CN111157151A - 基于压电单元的三维力感知阵列传感器及压力解算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电单元的三维力感知阵列传感器及压力解算方法，基于压电单元的三维力感知阵列传感器包括多个传感单元，传感单元包括硅基底、电极、导电层、压电纤维柱和绝缘层。电极的数量为四个且电极与硅基底连接，并位于硅基底的一侧，导电层位于电极远离硅基底的一侧，且连接负极，压电纤维柱的数量为四个，四个压电纤维柱与电极和导电层电连接，并垂直于电极和导电层之间，且位于靠近导电层边缘的一侧，绝缘层与导电层连接，并位于导电层远离四个压电纤维柱的一侧，多个传感单元沿以导电层中心点为原点建立的直角坐标系的X轴和Y轴阵列排列。实现对大面积三维力空间高分辨率、高精度的三维感知、结构简单、灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于压电单元的三维力感知阵列传感器及压力解算方法。
背景技术
随着科学技术的发展及应用技术的提高，对传感器的分辨率、灵敏度提出了更高的要求。针对这一问题，国内外专家进行了大量的研究，由此产生了很多新型传感器，其中压电式传感器重量较轻、工作可靠、结构简单、灵敏度高，在实际应用中有很高的实用价值。
目前传感器按照其敏感材料、感知机理大致可分为六种：机械式、压阻式、电容式、压电式、压磁式和光电式。机械式传感器是由外力引起机械位移，但是其空间分辨率受到限制且结构复杂；压阻式传感器是利用单晶硅体材料的压阻效应和集成电路技术制成的，其具有很好的负载能力且动态范围宽，但同时也存在迟滞，弹性材料性能需要优化，单调响应非线性的缺点；电容式传感器原理为两平行板极间弹性介质层受压变形是容量变化，有动态范围宽、线性响应和坚固耐用的优点，但也有介电性易受温度影响及易受噪音干扰的缺点；压电式传感器的敏感元件是用压电的材料制作而成的，而当压电材料受到外力作用的时候，它的表面会形成电荷，电荷经过电荷放大器、测量电路以及变换阻抗以后，就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输出，它有很多优点：重量较轻、工作可靠、结构简单、信噪比高、灵敏度高以及信频宽等等；压磁式传感器将作用力的变化转化成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信号，有输出功率大、信号强、结构简单优点，但易受散场和噪音影响；光电式传感器用弹性体变形法调制光波，使压力转换为光图像，拥有高分辨率、无电气干扰、信号处理电路可远离传感器等优点，但性能对弹性体依赖较强且存在滞后。
压电式传感器是一种自发电式传感器，它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量动态力、动态压力、振动加速度等物理量。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固，可靠性、稳定性高。
但是现有的压电式传感器对局部力信号的空间高分辨率低、灵敏度低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于压电单元的三维力感知阵列传感器及压力解算方法，实现对局部微弱力信号的三维解算，得到大面积空间高分辨率的精确三维力感知，具有对局部力信号的空间高分辨率、高灵敏度的传感特点。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于压电单元的三维力感知阵列传感器，包括多个传感单元，所述传感单元包括硅基底、电极、导电层、压电纤维柱和绝缘层，所述电极的数量为四个，四个所述电极与所述硅基底连接，并位于所述硅基底的一侧，所述导电层位于所述电极远离所述硅基底的一侧，且连接负极，所述压电纤维柱的数量为四个，四个所述压电纤维柱与四个所述电极和所述导电层电连接，并垂直于所述电极和所述导电层之间，且位于靠近所述导电层边缘的一侧，所述绝缘层与所述导电层连接，并位于所述导电层远离四个所述压电纤维柱的一侧，多个所述传感单元沿以所述导电层中心点为原点建立的直角坐标系的X轴和Y轴阵列排列。
