合、紫外光、红外光或类似的光。光源102也可发射这样的光的任意组合。进一步地，光源102可定向地或是全方位地发射光。

光调制层104包括基部110和多个微柱112。每个微柱112都包含固定端114和自由端116。固定端114联结到基部110或与基部110一体形成。微柱112是不透明的，因此，从光源102发射出的光以第一强度进入固定端114，并且以第二强度离开自由端116。在示例性实现中，微柱112以基本互相平行并平行于从光源102提供的光能量的方向放置。在一个实现中，微柱112是由例如锆钛酸铅（PZT）的压电材料制成的。然而，可以使用允许光调制层104按照本文所述那样工作的其他合适的材料。光调制层104可包括排列在阵列中的多个微柱112，阵列例如是具有正交的行和列的矩形网格模式。在这样的实施例中，多个微柱112可互相隔开距离D。相邻微柱112之间的间距可与所有的微柱114之间的间距相同，或可基于想要的应用而变化。在示例性的实现中，微柱112可通过电力、磁力和/或电磁力中的至少一个被激活。微柱112被配置为当微柱112通过施加到调制层104上的外力被激活时弯曲或偏斜。

在图1示出的实现中，传感器组件100还包含至少一个光探测器106。光探测器106与微柱112的自由端116相邻定位，因此当微柱112没有被激活时，光源102发射出的光经过微柱112并可以由光探测器106检测，而光强度无改变或是基本无改变。光探测器106可为本领域熟知的任意类型的光学传感器。在示例性实现中，光探测器被106配置为检测和测量来自光源102的光能离开微柱112的自由端116并且处在光探测器106的视场（FOV）118内时的光能强度和/或光能强度的变化。当微柱112被激活并弯曲时，通过微柱112的至少一部分的光被引导从光探测器106离开。因为有些光被引导离开了，所以光探测器106测量到的光强度随着时间而变化。在某些实现中，光探测器106被配置为将测量到的光强度和/或光强度的变化转化为表示施加到传感器组件100上的外力的电信号。这个信号可以发送给控制器108。虽然光探测器106在此处被描述为检测光强度，但光探测器106不限于检测该特性。在其他实现中，光探测器106检测的特性包括但不限于：相位、极化、波长和谱分布。在图1示出的实现中，传感器组件100包括与每个相应微柱112相关联的光探测器106。然而，在某些实现中，单个微柱112可与两个或多于两个的光探测器106相关联。

现参照图2，示出了在四种不同的激活状态下的微柱112的平面图。在第一状态200，微柱112处在中立或是未激活状态。因此，在第一状态200下，没有通过外力将足够的激活能量传输给微柱112以完全地或是部分地激活微柱112。在这种状态下，微柱112的自由端116大体上与光检测器106的视场（FOV）118对准。例如，微柱112的自由端116的轴向中心202与视场（FOV）118的中心204对准。在中立状态200下，基本上所有进入微柱112的固定端114的光都可以通过微柱112传送并且离开自由端116。然后光通过视场（FOV）118进行传送，光检测器106在这里检测光的强度。

在部分激活状态210下，外部源已经给微柱112传送了足够量的激活能量使得微柱112部分激活。因此，在部分激活状态210下，自由端116已经弯曲或偏斜，因此自由端116的轴向中心202不与视场（FOV）118的中心204对准。因此，仅仅一部分离开微柱112的自由端116的光通过视场（FOV）118传送（即，来自在视场（FOV）118内那部分自由端116的光）。从自由端116传送的在视场（FOV）118外的光不通过视场（FOV）118传送，因此调制（即，降低）从视场（FOV）118发射出的光的强度。类似地，在部分激活状态220下，相比于状态210，外部源已经给微柱112传送了足够量的激活能量而导致微柱112的进一步激活。因此，更少量的光从自由端116被传输通过半透明区域120，进一步降低了光强度。

在230大体示出完全激活状态。在完全激活状态230下，外力已经传送了足够的能量来弯曲自由端116使其完全处于视场（FOV）118之外（例如，与视场（FOV）118完全错位）。因此，在完全激活状态下，离开微柱112的自由端116的光不通过视场（FOV）118传送。

在某些实施例中，光探测器106被配置为传送光强度测量数据给控制器108。基于在光探测器106接收的光强度的变化，控制器108确定施加到传感器组件100的力。在确定这个力时，控制器108使用对应光源102的光强度的已知值和光强度的变化与施加到微柱112中一个上的力之间的关系。

