TW201802442A - 感測裝置 - Google Patents
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Abstract
一種感測裝置，其包括：基板，支撐結構，以及至少2個應力感測部件；該支撐結構包括底端與觸摸端，該支撐結構的底端設置在基板上，每個應力感測部件包括第一電極，設置在第一電極上的壓電材料層以及設置在壓電材料表面的第二電極，該第一電極與第二電極分別與該壓電材料層電性連接，該第一電極呈弧形，每個第一電極包括第一端與第二端，每個第一電極的第一端與該基板固定，每個第一電極的第二端固定在該支撐結構上的底端與觸摸端之間的同一高度處，該支撐結構的觸摸端凸出於每個該第二端，每個該壓電材料層的中心與該基板的距離相等。
Description
本發明涉及感測器領域，尤其涉及一種能同時感測三維應力與測量與障礙物距離的感測裝置。
壓力感測器的應用相當普遍，包含機器人、資訊電腦領域、工業生產自動化、生醫領域、無線生理監控及遊戲機之搖桿或手把等方面都可見壓力感測器的利用。先前技術中壓力感測器大部分系限於一維方向上應力的量測。
有鑑於此，有必要提供一種能夠多維測量應力的感測裝置。
一種感測裝置，其包括：基板，支撐結構，以及至少2個應力感測部件；
該支撐結構包括底端以及與底端相背的觸摸端，該支撐結構的底端設置在基板上，
每個應力感測部件包括第一電極，設置在第一電極上的壓電材料層以及設置在壓電材料表面的第二電極，該第一電極與第二電極分別與該壓電材料電性連接，該第一電極呈弧形形狀，
每個第一電極包括第一端與第二端，每個第一電極的第一端與基板固定，且每個第一電極的第一端均勻分佈在以支撐結構的底端為圓心、以其中的一個第一端與底端的距離為半徑所形成的圓周上，每個第一電極的第二端固定在支撐結構的底端與觸摸端之間的同一高度處，該支撐結構的觸摸端凸出於每個第一電極的該第二端，每個壓電材料層的中心與該基板的距離相等，該支撐結構的觸摸端受到外界的壓力時，該至少2個應力感測部件分別用於感測外界的壓力的大小。
與先前技術相比，本發明提供的感測裝置，可以用於三維應力的測量，改變了傳統的應力測量裝置僅限於Z軸（一維）方向上應力的測量。
圖1是本發明提供的感測裝置的示意圖。
圖2圖1所示的感測裝置的俯視圖。
圖3是圖1所示的感測裝置的仰視圖。
下面將結合附圖及實施例，對本發明提供的感測裝置作進一步的詳細說明。
請參閱圖1-3，一種感測裝置100，其包括：基板10、電路板20，支撐結構30，應力感測組40，第一信號處理模組50、超聲波發生裝置60、第二信號處理模組70以及電連接端子（connection port）80。
該基板10用於起支撐作用。該基板10包括上表面11以及與上表面相背的下表面12。該基板10的上表面11沿四軸邊緣開設有一環形凹槽110，該環形凹槽110用於埋設電連接該超聲波發生裝置60以及該第二信號處理模組70之間的信號線112（Signal transmit line ）。
該電路板20設置在該基板10的下表面12上。
該支撐結構30大致呈柱體形狀，其包括底端31以及與底端31相背的觸摸端32，該支撐結構30的底端31設置在基板10的上表面11上，該支撐結構30的材料為彈性材料，譬如橡膠，或者矽膠製成。該支撐結構30的觸摸端32用於感受外界的壓力，也即用於接受人的撫摸或者碰觸。
應力感測組40包括多個應力感測部件，請參閱圖2，在本實施方式中，該應力感測部件的數量為4個，4個應力感測部件401、402、403、404共同用於測量X軸、Y軸、Z軸方向上的應力，也即應力感測組用於測量3維方向上的應力。
每個應力感測部件包括第一電極410，沉積在第一電極410上的壓電材料層420以及沉積在壓電材料層420表面的第二電極430，該第一電極410與第二電極430分別與該壓電材料層420電性連接。
該第一電極410的材料為金屬，優選為不銹鋼材料。