其中，所述压电纤维柱的高度为10-20mm，直径为0.1-0.2mm。
其中，四个所述压电纤维柱的中心点与所述导电层的中心点连线均相等。
其中，所述导电层和所述绝缘层的横截面积均为正方形，边长均为10mm，所述导电层的厚度为0.5mm，所述绝缘层的厚度为0.1mm。
其中，所述硅基底的横截面积为正方形，边长为10mm，所述硅基底的厚度为0.5mm。
其中，所述电极的横截面积为圆形，直径为2mm，厚度为0.2mm，四个所述压电纤维柱的中心点均分别位于四个所述电极的中心点。
第二方面，本发明提供一种基于压电单元的三维力感知阵列传感器的压力解算方法，包括：
以导电层的中心为原点，导电层远离绝缘层一侧的面为XOY平面，与压电纤维柱平行的方向为Y方向建立坐标系；
根据四个压电纤维柱分别受沿X、Y、Z轴压力时的电压或轴向应变规律，计算得到任意方向的压力。
本发明的一种基于压电单元的三维力感知阵列传感器及压力解算方法，通过包括多个沿以所述导电层中心点为原点建立的直角坐标系的X轴和Y轴阵列排列的所述传感单元，所述传感单元包括硅基底、电极、导电层、压电纤维柱和绝缘层，所述电极与所述硅基底连接，并位于所述硅基底的一侧，所述导电层位于所述电极远离所述硅基底的一侧，且连接负极，所述压电纤维柱与所述电极的数量均为四个，四个所述压电纤维柱与四个所述电极和所述导电层电连接，并垂直于所述电极和所述导电层之间，且位于靠近所述导电层边缘的一侧，所述绝缘层与所述导电层连接，并位于所述导电层远离四个所述压电纤维柱的一侧。实现采用四粱压电纤维结构，实现全向压力判断，且拥有较高的灵敏度，可实现对极微小的力方向及大小的准确判断，具有对局部力信号的空间高分辨率、高灵敏度的传感特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是本发明基于压电单元的三维力感知阵列传感器的结构示意图；
图2是本发明传感单元的结构示意图；
图3是本发明基于压电单元的三维力感知阵列传感器的压力解算方法的流程示意图；
图中：100-基于压电单元的三维力感知阵列传感器、1-传感单元、11-硅基底、12-电极、13-导电层、14-压电纤维柱、15-绝缘层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
第一方面，请参阅图1，图1是本发明基于压电单元的三维力感知阵列传感器100的结构示意图；请参阅图2，图2是本发明传感单元1的结构示意图；本发明提供一种基于压电单元的三维力感知阵列传感器100，包括多个传感单元1，所述传感单元1包括硅基底11、电极12、导电层13、压电纤维柱14和绝缘层15，所述电极12的数量为四个且与所述硅基底11连接，并位于所述硅基底11的一侧，所述导电层13位于所述电极12远离所述硅基底11的一侧，且连接负极，所述压电纤维柱14的数量为四个，四个所述压电纤维柱14与四个所述电极12和所述导电层13电连接，并垂直于所述电极12和所述导电层13之间，且位于靠近所述导电层13边缘的一侧，所述绝缘层15与所述导电层13连接，并位于所述导电层13远离四个所述压电纤维柱14的一侧，多个所述传感单元1沿以所述导电层13中心点为原点建立的直角坐标系的X轴和Y轴阵列排列。