图3描述图1中示出的传感器组件100的可替代实施例300。与传感器组件100中的元件相同的传感器组件300中的元件在图3中使用与图1中相同的标号标示。

在示例性实现中，传感器组件300包括多个微柱112，其排列在具有正交的行和列的矩形网格模式中。微柱112在多个方向上排列在光源102周围。传感器组件300还包括至少一个光探测器106，其与每个微柱112的自由端116相邻。如前面所述，由于微柱112由外部源激活，光探测器106测量由光源102发射出的光能的强度变化。光探测器106将测量的强度变化转换为电信号并将这些信号传递给控制器108。在图3所示阵列中定位微柱112和相关联的光探测器106使得传感器组件能够确定来自外部源的力的大小和方向。由于来自外部源的干扰移动通过传感器组件300，所以其定位会导致不同微柱112的运动延迟。结合每个微柱112的已知位置，控制器10利用这样的的延迟来确定干扰的方向。当微柱112的数量和在其中应用它们的方向增加时，相比于感知阵列，传感器组件300可以更准确定位外部源的方向。

图4示出图1中所示的传感器组件100的第二可替代实施例400。与传感器组件100中的元件相同的传感器组件400中的元件在图4中使用与图1中相同的标号来标识。在示例性实现中，传感器组件400包括有不同长度L的多个微柱112。微柱112从光调制层104的基部110的固定端114延伸。

图4所示的实现可实施为人造耳。传感器组件400仿真在生物耳里的绒毛。内耳是中空的，内嵌在颞骨里，颞骨是身体中密度最高的骨头。内耳的中空通道被液体填满，并且包含镶有绒毛细胞的感知上皮。这些细胞的微“绒毛”是伸出到所述液体中的结构蛋白丝。绒毛细胞是当受刺激时释放化学神经递质的机械刺激感受器。移动通过液体的声波推动这些蛋白丝。如果蛋白丝弯曲过度，绒毛细胞就兴奋。这样，声波被转化成神经冲动。

由于在现代社会中的大响度的声音，比如在平民生活中的音乐或是在军队演习中的爆炸，在太多刺激后，这些绒毛将死亡。用来替代失聪耳朵的已知设计是具有响应于音频输入的少至64元素的低分辨率。传感器组件400中的微柱112被分割成不同的长度，从而每个响应不同的频率并且尽量按照内耳绒毛一样自然弯曲。由光探测器106测量到的光的变化转化为馈送到颅神经的信号，颅神经导向专用于声音的大脑皮层部分。传感器组件400能利用和人类耳朵中的绒毛一样多的或者更多的微柱112，人类耳朵中的绒毛数量估计在8000左右。包含越多的微柱112，传感器组件400可检测的频率范围就越大，其导致人造耳的声音质量就越好。

图5示出图1所示的传感器组件100的第三可替代实施例500。与传感器组件100中的元件相同的传感器组件500中的元件在图5中使用与图1中相同的标号来标识。图6是利用传感器组件500执行的DNA分析的俯视图600。

在示例性实现中，施加涂层502到微柱112上。涂层502被配置为与施加到微柱112上的外部样本602反应。样本602包括多种物质601、603、605和607。基于特定的应用，施加不同的涂层502到不同的微柱112上。在某些实现中，物质602和涂层502之间感应的电场和/或磁场可引起反应。例如，在一个实现中，物质601、603、605和607具有正电荷或是负电荷，而涂层502具有与物质601、603、605和607相反的电荷。这样，样本602和涂层502的场利于将微柱112吸引到物质601、603、605和607，使得微柱112弯向物质601、603、605和607。涂层502和物质601、603、605和607之间的吸引强度决定了微柱112弯曲的程度。从光源102行进通过微柱112的至少一部分光被引导离开光探测器106。因为有些光被引导离开，所以由光探测器106测量的光强度随着时间变化而变化。在示例性实现中，光探测器106配置为将测量的光强度和/或光强度的变化转变为表示施加到传感器组件100上的外力的电信号。该信号可以被传送给控制器108。

