CN112556894A - 一种mems深度力矢量及位置传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MEMS深度力矢量及位置传感器，包括安装板、弹性支撑、基板、微凸点阵、接触凸点和阵列式接触传感器，基板的上部与接触凸点相连，基板的下部通过弹性支撑与安装板相连，微凸点阵位于基板的底部，阵列式接触传感器位于安装板上且位于相邻弹性支撑之间，外部作用力作用在接触凸点上，接触凸点产生变形，同时微凸点阵与阵列式接触传感器接触从而测算出外部作用力的作用点、大小和方向。本发明所提供的一种MEMS深度力矢量及位置传感器，采用深度传感器作用原理，MEMS层通过接触弹性微凸点位置可确定力矢量方向，电子层通过触点相对位置，接触斑得到力的大小。可以同时测量力矢量、作用位置和大小。方法简便可靠，应用领域广泛。

Description

一种MEMS深度力矢量及位置传感器
技术领域
本发明属于深度传感器检测技术领域，具体涉及一种MEMS深度力矢量及位置传感器。
背景技术
压敏触控笔可以通过检测到的压力来得到线条的粗细和阴影，并不能检测到力的矢量方向和大小。本发明还有一层MEMS机械层，可以解析出力矢量方向和位置，下层的感应电子层包含了上层MEMS机械层的方位信息，通过观察接触斑，可以进一步精确得出作用的力矢量方向和位置。相当于压敏触控笔只有下面的感应电子层，测量结果并不精确，灵敏度不高。现有的汽车驾驶杆需要拆解才能得出智慧曲线。通过视觉可以得出力的方向和位移，视觉测量是一种无损检测方法，不能得到力的大小。本发明可通过戴手套操纵驾驶杆，安装多面体工装，得出空间方位位置矢量和大小。可以运用于安防系统的智能按钮，可通过按压力的左右、上下变换，引起感知层的变化。解析压力的作用点、方向、大小确定解码密码。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种使用方便，能同时测量力的作用点、力矢量和力的大小的MEMS深度力矢量及位置传感器。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种MEMS深度力矢量及位置传感器，包括安装板、弹性支撑、基板、微凸点阵、接触凸点和阵列式接触传感器，基板的上部与接触凸点相连，基板的下部通过弹性支撑与安装板相连，微凸点阵位于基板的底部，阵列式接触传感器位于安装板上且位于相邻弹性支撑之间，外部作用力作用在接触凸点上，接触凸点产生变形，同时微凸点阵与阵列式接触传感器接触从而精确测算出外部作用力的作用点、大小和方向。
优选地，所述微凸点阵包括多个凸点，凸点呈阵列状分布。
优选地，所述凸点包括椭球形、五面体、菱形状的四面体和六面体。
优选地，所述阵列式接触传感器连接外部电路，微凸点阵中的凸点与阵列式接触传感器接触时对应电路连通；微凸点阵中的凸点与阵列式接触传感器未接触时，对应电路断开，外部检测设备通过检测对应电路通断的电信号形成凸点与阵列式接触传感器接触的点阵拓扑图形，根据点阵拓扑图形得出接触凸点受力的矢量方向、位置和大小。
优选地，所述阵列式接触传感器包括多个接触式传感器，接触式传感器呈阵列分布。
优选地，所述接触式传感器包括电容传感器或电阻传感器。
优选地，所述弹性支撑为欠约束，弹性支撑能朝一个方向做往返运动。
优选地，所述接触凸点为半球体结构。
本发明的有益效果是：本发明所提供的一种MEMS深度力矢量及位置传感器，采用深度传感器作用原理，MEMS层通过接触弹性微凸点位置可确定力矢量方向，电子层通过触点相对位置，接触斑得到力的大小。可以同时测量力矢量、作用位置和大小。方法简便可靠，应用领域广泛。
附图说明
图1是本发明一种MEMS深度力矢量及位置传感器的结构示意图；
图2是本发明的接触凸点的受力位置示意图；
图3是本发明接触凸点受力后阵列式接触传感器上的状态示意图；
图4是本发明凸点的截面示意图；
图5是本发明阵列式信息与力矢量的关系图；
图6是本发明阵列式接触传感器的接触斑点云图。
附图标记说明：1、安装板；2、弹性支撑；3、基板；4、微凸点阵；5、接触凸点；6、阵列式接触传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1到图6所示，本发明提供的一种MEMS深度力矢量及位置传感器，包括安装板1、弹性支撑2、基板3、微凸点阵4、接触凸点5和阵列式接触传感器6，基板3的上部与接触凸点5相连，基板3的下部通过弹性支撑2与安装板1相连，微凸点阵4位于基板3的底部，阵列式接触传感器6位于安装板1上且位于相邻弹性支撑2之间，外部作用力作用在接触凸点5上，接触凸点5产生变形，同时微凸点阵4与阵列式接触传感器6接触从而精确测算出外部作用力的作用点、大小和方向。
在本实施例中，安装板1位于底部，阵列式接触传感器6构成感知电子层，弹性支撑2和基板3构成MEMS机械层。本发明中的弹性支撑2为欠约束，弹性支撑2能朝一个方向做往返运动。
外力的作用在接触凸点5上时，接触凸点5会发生微小的变形，可确定唯一位置。基板3上布置微凸点阵4感知外力的位置和作用点。当作用力在接触凸5点上面，形成实际接触点区域，引起微凸点阵4下压发生微小变形，微凸点阵4接触到阵列式接触传感器6，微凸点阵4和阵列式接触传感器6可以设计成不同的点阵形状，根据实际情况，排列出力矢量显示效果好的阵列形状。增加本发明的使用范围和测量精确度。