在一实施方式中，所述硅基底11横截面积为正方形薄层，在所述硅基底11的上方固定有四个独立的所述电极12，四个所述压电纤维柱14平行，且与所述导电层13电连接，所述导电层13与导线相连接负极，即四个所述压电纤维柱14共负极，通过解算正电极电压，得到三维力方向及大小；四个所述压电纤维柱14的中心点与所述导电层13的中心点连线均相等，即是结构中心轴互等角度的圆柱纤维构成，每根直径为0.1-0.2mm，高度为10-20mm，四个所述压电纤维柱14位于靠近所述导电层13边缘的一侧。所述导电层13和所述绝缘层15的横截面积均为正方形，边长均为10mm，所述导电层13的厚度为0.5mm，所述绝缘层15的厚度为0.1mm。
在另一实施方式中，在所述硅基底11的上方固定有四个独立的所述电极12，四个所述压电纤维柱14平行，且与所述导电层13电连接，所述导电层13与导线相连接负极，即四个所述压电纤维柱14共负极，通过解算正电极电压，得到三维力方向及大小；四个所述压电纤维柱14的中心点与所述导电层13的中心点连线均相等，即是结构中心轴互等角度的圆柱纤维构成，每根直径为0.1-0.2mm，高度为10-20mm，四个所述压电纤维柱14位于靠近所述导电层13边缘的一侧。所述硅基底11横截面积为正方形，边长为10mm，所述硅基底11的厚度为0.5mm，所述电极12的横截面积为圆形，直径为2mm，厚度为0.2mm，四个所述压电纤维柱14的中心点均分别位于四个所述电极12的中心点。
第二方面，请参阅图3，图3是本发明基于压电单元的三维力感知阵列传感器的压力解算方法的流程示意图；本发明提供一种基于压电单元的三维力感知阵列传感器的压力解算方法，包括：
S101、以导电层13的中心为原点，导电层13远离绝缘层15一侧的面为XOY平面，与压电纤维柱14平行的方向为Y方向建立坐标系；
本发明实施例中，四个所述压电纤维柱14垂直于所述导电层13，平行于Z轴，四个所述压电纤维柱14远离所述导电层13的一侧为顶点，四个所述压电纤维柱14分别为a纤维柱、b纤维柱、c纤维柱、d纤维柱，则a纤维柱顶点的坐标为(-4.5，4.5，20)，b纤维柱的坐标为(4.5，4.5，20)，c纤维柱的坐标为(-4.5，-4.5，20)，d纤维柱的坐标为(4.5，-4.5，20)。
S102、根据四个压电纤维柱14分别受沿X、Y、Z轴压力时的电压或轴向应变规律，计算得到任意方向的压力。
本发明实施例中，沿X、Y、Z轴压力载荷大小相同，在各个载荷下得到的每个纤维的输出电压为电压比值，力作用点在所述绝缘层15上表面中心，相比于Z轴压力载荷，四个所述压电纤维柱14对X、Y轴压力载荷更敏感。Ua,Ub,Uc,Ud为四个所述压电纤维柱14敏感任意压力得到的电压值。同时，无论是受沿X轴还是Y轴压力载荷，Uax+Ubx+Ucx+Udx＝Uay+Uby+Ucy+Udy＝0，即XOY平面内四个所述压电纤维电压和为0，受沿Z轴载荷时，Uaz＝Ubz＝Ucz＝Udz。
Z方向上的电压：
去除Z方向电压后，a纤维柱、b纤维柱、c纤维柱、d纤维柱在XOY平面内的电压分别为：Ua-Uz，Ub-Uz,Uc-Uz,Ud-Uz；
X方向上的电压：
Ux＝-(Ua-Uz)cos45°+(Ub-Uz)cos45°-(Uc-Uz)cos45°+(Ud-Uz)cos45°；
即：
Y方向上的电压：
Uy＝(Ua-Uz)sin45°+(Ub-Uz)sin45°-(Uc-Uz)sin45°-(Ud-Uz)sin45°；
即：
Ax,Ay,AZ分别为X,Y,Z方向上的压力载荷分量，则：
Ax:Ay:
为了验证以上计算的准确性以及精确度，采用了如下方法进行验证。对四个所述压电纤维柱14施加不同方向、相同大小的压力载荷。力作用点为所述绝缘层15上表面中心。通过多次试验，将四个所述压电纤维柱14轴向应变的和进行解算，解算出压力的矢量方向和模的大小。根据四个所述压电纤维桩柱输出电压解算出压力的矢量方向和模的大小。通过解算不同方向载荷的各轴轴向应变比例关系，合成的向量模大小均为0.875×10-5，最大误差1×10-8。其轴向应变灵敏度为：
