CN110389674B - 基于多孔结构的振动传感器、制作方法及笔迹识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多孔结构的振动传感器，包括：第一柔性层、与所述第一柔性层相对设置的第二柔性层以及设置于所述第一柔性层与所述第二柔性层之间的导电敏感层。本发明也公开了上述振动传感器的制备方法。本发明还公开了一种笔迹识别方法。本发明的振动传感器采用具有多孔结构的导电敏感层，在振动传感器受到振动变形时可对外界微小作用力具有较灵敏的反应，且工作电压低、功耗小、灵敏度高同时相应时间短。本发明的笔迹识别方法基于上述的振动传感器通过笔迹的局部变化等细微特征进行笔迹识别，可以较好地识别和比较出书写者笔迹的局部变化等固有特性。

Description

基于多孔结构的振动传感器、制作方法及笔迹识别方法

技术领域

本发明属于传感器设计技术领域，具体地讲，涉及一种基于多孔结构的振动传感器、制作方法及笔迹识别方法。

背景技术

手写笔迹特征属于人类行为性的生物特征，对于每个书写者而言，其笔迹总体上具有相对稳定性。而笔迹的局部变化则是每个书写者笔迹的固有特性。对于不同的书写者而言，其笔迹的差别较大。因此，笔迹识别在社会生活中具有广泛的应用。如国家间重要协议的签署；银行、金融部门的签名对照；公安、司法部门的刑事调查和法庭证据等。现有的笔迹识别方法仅侧重于笔迹图像上的鉴别。而笔迹的局部变化、书写笔迹过程中所反映的书写者的习惯等特征也是笔迹识别的重要突破方面之一。

识别笔迹的局部变化等特征对精度、灵敏度的要求较高。如何突破精度、灵敏度的局限，将笔迹的局部变化等细微特征应用于笔迹识别方面是现有技术中所亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种精度、灵敏度较高的基于多孔结构的振动传感器、制作方法及笔迹识别方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

根据本发明的一方面，提供了一种基于多孔结构的振动传感器，包括：

第一柔性层、第二柔性层和包括多孔结构的导电敏感层，所述第一柔性层和所述第二柔性层相对设置，所述导电敏感层夹设于所述第一柔性层和所述第二柔性层之间。

进一步地，所述导电敏感层还包括导电本体层，所述多孔结构包括多个孔，所述孔的开口位于所述导电本体层的表面上，或者，所述孔完全位于所述导电本体层内且所述导电本体层的表面没有开口。

进一步地，所述振动传感器还包括第一导电电极和第二导电电极，所述第一导电电极设置于所述第一柔性层和所述导电敏感层之间，所述第二导电电极设置于所述第二柔性层和所述导电敏感层之间。