现参见图6，DNA链604包含样本602，并使用传感器组件500来进行分析。在示例性实现中，DNA链604包含四个碱基：胞嘧啶、鸟嘌呤、腺嘌呤和胸腺嘧啶。有些微柱112涂覆有腺嘌呤，而其他微柱112涂覆有胞嘧啶。

在操作中，DNA链604以大体上垂直于基部110上的微柱112的对齐的方向移动经过微柱112。因为涂层502与特定的核酸碱基相互作用，所以微柱112被激活，并且与涂层502和物质之间的吸引/排斥的水平成比例地弯曲。随着微柱112的轴向中心202（图2中示出）相对于光探测器106的视场（FOV）118（图2中示出）的帧中心204移动，光探测器106测量来自光源102的光能量强度的改变。

如本文所使用的，术语控制器可指电子控制器，其可包含计算机处理器或处理设备（未示出）。处理器通常是能够处理信息如数据、计算机可读程序代码、指令之类（通常是“计算机程序”，比如软件、固件等），和/或其他合适的电子信息的任何硬件块。例如，处理器可被配置为执行可存储在处理器上或存储在相关联存储器中（未示出）的计算机程序或命令。在另一个例子中，处理器可被实施为或者包括一个或多于一个专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或之类物。因此，尽管处理器能够执行计算机程序来实现一个或多于一个功能，但是无需计算机程序的辅助，各种例子的处理器能实现一个或多于一个功能。如本文所用的，电子或计算机存储器通常是能够临时或永久存储例如数据、计算机程序等信息和/或其他合适信息的任何硬件块。在一个例子中，存储器可被配置为在一个或多于一个数据库中存储各种信息。存储器可包括易失性和/或非易失性存储器，并可为固定的或可移除的。合适存储器的例子包括随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、硬盘驱动器、闪存、拇指驱动器、可移动计算机磁盘、光盘、磁带或是上面的某个组合。光盘可包括紧凑盘只读存储器（CD-ROM）、紧凑盘读/写存储器（CD-R/W）、数字视盘存储器（DVD），或之类物。在各种情况下，存储器可被称为计算机可读存储介质，其作为能够存储信息的非暂时性装置，可与能够从一个位置向另一个位置运载信息的例如电子暂时信号的计算机可读传输介质区别开来。本文所述的计算机可读介质可一般是指计算机可读存储介质或计算机可读传输介质。

本书面说明书使用例子来公开包括最佳方式的实现，而且还使得本领域的技术人员能够实践所述实现，包括制造和使用任何设备或系统并执行任意包含的方法。本公开的可授予专利权的范围由权利要求限定，并可包括对本领域的技术人员可想的其他例子。如果这样的其他例子有不是不同于权利要求文字语言的结构元件，或其包含具有与权利要求文字非本质不同的等同结构元件，那么这些其它例子意图包含在到权利要求的范围之内。

进一步的，本公开包括根据下列条款的实施例：

条款1.一种传感器组件，其包括：光源；调制层，其包括多个微柱，其中每个微柱包括固定端和自由端，每个所述固定端与所述光源相邻；以及至少一个探测器，其与所述多个自由端相邻，所述至少一个探测器被配置为检测从所述光源发射出的光。

条款2.根据条款1所述的传感器组件，其中所述多个微柱被定向为基本互相平行。

条款3.根据条款1所述的传感器组件，其中所述多个微柱被定向为基本与从所述光源发射出光的方向平行。

条款4.根据条款1所述的传感器组件，其中所述光源将光能引导通过所述多个微柱中的每一个，并朝向所述至少一个探测器。

条款5.根据条款1所述的传感器组件，其中所述多个微柱中的每个被配置为当施加外力到所述传感器组件上时弯曲。

条款6.根据条款1所述的传感器组件，其中所述至少一个探测器被配置为检测通过所述多个微柱的光能的特性。

条款7.根据条款6所述的传感器组件，其中所述至少一个探测器被配置为基于在探测器处的光强度的变化检测所述多个微柱的运动。

条款8.根据条款7所述的传感器组件，其中所述至少一个探测器被配置为产生表示施加到所述传感器组件的外力的信号。

条款9.根据条款7所述的传感器组件，其中施加到所述传感器组件的力基于由所述探测器测量到的光强度的变化来确定。

条款10.根据条款1所述的传感器组件，其中所述多个微柱被定向为相对于彼此的多个不同方向。

条款11.根据条款1所述的传感器组件，其中所述调制层包括第一组微柱和第二组微柱，所述第一组微柱被定向为基本垂直于所述第二组微柱。

条款12.根据条款11所述的传感器组件，其中所述传感器组件被配置为确定施加到所述多个微柱中每个的外力的大小和方向。

条款13.根据条款1所述的传感器组件，其中所述多个微柱的至少第一个具有不同于所述多个微柱的的至少第二个的长度，所述多个微柱的至少第一个可以由具有与所述微柱的长度关联的频率的声能激活。