通过解算不同方向载荷的各轴电压比例关系，合成的向量模大小均为1.56×10- 13V，最大误差1×10-5。电压变灵敏度为：
工作过程为：当外界有压力施加到压力传感器的所述绝缘层15上时，引起四个所述压电纤维柱14变形，由于这种材料的压电效应，其内部发生激化现象，利用压电纤维沿轴向极化，及纤维通过电荷放大器和测量电路对所述导电层13和所述电极12间的电荷分别进行放大和测量，测量结果的变化间接反映外界压力的变化，进而计算出压力的大小。
本发明的一种基于压电单元的三维力感知阵列传感器，通过包括多个沿以所述导电层13中心点为原点建立的直角坐标系的X轴和Y轴阵列排列的所述传感单元1，所述传感单元1包括硅基底11、电极12、导电层13、压电纤维柱14和绝缘层15，所述电极12与所述硅基底11连接，并位于所述硅基底11的一侧，所述导电层13位于所述电极12远离所述硅基底11的一侧，且连接负极，所述压电纤维柱14与所述电极12的数量均为四个，四个所述压电纤维柱14分别与四个所述电极12和所述导电层13电连接，并垂直于所述电极12和所述导电层13之间，且位于靠近所述导电层13边缘的一侧，所述绝缘层15与所述导电层13连接，并位于所述导电层13远离四个所述压电纤维柱14的一侧。实现采用四粱压电纤维结构，实现全向压力判断，且拥有较高的灵敏度，可实现对极微小的力方向及大小的准确判断，具有对局部力信号的空间高分辨率、高灵敏度的传感特点。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (7)
1.一种基于压电单元的三维力感知阵列传感器，其特征在于，
包括多个传感单元，所述传感单元包括硅基底、电极、导电层、压电纤维柱和绝缘层，所述电极与所述硅基底连接，并位于所述硅基底的一侧，所述导电层位于所述电极远离所述硅基底的一侧，且连接负极，所述压电纤维柱和所述电极的数量均为四个，四个所述压电纤维柱与四个所述电极和所述导电层电连接，并垂直于所述电极和所述导电层之间，且位于靠近所述导电层边缘的一侧，所述绝缘层与所述导电层连接，并位于所述导电层远离四个所述压电纤维柱的一侧，多个所述传感单元沿以所述导电层中心点为原点建立的直角坐标系的X轴和Y轴阵列排列。
2.如权利要求1所述的基于压电单元的三维力感知阵列传感器，其特征在于，
所述压电纤维柱的高度为10-20mm，直径为0.1-0.2mm。
3.如权利要求2所述的基于压电单元的三维力感知阵列传感器，其特征在于，
四个所述压电纤维柱的中心点与所述导电层的中心点连线均相等。
4.如权利要求3所述的基于压电单元的三维力感知阵列传感器，其特征在于，
所述导电层和所述绝缘层的横截面积均为正方形，边长均为10mm，所述导电层的厚度为0.5mm，所述绝缘层的厚度为0.1mm。
5.如权利要求4所述的基于压电单元的三维力感知阵列传感器，其特征在于，
所述硅基底的横截面积为正方形，边长为10mm，所述硅基底的厚度为0.5mm。
6.如权利要求5所述的基于压电单元的三维力感知阵列传感器，其特征在于，
所述电极的横截面积为圆形，直径为2mm，厚度为0.2mm，四个所述压电纤维柱的中心点均分别位于四个所述电极的中心点。
7.一种基于压电单元的三维力感知阵列传感器的压力解算方法，其特征在于，包括：
以导电层的中心为原点，导电层远离绝缘层一侧的面为XOY平面，与压电纤维柱平行的方向为Y方向建立坐标系；
根据四个压电纤维柱分别受沿X、Y、Z轴压力时的电压或轴向应变规律，计算得到任意方向的压力。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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