CN112099669B - 用于腕背部手势识别的驻极体电容式压力传感器单元阵列 - Google Patents

用于腕背部手势识别的驻极体电容式压力传感器单元阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于腕背部手势识别的驻极体电容式压力传感器单元阵列，由8个驻极体电容式压力传感器单元以4*2的排列方式排列而成的一个菱形阵列；每个驻极体电容式压力传感器单元包括：驻极体薄膜，用以感知压力变化从而产生形变；背电极，与驻极体薄膜位置相对，中间留有一个极小的空气间隙作为绝缘介质，并从金属层和背电极引出两根电极；印制板，集成了传感器的信号预处理电路；圆柱形铜环，上下层分别用驻极体薄膜和背电极覆盖；信号预处理电路，集成在印制板上；椭圆形小气囊，置于传感器单元最外层，用来屏蔽噪声以及解决恶劣环境下水汽侵蚀的问题。本发明具有体积小、结构简单等特点，适用于手势识别的应用场景中。

Description

用于腕背部手势识别的驻极体电容式压力传感器单元阵列
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种用于腕背部手势识别的驻极体电容式压力传感器单元阵列。
背景技术
进入21世纪，信息技术的蓬勃发展对人类社会产生的深远的影响，人机交互技术作为计算机系统的一个重要组成部分，近年来一直是研究热点。随着智能电视、智慧屏的出现，传统的基于鼠标、键盘的人机交互技术的局限性日益凸显，如何使得人与机器的交互能够自然的模拟人与人之间的交流变得更加紧迫重要。触摸屏的出现给使用者带来了全新的体验，使得人与机器的交互变得简单起来，但使用者不可避免的被限制在屏幕前面。作为一种常见的人机交互和人际交流的方式，手势具有自然的优越性、直观性、便捷性。手势是一种人类的基本特征，是人际交往中不可或缺的一部分，基于手势识别技术的应用也开始渗透到人们生活的方方面面。比如在虚拟现实技术中取代传统的鼠标键盘，给用户提高更高的便携性并增强体验感；将手势识别应用到辅助驾驶系统中，可在一定程度上提高驾驶的安全性，减少事故的发生；对于未经手语训的人来说，理解这种语言并非易事，将手势识别应用到手语认知上，可大大提高普通人与聋哑人的交流。
目前手势识别技术主要有以下几种：基于数据手套的手势识别，数据手套含有多个传感器，通过与用户的肢体直接接触来获取运动信号，将运动信号转换为数字信号再送往计算机中集中处理，尽管数据手套识别技术获取运动信号简单、识别率高，但其附属的连接线给用户带来不便，并且价格对普通消费者来说相对昂贵；基于加速度传感器的手势识别，加速度传感器主要用于手势运动过程中的姿态分析，同时可用于手势跟踪及手势轨迹的识别。2006年，任天堂通过改进普通游戏手柄，实现了在游戏场景中的肢体动作识别，极大的提高的用户的游戏体验；基于计算机视觉的手势识别，通过摄像头获取手势图像，然后对图像序列做进一步处理，分割出手势区域并获取手势的基本信息，最后将其与事先训练好的手势信息做特征匹配，进而实现手势识别，然而该方法严格限定用户处于与摄像设备没有遮挡的范围内，并且识别结果容易受到外界环境的影响。
近年来，基于传感器的手势识别技术逐渐受到关注，并且随着各种小型化的传感器芯片的出现，被很好的应用于可穿戴设备上，由于单个传感器很难识别复杂的手势动作，因此基于传感器阵列的手势识别技术会是一个很有潜力的发展方向。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于腕背部手势识别的驻极体电容式压力传感器单元阵列，将硅胶制的气囊置于传感器最外层并通过与腕部皮肤直接接触来采集手指运动时腕背部肌肉运动信号，可以有效监测人体腕部运动情况。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于腕背部手势识别的驻极体电容式压力传感器单元阵列，包括有 8个驻极体电容式压力传感器单元，多个驻极体电容式压力传感器单元以2排多列的排列方式排列成菱形阵列；每个驻极体电容式压力传感器单元包括有一个驻极体电容式压力传感器和信号预处理电路，在驻极体电容式压力传感器和信号预处理电路外侧包覆有气囊，气囊的顶部外凸呈半圆形，气囊接触腕背部皮肤，驻极体电容式压力传感器采集腕背部运动信号，采集的信号再经信号预处理电路滤波、放大后输出。气囊用来屏蔽噪声、解决恶劣环境下水汽侵蚀的问题。
所述的多个驻极体电容式压力传感器单元的数量为8个，以4*2的排列方式排列成菱形阵列
所述的气囊为硅胶气囊。
所述的驻极体电容式压力传感器包括有金属层、驻极体薄膜、背电极和圆柱形铜环，驻极体薄膜，用以感知压力变化从而产生形变，所述的金属层覆于所述驻极体薄膜表面；驻极体薄膜和背电极分别覆盖在圆柱形铜环的上下端，并分别从金属层和背电极引出两根电极；
所述的驻极体电容式压力传感器和信号预处理电路均集成在印制板上，印制板位于背电极的下方。
所述的多个驻极体电容式压力传感器单元放在腕背部进行腕部运动信号的检测，在检测的过程中，当使用者手指运动时，腕背部肌肉会相应的收缩和舒张，进而引起驻极体薄膜震动形变，根据压电薄膜的压电效应，驻极体薄膜震动形变引起输出电压的变化，再通过信号预处理电路完成压力信号向电信号的转变。
驻极体电容式压力传感器单元的个数为8个，以4*2错位排列成菱形的结构，该驻极体电容式压力传感器阵列的尺寸足够小，可用于可穿戴设备，例如腕表、手环等。
传感器是用锡焊接在信号预处理电路板上，目前传感器是直插式的，若大规模生产的话考虑贴片。气囊的固定是小批量手工胶粘，大批量做模具一次性塑胶固化。
本发明的优点是：针对目前能实际采集生物运动信号的传感器不多，且体积都偏大，不利于手势识别的应用场景中，本发明提出的驻极体电容式压力传感器阵列具有体积小、结构简单等特点，完全满足可穿戴设备对传感器尺寸的要求；
由于手势运动信号复杂，单个传感器模块很难完成识别，因此本发明提出一种传感器阵列，由8个传感器模块错位排成4*2的菱形阵列来采集运动信号，提高了信号采集的准确率和稳定性。
由于手势识别传感器直接与皮肤接触很容易受到损坏，如PVDF压力传感器老化失效等问题，因此本发明提出在驻极体电容式压力传感器模块外加一个椭圆形小气囊用以屏蔽噪声，防止恶劣环境下水汽侵蚀等问题，并且减小了传感器模块与腕部皮肤接触，提升了使用者佩戴的舒适感。
附图说明
图1为驻极体电容式压力传感器单元结构示意图。
图2为驻极体电容式压力传感器单元阵列结构示意图。
具体实施方式
如图2所示，一种用于腕背部手势识别的驻极体电容式压力传感器单元阵列，包括有多个驻极体电容式压力传感器单元1，多个驻极体电容式压力传感器单元1以2排多列的排列方式排列成菱形阵列；实施例中多个驻极体电容式压力传感器单元的数量为8个，以4*2的排列方式排列成菱形阵列，每个驻极体电容式压力传感器单元1包括有一个驻极体电容式压力传感器和信号预处理电路，在驻极体电容式压力传感器和信号预处理电路外侧包覆有气囊2，所述的气囊2为硅胶气囊。气囊2的顶部外凸呈半圆形，气囊2接触腕背部皮肤，驻极体电容式压力传感器采集腕背部运动信号，采集的信号再经信号预处理电路滤波、放大后输出。气囊2用来屏蔽噪声、解决恶劣环境下水汽侵蚀的问题。
如图1所示，所述的驻极体电容式压力传感器包括有金属层3、驻极体薄膜4、背电极5和圆柱形铜环6，驻极体薄膜4，用以感知压力变化从而产生形变，所述的金属层3覆于所述驻极体薄膜4表面；驻极体薄膜4和背电极5分别覆盖在圆柱形铜环6的上下端，并分别从金属层3和背电极5引出两根电极；
所述的驻极体电容式压力传感器和信号预处理电路均集成在印制板7上，印制板7位于背电极5的下方。
所述的8个驻极体电容式压力传感器单元放在腕背部进行腕部运动信号的检测，在检测的过程中，当使用者手指运动时，腕背部肌肉会相应的收缩和舒张，进而引起驻极体薄膜4震动形变，根据压电薄膜的压电效应，驻极体薄膜震动形变引起输出电压的变化，再通过信号预处理电路完成压力信号向电信号的转变。
驻极体电容式压力传感器单元的个数为8个，以4*2错位排列成菱形的结构，该驻极体电容式压力传感器阵列的尺寸足够小，可用于可穿戴设备，例如腕表、手环等。
在检测的过程中，当使用者手指运动时，腕部肌肉会相应的收缩和舒张，进而引起驻极体薄膜震动形变 ，根据公式C=εS/4πkd ，d的变化会引起C的变化，再根据电荷公式Q=CU,其中Q是定值，C的变化会引起U的变化，这样就完成了压力信号向电信号的转变。