条款14.根据条款1所述的传感器组件，进一步包括施加到所述多个微柱的涂层，所述涂层被配置为与施加到所述传感器组件的外部物质反应。

条款15.根据条款14所述的传感器组件，其中所述传感器组件包括脱氧核糖核酸（DNA）分析设备。

条款16.一种确定施加到传感器组件的力的方法，所述方法包括：从光源发射光通过调制层，所述调制层包括多个微柱，其中每个微柱具有固定端和自由端；在所述多个微柱的固定端接收发射出的光和从所述多个微柱的自由端发射所述光；以及确定从所述多个微柱自由端发出的光的至少一种特性的变化。

条款17.根据条款16所述的方法，其中至少一个探测器与所述多个微柱的自由端相邻定位，确定进一步包括基于在探测器处接收到的光的强度来确定变化。

条款18.根据条款16所述的方法，其中确定所述光至少一个特性的变化包括确定从光源发射出的光的强度、相位、极化、波长和谱分布中的至少一个的变化：。

条款19.根据条款16所述的方法，进一步包括基于确定的所述光的至少一种特性的变化，确定施加到传感器组件上的力的大小和方向。

条款20.根据条款16所述的方法，其中涂层被施加到所述多个微柱，进一步包括使所述涂层与外部样本反应，以使所述多个微柱中的至少一个弯曲。

Claims

1.一种传感器组件（100），其包括：

光源（102）；

光调制层（104），其包括多个微柱（112），其中每个微柱（112）包括固定端（114）和自由端（116），每个所述固定端与所述光源相邻；和

至少一个光探测器（106），其与所述多个自由端相邻，所述至少一个光探测器被配置为检测从所述光源发射的光。

2.根据权利要求1所述的传感器组件（100），其中所述多个微柱（112）被定向为基本彼此互相平行。

3.根据权利要求1所述的传感器组件（100），其中所述多个微柱（112）被定向为基本与从所述光源（102）发射出的光的方向平行。

4.根据权利要求1所述的传感器组件（100），其中所述光源（102）将光能引导通过所述多个微柱（112）中的每一个并朝向所述至少一个光探测器（106）。

5.根据权利要求1所述的传感器组件（100），其中所述多个微柱（112）中的每个被配置为当施加外力到所述传感器组件上时弯曲。

6.根据权利要求1所述的传感器组件（100），其中所述至少一个光探测器（106）被配置为检测通过所述多个微柱（112）的所述光能的特性。

7.根据权利要求6所述的传感器组件（100），基于所述至少一个光探测器（106）被配置为基于在所述至少一个光检测器处的光强度的变化，检测所述多个微柱（112）的运动。

8.根据权利要求7所述的传感器组件（100），其中：

所述至少一个光探测器（106）被配置为产生表示施加到所述传感器组件的外力的信号；和

基于由所述至少一个光探测器（106）测量到的光强度的变化，确定施加到所述传感器组件的力。

9.根据权利要求1所述的传感器组件（300），其中所述多个微柱（112）被定向为相对于彼此处于多个不同的方向。

10.根据权利要求1所述的传感器组件（300），其中：

所述光调制层（104）包括第一组微柱（112）和第二组微柱（112），所述第一组微柱被定向为与所述第二组微柱基本垂直；和

所述传感器组件被配置为确定施加到所述多个微柱中的每个上的外力的大小和方向。

11.根据权利要求1所述的传感器组件（400），其中所述多个微柱的至少第一个具有不同于所述多个微柱的的至少第二个的长度，所述多个微柱的至少第一个可以由具有与所述微柱的长度关联的频率的声能激活激活。

12.根据权利要求1所述的传感器组件（500），进一步包括施加到所述多个微柱（112）的涂层（502），所述涂层被配置为与施加到所述传感器组件的外部物质（601、603、605、607）反应。