微凸点阵4包括多个凸点，凸点呈阵列状分布，凸点的截面形状为圆形。在实际使用过程中，可根据实际使用需要和测量的需要对凸点的形状进行适应性设计，凸点包括椭球形、五面体、菱形状的四面体和六面体。增加本发明的使用范围和实用性。
阵列式接触传感器6连接外部电路，微凸点阵4中的凸点与阵列式接触传感器6接触时对应电路连通。微凸点阵4中的凸点与阵列式接触传感器6未接触时，对应电路断开，外部检测设备通过检测对应电路通断的电信号形成凸点与阵列式接触传感器6接触的点阵拓扑图形，根据点阵拓扑图形得出接触凸点5受力的矢量方向、位置和大小。
在本实施例中，阵列式接触传感器6包括多个接触式传感器，接触式传感器呈阵列分布。接触式传感器包括电容传感器或电阻传感器，接触凸点5为半球体的椭圆状结构。接触凸点5、微凸点阵4中的凸点以及阵列式接触传感器6均为现有成熟技术设备。接触凸点5和微凸点阵4中的凸点均由现有的弹性材料制成。在实际使用过程中，可根据实际使用需求，将接触凸点5还可制作为球体或橄榄球体状结构，接触凸点4中的凸点还可以制作为为棱形状结构，球体形状等。
如图4所示，本发明中阵列式接触传感器6生产多种形式的拓扑图形，根据形成的阵列，可以反推出力矢量的法向和作用点，微凸点阵的不同形状结构所在阵列式接触传感器6形成的图形不同，产生的点阵拓扑图形会有所差异。当力作用在接触凸点5上时，微凸点阵4受到力的作用会发生微小变形。
阵列式接触传感器6形成的感知电子层收到接触的深度信息形成接触斑的点云图，点云图如图5所示，对点云图进行分析：接触斑灰色信息包含空间位置信息、数字图形化信息、电容信息，通过接触斑的形状可反推出力矢量的方向，根据密集布置点位置推断出力的作用点。建立接触斑的坐标系，经过实际力信息的积分可解析出力的大小。如图4所示的接触斑，力的作用点可通过颜色较深的地方进行判断，力的矢量方向基本为垂直向下方向，偏左上方向下压。力的大小可通过计算得出。
为了便于理解本发明的工作原理，将本发明的工作过程叙述一遍：
当作用力在接触凸点5上面，形成实际接触点区域，按压微凸点阵4发生变形，接触到阵列式接触传感器6。微凸点阵4和阵列式接触传感器6可以设计成不同的点阵形状，根据实际情况，排列出力矢量显示效果好的阵列形状。微凸点阵4和阵列式接触传感器6相对应的点相接触，接触信号点的电路连通，构成闭合回路，未接触的点电路断开。通过检测电信号可得到接触信号点形成唯一的点阵形状，不同的接触点阵可反推出唯一的力矢量方向和位置。根据阵列式接触传感器6所形成的拓扑图形，所产生不同的信息，解析得到力的作用点和矢量方向。感知电子层可以经过产生的接触斑解析力信息，通过接触斑的形状可反推出力矢量的方向，根据密集布置点位置推断出力的作用点。建立接触斑的坐标系，经过实际力信息的积分可解析出力的大小。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种MEMS深度力矢量及位置传感器，其特征在于：包括安装板(1)、弹性支撑(2)、基板(3)、微凸点阵(4)、接触凸点(5)和阵列式接触传感器(6)，基板(3)的上部与接触凸点(5)相连，基板(3)的下部通过弹性支撑(2)与安装板(1)相连，微凸点阵(4)位于基板(3)的底部，阵列式接触传感器(6)位于安装板(1)上且位于相邻弹性支撑(2)之间，外部作用力作用在接触凸点(5)上，接触凸点(5)产生变形，同时微凸点阵(4)与阵列式接触传感器(6)接触从而精确测算出外部作用力的作用点、大小和方向。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS深度力矢量及位置传感器，其特征在于：所述微凸点阵(4)包括多个凸点，凸点呈阵列状分布。
3.根据权利要求2所述的一种MEMS深度力矢量及位置传感器，其特征在于：所述凸点包括椭球形、五面体、菱形状的四面体和六面体。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS深度力矢量及位置传感器，其特征在于：所述阵列式接触传感器(6)连接外部电路，微凸点阵(4)中的凸点与阵列式接触传感器(6)接触时对应电路连通；微凸点阵(4)中的凸点与阵列式接触传感器(6)未接触时，对应电路断开，外部检测设备通过检测对应电路通断的电信号形成凸点与阵列式接触传感器(6)接触的点阵拓扑图形，根据点阵拓扑图形得出接触凸点(5)受力的矢量方向、位置和大小。
5.根据权利要求1所述的一种MEMS深度力矢量及位置传感器，其特征在于：所述阵列式接触传感器(6)包括多个接触式传感器，接触式传感器呈阵列分布。
6.根据权利要求4所述的一种MEMS深度力矢量及位置传感器，其特征在于：所述接触式传感器包括电容传感器或电阻传感器。
7.根据权利要求1所述的一种MEMS深度力矢量及位置传感器，其特征在于：所述弹性支撑(2)为欠约束，弹性支撑(2)能朝一个方向做往返运动。
8.根据权利要求1所述的一种MEMS深度力矢量及位置传感器，其特征在于：所述接触凸点(5)为半球体结构。
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