进一步地，所述导电敏感层采用多孔导电金属材料或导电聚合物材料或多孔导电复合材料。

根据本发明的另一方面，还公开了一种基于多孔结构的振动传感器的制作方法，所述制作方法包括：

制作形成第一柔性层和第二柔性层；

在所述第一柔性层和/或所述第二柔性层上制作形成包括多孔结构的导电敏感层；

利用所述第一柔性层和所述第二柔性层封装所述导电敏感层。

进一步地，所述制作形成第一柔性层和第二柔性层的方法包括：

提供硬质基板；

在所述硬质基板上旋涂高分子聚合物，以形成高分子聚合物薄膜；

对所述高分子聚合物薄膜进行固化热处理，以制作形成第一柔性层和第二柔性层。

进一步地，所述在所述第一柔性层和/或所述第二柔性层上制作形成包括多孔结构的导电敏感层的方法包括：

合成二氧化硅小球；

将B溶液加入到A溶液中，以得到C溶液；其中，所述A溶液为超声分散有合成的二氧化硅小球的去离子水，所述B溶液为加入有PY单体的无水乙醇；

在所述C溶液中加入盐酸，以得到D溶液；

在所述D溶液中加入过硫酸铵溶液，以得到E溶液；

对所述E溶液进行离心处理，得到下层沉淀物；

对所述下层沉淀物进行清洗，并利用无水乙醇对清洗后的所述下层沉淀物进行稀释，以得到多孔PPY溶液；

将所述多孔PPY溶液喷涂在所述第一柔性层和/或所述第二柔性层上，以形成所述多孔导电敏感层。

进一步地，在制作形成第一柔性层和第二柔性层之后，且在制作形成导电敏感层之前，所述制作方法还包括：分别在所述第一柔性层和所述第二柔性层上制作形成导电电极。

根据本发明的又一方面，还提供了一种笔迹识别方法，所述笔迹识别方法包括：

上述的振动传感器或者利用上述的制作方法制作的振动传感器将纸板在被书写时所承受的压力转换为待测笔迹信号；其中，所述振动传感器设置于纸板上；

数据处理器采用分析算法对所述待测笔迹信号与数据库中的预存笔迹信号进行对比，以获得所述待测笔迹信号与所述预存笔迹信号的相似度。

进一步地，所述分析算法包括动态时间规划算法或欧几里得距离计算算法。

本发明的有益效果：本发明的振动传感器采用具有多孔结构的导电敏感层，在振动传感器受到振动变形时可对外界微小作用力具有较灵敏的反应，且工作电压低、功耗小、灵敏度高同时相应时间短。本发明的笔迹识别方法基于上述的振动传感器通过笔迹的局部变化等细微特征进行笔迹识别，可以较好地识别和比较出书写者笔迹的局部变化等固有特性。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例一的基于多孔结构的振动传感器的结构示意图；

图2是根据本发明的实施例一的导电敏感层的结构示意图；

图3是根据本发明的实施例二的基于多孔结构的振动传感器的制备方法的流程图；

图4是根据本发明的实施例三的笔迹识别方法的流程图；

图5是根据本发明的实施例三的待测笔迹信号与预存笔迹信号的对比图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。

将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开来。

实施例一

图1是根据本发明的实施例一的基于多孔结构的振动传感器的结构示意图。

图2是根据本发明的实施例一的导电敏感层的结构示意图。

参照图1所示，本发明的第一实施例提出一种基于多孔结构的振动传感器。所示振动传感器包括：第一柔性层100、第二柔性层200以及导电敏感层300。但本发明并不限制于此，根据本发明的实施例的振动传感器还可以包括其它必要的部件，如设置于第一柔性层100表面、第二柔性层200表面的支撑层、设置于第一柔性层100与导电敏感层300之间的第一导电电极400、设置于第二柔性层200与导电敏感层300之间的第二导电电极500等。

具体地，第一柔性层100与第二柔性层200相对设置。导电敏感层300夹设于第一柔性层100与第二柔性层200之间。导电敏感层300可对外界微小作用力具有较灵敏的反应，使振动传感器具有较高的灵敏度。

参照图2所示，作为本发明的一种实施方式，导电敏感层300包括多孔结构以及导电本体层。具体地，多孔结构多个孔。所述孔的开口位于导电本体层的表面上，具体地讲，所述孔的开口位于所述导电本体层的其中一表面上或者所述孔的开口贯穿所述导电本体层的两个表面。或者所述孔完全位于导电本体层内且所述孔在导电本体层的表面没有开口。所述多孔结构包括上述孔的一种或多种组合，本发明对此不作限制。

优选地，导电敏感层300采用多孔导电金属材料制成，例如：泡沫镍、泡沫铜等。此外，导电敏感层300还可以采用导电高分子材料制成，例如：可以是碳纳米管、纳米线、纳米银颗粒、石墨烯、黑磷、二硫化钼等材料。也可以采用导电聚合物材料制成，例如：聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和聚对苯乙烯等材料。导电敏感层300还可以是上述的导电高分子材料、多孔导电金属材料与多孔陶瓷材料、多孔泡沫塑料等材料结合而成的多孔复合材料。

优选地，导电敏感层300采用单体聚合而成的有机聚合物制成。也可以选用其它类型的导电聚合物，优选采用多孔结构的聚吡咯。

优选地，导电敏感层300的透光率为50-95％。优选地，导电敏感层300的方阻为100-107Ω/sq。优选地，导电敏感层300的厚度为10nm-2000nm，优选500μm。

作为本发明的一种实施方式，第一柔性层100与第二柔性层200的至少其中之一的材质采用聚二甲基硅氧烷和/或聚乙烯和/或聚酰亚胺和/或聚苯二甲酸乙二酯和/或聚乙烯醇和/或聚乙烯醇缩甲醛。

优选地，第一柔性层100与第二柔性层200的至少其中之一的材质选用聚二甲基硅氧烷薄膜。其中，聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度可为0.1-500μm之间。优选地，聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度为100μm，以使第一柔性层、第二柔性层具有高柔性易弯曲等优点。

作为本发明的一种实施方式，第一导电电极400、第二导电电极500采用金、铂、镍、银、铟、铜、以及石墨烯中的一种或者任意多种材料的组合制成。优选采用银制成的导电无纺布。

实施例二

图3是根据本发明的实施例二的基于多孔结构的振动传感器的制作方法的流程图。

参照图3所示，本发明的第二实施例提出一种基于多孔结构的振动传感器的制备方法。具体地，所述基于多孔结构的振动传感器的制备方法包括步骤：

A100、制作形成第一柔性层和第二柔性层；

A200、在所述第一柔性层和/或所述第二柔性层上制作形成包括多孔结构的导电敏感层；

A300、利用所述第一柔性层和所述第二柔性层封装所述导电敏感层。

作为本发明的一种实施方式，步骤A100制作形成第一柔性层和第二柔性层可采用印刷电子方法、旋涂法、提拉法等方式制成。以旋涂法为例，步骤A100制作形成第一柔性层和第二柔性层的具体过程包括：