壓電材料層420的壓電材料可為單晶材料、高分子材料、薄膜材料、陶瓷材料、複合材料等，例如是PbZrTiO3、BaTiO3、ZnO、PVDF以及石英等材料，但不以此為限，而可為其它能產生壓電信號的壓電材料。
該第一電極410呈弧形形狀，使其避免應力集中而造成材料疲勞。優選地，相對的兩個第一電極410形成半圓形狀。每個第一電極410包括第一端411與第二端412，每個第一電極410的第一端411與基板10固定，且每個第一電極410的第一端411均勻分佈在以支撐結構30的底端31為圓心、以其中的一個第一電極的第一端411與底端31的距離為半徑所形成的圓周上。每個第一電極410的第二端412固定在支撐結構30的底端31與觸摸端32之間的同一高度處，該支撐結構30的觸摸端32凸出於每個第一電極410的該第二端412。每個壓電材料層420的中心與該基板10的距離相等。觸摸端32凸出於每個第一電極410的該第二端412是用於感觸外界的壓力。
請參見圖2，每個應力感測部件在該基板10上的投影與其相鄰的應力感測部件在該基板10上的投影相互垂直，且相對的兩個感測部件在該基板10上的投影位於同一條直線上。
具體地，應力感測部件401、403相對設置，其在基板10上的投影位於同一條直線上，其用於測量X軸與Z軸方向上的應力，當應力感測部件401、403的該壓電材料層發生形變（應變）時，分別會產生一個電壓，根據形變量與電壓的關係可以得出應力的大小，形變量沿水準方向的分量值可以用於測量X軸方向上的應力，形變量沿豎直方向的分量值可以用於測量Z軸方向上的應力。根據形變量與應力之間的關係表，就可以得出X軸、Z軸方向上的應力。
應力感測部件402、404相對設置，其在基板10上的投影位於同一條直線上，其用於測量Y軸與Z軸上的應力，當應力感測部件402、404的該壓電材料層發生形變時，分別會產生一個電壓，根據形變量與電壓的關係可以得出應力的大小，形變量沿水準方向的分量值可以用於測量Y軸方向上的應力，形變量沿豎直方向的分量值可以用於測量Z軸方向上的應力，根據形變量與應力之間的關係表，就可以得出Y軸、Z軸方向上的應力。
該第一信號處理模組50設置在該電路板20上且與該4個應力感測部件30電性連接，該第一信號處理模組50內部建立有形變數、電壓以及應力三者之間關係的資料庫，該第一信號處理模組50用以從應力感測部件40處接收輸出的電壓信號，並對輸出電壓進行運算處理，將運算結果與資料庫的數值進行比對，最終計算出應力的大小，以產生一第一輸出信號。
該超聲波發生裝置60以及該第二信號處理模組70通過嵌入的方式設置在該基板10上。該超聲波發生裝置50用於發出超聲波，該第二信號處理模組70用於接收超聲波發出的聲音信號，當該超聲波發生裝置60發出的聲音信號遇到障礙物時會發生反射被第二信號處理模組70接收，第二信號處理模組70會根據反射回的聲音信號來計算距離障礙物的距離，從而產生一第二輸出信號。譬如，第二輸出信號可以是使安裝有該感測裝置100的產品前進或者後退或者改變前進方向的指令。
該電連接端子80電性連接於該第一信號處理模組50與第二信號處理模組70，該電連接端子80用於接收該第一信號處理模組50與第二信號處理模組70輸出的第一及第二輸出信號並且執行第一及第二輸出信號的命令。
該感測裝置100的工作原理是：該感測裝置100可以設置在機器人、醫療器械或者玩具等產品上，該超聲波發生裝置60用於即時感測該感測裝置100與障礙物的距離，具體地，該超聲波發生裝置60用於發出超聲波信號，當超聲波信號遇到障礙物時，超聲波信號會發生反射被第二信號處理模組70接收，第二信號處理模組70可以根據接收到的超聲波信號進行計算進而來判斷與障礙物的距離從而輸出一個第二信號。
當該感測裝置100的該觸摸端32感測到人的撫摸或者碰觸時，該超聲波發生裝置60停止發出超聲波，進而是該應力感測組40開始工作，每個應力感測部件由於外力使該壓電材料層420會發生形變（應變），從而產生一個電壓，該第一信號處理模組50接收輸出的該電壓並對輸出的該電壓進行運算處理，以產生一第一輸出信號，並且被該電連接端子80接收，該電連接端子80用於執行第一及第二輸出信號發出的指令。