Claims (3)

1.一种用于腕背部手势识别的驻极体电容式压力传感器单元阵列，其特征在于：包括有多个驻极体电容式压力传感器单元，多个驻极体电容式压力传感器单元以2排多列的排列方式排列成菱形阵列；每个驻极体电容式压力传感器单元包括有一个驻极体电容式压力传感器和信号预处理电路，在驻极体电容式压力传感器和信号预处理电路外侧包覆有气囊，气囊的顶部外凸呈半圆形，气囊接触腕背部皮肤，驻极体电容式压力传感器采集腕背部运动信号，采集的信号再经信号预处理电路滤波、放大后输出；
所述的驻极体电容式压力传感器包括有金属层、驻极体薄膜、背电极和圆柱形铜环，所述的金属层覆于所述驻极体薄膜表面；驻极体薄膜和背电极分别覆盖在圆柱形铜环的上下端，并分别从金属层和背电极引出两根电极；
所述的驻极体电容式压力传感器和信号预处理电路均集成在印制板上，印制板位于背电极的下方；
所述的多个驻极体电容式压力传感器单元放在腕背部进行腕部运动信号的检测，在检测的过程中，当使用者手指运动时，腕背部肌肉会相应的收缩和舒张，进而引起驻极体薄膜震动形变，根据压电薄膜的压电效应，驻极体薄膜震动形变引起输出电压的变化，再通过信号预处理电路完成压力信号向电信号的转变。
2.根据权利要求1所述的一种用于腕背部手势识别的驻极体电容式压力传感器单元阵列，其特征在于：所述的多个驻极体电容式压力传感器单元的数量为8个，以4*2的排列方式排列成菱形阵列。
3.根据权利要求1所述的一种用于腕背部手势识别的驻极体电容式压力传感器单元阵列，其特征在于：所述的气囊为硅胶气囊。
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