首先提供硬质模块。

具体地，作为本发明的一种实施方式，硬质模板可选用硅片、玻璃片、环氧树酯、塑料等材料制成。优选地，硬质模板选用硅片制成。

然后在所述硬质基板上旋涂高分子聚合物，以形成高分子聚合物薄膜。

具体地，作为本发明的一种实施方式，高分子聚合物可选用但不限于聚酰亚胺、聚苯二甲酸乙酯、聚乙烯醇以及聚乙烯醇缩甲醛和聚乙烯。优选地，高分子聚合物选用聚酰亚胺材料。作为本发明的一种实施方式，旋涂机转速可选用500-8000rpm，优选2000rpm。作为本发明的一种实施方式，高分子聚合物薄膜的厚度为0.1-500μm，优选100μm。

最后对所述高分子聚合物薄膜进行固化热处理，以形成高分子聚合物薄膜。

具体地，首先将上述步骤获得的高分子聚合物薄膜进行固化预热处理。作为本发明的一种实施方式，热处理的温度为50-100℃，优选80℃。作为本发明的一种实施方式，热处理的时间为5-20min，优选15min。接着，将高分子聚合物薄膜进行脱溶剂处理。作为本发明的一种实施方式，脱溶剂处理的温度为100-200℃，优选180℃。作为本发明的一种实施方式，脱溶剂处理的时间为10-30min，优选25min。最终将高分子聚合物薄膜固化成型。固化成型后的高分子聚合物薄膜在有机溶剂中进行超声处理。作为本发明的一种实施方式，超声处理的时间为5-30min。最后将高分子聚合物薄膜从硬质模板上取下，制得第一柔性层100及第二柔性层200。

作为本发明的一种实施方式，步骤A200在所述第一柔性层和/或所述第二柔性层上制作形成包括多孔结构的导电敏感层的具体过程包括：

首先合成二氧化硅小球；

具体地，作为本发明的一种实施方式，将体积比例1:2:12的氨水(质量分数28％)、无水乙醇和去离子水充分混合形成混合溶液。然后往10-150mL的上述混合溶液中逐滴加入1-10mL的二氧化硅前体。接着在20-40℃的温度下搅拌，6-24h后得到分散均匀的二氧化硅小球。作为本发明的一种实施方式，二氧化硅前体可以是正硅酸乙酯、硅酸四乙酯等原硅酸酯中的一种或多种的组合。优选地，二氧化硅前体选用正硅酸乙酯。

然后将B溶液加入到A溶液中，以得到C溶液。

具体地，作为本发明的一种实施方式，A溶液为超声分散有合成的二氧化硅小球的去离子水。具体地，取0.1-5g上述合成的二氧化硅小球分散于20mL的去离子水中得到A溶液。优选地，超声分散的时间为0.5-2h。

作为本发明的一种实施方式，B溶液为加入有PY单体的无水乙醇。具体地，将0.1-5mL的PY单体加入到无水乙醇中搅拌溶解得到B溶液。

作为本发明的一种实施方式，将B溶液加入到A溶液中，获得C溶液。

接着在C溶液中加入盐酸，以得到D溶液。

具体地，作为本发明的一种实施方式，在C溶液中加入盐酸作为催化剂，并用磁子搅拌，搅拌时间优选0.5-2h。

接着在D溶液中加入过硫酸铵溶液，以得到E溶液。

具体地，作为本发明的一种实施方式，在D溶液中加入新配制的过硫酸铵((NH₄)₂S₂O₈)溶液，并用磁子搅拌，获得E溶液。此处搅拌时间优选为12-24h。

接着对E溶液进行离心处理，得到下层沉淀物。

具体地，作为本发明的一种实施方式，将E溶液进行离心，取下层沉淀备用。优选地，对E溶液以1000-20000rpm的速率离心处理0.1h以上。

接着对下层沉淀物进行清洗，并利用无水乙醇对清洗后的所述下层沉淀物进行稀释，以得到多孔PPY溶液。

具体地，作为本发明的一种实施方式，将下层沉淀物使用去离子水和无水乙醇多次清洗。将清洗干净的下层沉淀采用无水乙醇稀释1-100倍获得多孔PPY溶液。

最后将多孔PPY溶液喷涂在第一柔性层100和/或第二柔性层上，以形成多孔导电敏感层。

具体地，作为本发明的一种实施方式，将多孔PPY溶液使用喷墨打印设备或者喷枪均匀地喷涂在第一柔性层100和/或第二柔性层200上，以形成导电敏感层300。

步骤A300利用所述第一柔性层和所述第二柔性层封装所述导电敏感层，形成振动传感器。

作为本发明的一种实施方式，在步骤A100之后且在步骤A200之前还包括步骤：在分别在第一柔性层100和第二柔性层200上制作导电电极。具体地，在第一柔性层100上制作第一导电电极400。在第二柔性层200上制作第二导电电极。