綜上所述，本發明提供的感測裝置，將應力感測組與超聲波發生裝置集成在一起，與障礙物距離較遠時可以利用超聲波發生裝置60感測與障礙物的距離，當該應力感測組包括的觸摸端受到外力時，超聲波發生裝置60停止工作，使用該應力感測組40感測三維方向上的應力的大小。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100‧‧‧感測裝置
10‧‧‧基板
11‧‧‧上表面
112‧‧‧信號線
12‧‧‧下表面
20‧‧‧電路板
30‧‧‧支撐結構
40‧‧‧應力感測組
41、42、43、44‧‧‧應力感測部件
60‧‧‧超聲波發生裝置
50‧‧‧第一信號處理模組
70‧‧‧第二信號處理模組
80‧‧‧電連接端子
31‧‧‧底端
32‧‧‧觸摸端
410‧‧‧第一電極
430‧‧‧第二電極
20‧‧‧壓電材料層
411‧‧‧第一端
412‧‧‧第二端
110‧‧‧容納槽
無
100‧‧‧感測裝置
10‧‧‧基板
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112‧‧‧信號線
12‧‧‧下表面
20‧‧‧電路板
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31‧‧‧底端
32‧‧‧觸摸端
410‧‧‧第一電極
430‧‧‧第二電極
420‧‧‧壓電材料層
411‧‧‧第一端
412‧‧‧第二端
110‧‧‧容納槽
Claims (10)
- 一種感測裝置，其包括：基板，支撐結構，以及至少2個應力感測部件； 該支撐結構包括底端以及與底端相背的觸摸端，該支撐結構的底端設置在基板上， 每個應力感測部件包括第一電極，設置在第一電極上的壓電材料層以及設置在壓電材料表面的第二電極，該第一電極與第二電極分別與該壓電材料層電性連接，其中：該第一電極呈弧形形狀， 每個第一電極包括第一端與第二端，每個第一電極的第一端與該基板固定，且每個第一電極的第一端均勻分佈在以支撐結構的底端為圓心、以其中的一個第一端與底端的距離為半徑所形成的圓周上，每個第一電極的第二端固定在該支撐結構上的底端與觸摸端之間的同一高度處，該支撐結構的觸摸端凸出於每個該第一電極的該第二端，每個該壓電材料層的中心與該基板的距離相等。
- 如請求項1所述的感測裝置，其中，該應力感測部件的數量為4個，每個應力感測部件在該基板上的投影與其相鄰的應力感測部件在該基板上的投影相互垂直，且相對的兩個應力感測部件在該基板上的投影位於同一條直線上。
- 如請求項1所述的感測裝置，其中，該主體部由彈性材料製作而成。
- 如請求項2所述的感測裝置，其中，還包括設置在該基板的下表面的電路板，該電路板與每個該應力感測部件電性連接。
- 如請求項4所述的感測裝置，其中，該感測裝置還包括設置在該電路板上的第一信號處理模組，該4個感測部件分別電性連接該第一信號處理模組，該第一信號處理模組用以接收各個應力感測部件的輸出電壓並對該輸出電壓進行運算處理，以產生一第一輸出信號。
- 如請求項5所述的感測裝置，其中，該感測裝置還包括設置在該基板下表面的超聲波發生裝置以及第二信號處理模組，該超聲波發生裝置用於發出超聲波，該第二信號處理模組用於接收超聲波發出的聲音信號。
- 如請求項6所述的感測裝置，其中，還包括設置在該基板下表面的電連接端子，該電連接端子電性連接該第一信號處理模組及第二信號處理模組，並且用以接收第一信號處理模組及第二信號處理模組輸出的輸出信號。
- 如請求項7所述的感測裝置，其中，該基板的上表面沿四周邊緣還開設有一環形凹槽，該環形凹槽用於埋設電連接該超聲波發生裝置以及該第二信號處理模組之間的信號線。
- 如請求項1所述的感測裝置，其中，每個該第一電極的材料為不銹鋼材料。
- 如請求項1所述的感測裝置，其中，該支撐結構大致呈柱體形狀。
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