实施例三

图4是根据本发明的实施例三的笔迹识别方法的流程图。图5是根据本发明的实施例三的待测笔迹信号与预存笔迹信号的对比图。

参照图4、图5所示，本发明的第三实施例提出一种笔迹识别方法。具体地，所述笔迹识别方法包括步骤：

B100、上述振动传感器或者利用上述制作方法制作的振动传感器将纸板在被书写时所承受的压力转换为待测笔迹信号。其中，振动传感器设置于纸板上。

B200、数据处理器采用分析算法对所述待测笔迹信号与数据库中的预存笔迹信号进行对比，以获得待测笔迹信号与预存笔迹信号的相似度。

具体地，步骤B100中，振动传感器检测纸板被书写时所承受的压力。具体地，振动传感器检测纸板在被书写的整个过程中所承受的压力。所述待测笔迹信号包括纸板在被书写的整个过程中多个时间点所承受的压力对应的电信号。振动传感器检测的是纸板在被书写时的整个过程中的压力情况，以便后续对书写过程的局部变化等细微特征进行分析。作为本发明的一种实施方式，纸板的上表面用于放置书写的纸张，纸板的下表面紧贴设置有振动传感器。当然本发明并不限制于此，振动传感器的设置方式可以按照实际设计的需要进行设置。

具体地，步骤B200中，数据处理器采用分析算法对所述待测笔迹信号与数据库中的预存笔迹信号进行对比，以获得待测笔迹信号与预存笔迹信号的相似度。优选地，分析算法可以采用动态时间规划算法或欧几里得距离算法等进行处理，以更加有效地求得待测笔迹信号与预存笔迹信号这两个时间序列之间的距离(或者说是相似性)。优选地，分析算法可以采用Matlab编程语言、C++编程语言或者python编程语言进行编程实现，优选Matlab编程语言。

本发明的笔迹识别方法基于上述的振动传感器通过笔迹的局部变化等细微特征进行笔迹识别，可以较好地识别和比较出书写者笔迹的局部变化等固有特性。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (5)

1.一种基于多孔结构的振动传感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

制作形成第一柔性层和第二柔性层；

在所述第一柔性层和/或所述第二柔性层上制作形成包括多孔结构的导电敏感层；

利用所述第一柔性层和所述第二柔性层封装所述导电敏感层；

其中，所述在所述第一柔性层和/或所述第二柔性层上制作形成包括多孔结构的导电敏感层的方法包括：

合成二氧化硅小球；

将B溶液加入到A溶液中，以得到C溶液；其中，所述A溶液为超声分散有合成的二氧化硅小球的去离子水，所述B溶液为加入有PY单体的无水乙醇；

在所述C溶液中加入盐酸，以得到D溶液；

在所述D溶液中加入过硫酸铵溶液，以得到E溶液；

对所述E溶液进行离心处理，得到下层沉淀物；

对所述下层沉淀物进行清洗，并利用无水乙醇对清洗后的所述下层沉淀物进行稀释，以得到多孔PPY溶液；

将所述多孔PPY溶液喷涂在所述第一柔性层和/或所述第二柔性层上，以形成所述多孔结构的导电敏感层。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述制作形成第一柔性层和第二柔性层的方法包括：

提供硬质基板；

在所述硬质基板上旋涂高分子聚合物，以形成高分子聚合物薄膜；

对所述高分子聚合物薄膜进行固化热处理，以制作形成第一柔性层和第二柔性层。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在制作形成第一柔性层和第二柔性层之后，且在制作形成导电敏感层之前，所述制作方法还包括：分别在所述第一柔性层和所述第二柔性层上制作形成导电电极。

4.一种笔迹识别方法，其特征在于，所述笔迹识别方法包括：

利用权利要求1至3任一项所述的制作方法制作的振动传感器将纸板在被书写时所承受的压力转换为待测笔迹信号；其中，所述振动传感器设置于纸板上；

数据处理器采用分析算法对所述待测笔迹信号与数据库中的预存笔迹信号进行对比，以获得所述待测笔迹信号与所述预存笔迹信号的相似度。

5.根据权利要求4所述的笔迹识别方法，其特征在于，所述分析算法包括动态时间规划算法或欧几里得距离计算算法。

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