RU2570840C2

RU2570840C2 - Matrix pressure sensor

Info

Publication number: RU2570840C2
Application number: RU2012128272/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Германович Сафонов
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2015-12-10
Also published as: RU2012128272A

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: invention relates to devices of polymer electronics, in particular, to matrix devices for conversion of pressure into an electric signal. Matrix pressure sensors are used to detect shape of objects acting at the sensor, and may be used in robotics, medicine, during automation of production processes. The matrix of tactile sensors comprises alternating layers of conducting mutually perpendicular buses contacting with layers of strain-gage polymer arranged between them. Availability of electric contact to each of the conducting layers makes it possible to produce, during preservation of high sensitivity of the sensor, a multi-level output signal, providing for expanded dynamic range of transmission characteristic during measurement of tactile pressure.

EFFECT: invention provides for increased accuracy of pressure - electric signal conversion.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к матричным датчикам давления, предназначенным для преобразования давления в электрический сигнал и определения формы предметов, производящих давление. Матричные датчики давления могут использоваться в робототехнике, медицине, при автоматизации производственных процессов.The invention relates to pressure matrix sensors for converting pressure into an electrical signal and determining the shape of pressure-producing objects. Matrix pressure sensors can be used in robotics, medicine, and automation of production processes.

Известны матричные датчики давления (патент РФ 2362236), содержащие пересекающиеся шины, преобразователями давления в которых являются микромеханические сенсорные элементы. Недостатком таких датчиков является ограниченная площадь, сложность конструкции и, как следствие, высокая стоимость.Known matrix pressure sensors (RF patent 2362236) containing intersecting tires, pressure transducers in which are micromechanical sensor elements. The disadvantage of such sensors is the limited area, design complexity and, as a consequence, the high cost.

Известен матричный датчик давления (US PAP 2011/0242047 А1), содержащий верхнюю гибкую полимерную поверхность, на которой расположены проводящие электроды, объединенные в первые сигнальные линии, нижнюю гибкую полимерную поверхность, на которой расположены проводящие электроды, объединенные во вторые сигнальные линии, перпендикулярные к первым сигнальным линиям, расположенный между проводящими электродами пьезорезистивный материал.Known matrix pressure sensor (US PAP 2011/0242047 A1), containing the upper flexible polymer surface on which conductive electrodes are located, combined in the first signal lines, the lower flexible polymer surface, on which are conductive electrodes, combined in the second signal lines, perpendicular to the first signal lines located between the conductive electrodes of the piezoresistive material.

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.This device is selected as a prototype of the proposed solution.

Недостатком датчика является низкая точность преобразования «давление - электрический сигнал», обусловленная тем, что воспроизводимость и динамический диапазон передаточной характеристики датчика ограничены механическими и электрическими свойствами пьезоэлектрического материала.The disadvantage of the sensor is the low accuracy of the pressure-electric signal conversion, due to the fact that the reproducibility and dynamic range of the transfer characteristic of the sensor are limited by the mechanical and electrical properties of the piezoelectric material.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности преобразования давление - электрический сигнал.The technical result of the invention is to increase the accuracy of the conversion of pressure - electrical signal.

Указанный технический результат достигается тем, что в матричном датчике давления, содержащем верхнюю гибкую полимерную поверхность, на которой расположены проводящие электроды, объединенные в первые сигнальные линии, нижнюю гибкую полимерную поверхность, на которой расположены проводящие электроды, объединенные во вторые сигнальные линии, перпендикулярные к первым сигнальным линиям, расположенный между проводящими электродами пьезорезистивный материал, между пьезорезистивным материалом и первым проводящим электродом располагаются несколько дополнительных чередующихся слоев «проводящий электрод пьезорезистивный материал», причем проводящие электроды дополнительных чередующихся слоев объединены в сигнальные линии, параллельные первым сигнальным линиям.The specified technical result is achieved in that in a matrix pressure sensor containing an upper flexible polymer surface on which conductive electrodes are arranged, combined in the first signal lines, a lower flexible polymer surface on which conductive electrodes are located, combined in the second signal lines, perpendicular to the first signal lines located between the conductive electrodes of the piezoresistive material, between the piezoresistive material and the first conductive electrode Xia more additional alternating layers "electrode conductive piezoresistive material", wherein the conducting electrodes additional alternating layers are combined into signal lines parallel to the first signal lines.

Такая конструкция матричного датчика давления позволяет преобразовывать величину давления, прикладываемого к поверхности преобразователя в кодовую цифровую последовательность, которая, в свою очередь, может быть преобразована в аналоговый сигнал.This design of the matrix pressure sensor allows you to convert the amount of pressure applied to the surface of the Converter in a digital code sequence, which, in turn, can be converted into an analog signal.

На фиг.1 представлена конструкция преобразователя давления, имеющего два дополнительных слоя электродов.Figure 1 shows the design of a pressure transducer having two additional layers of electrodes.

Конструкция содержит нижнюю 1 и верхнюю полимерные поверхности 2, дополнительные полимерные поверхности 3, 4, на которых расположены проводящие электроды 5, 6, 7, 8. Проводящие электроды на поверхностях 3 и 4 расположены с обеих сторон упомянутых поверхностей. Проводящие электроды, расположенные на поверхностях 3 и 4, соединены между собой посредством контактных окон 9. Все электроды имеют внешние выводы 10, 11, 12, 13. Между полимерными поверхностями расположен слой пьезорезистивного материала 14.The design contains the lower 1 and upper polymer surfaces 2, additional polymer surfaces 3, 4, on which the conductive electrodes 5, 6, 7, 8 are located. The conductive electrodes on surfaces 3 and 4 are located on both sides of the said surfaces. Conductive electrodes located on surfaces 3 and 4 are interconnected by means of contact windows 9. All electrodes have external leads 10, 11, 12, 13. A layer of piezoresistive material 14 is located between the polymer surfaces.

На фиг.2 изображена конструкция по п.2 изобретения. В дополнение к конструкции по п.1 она содержит слои резистивного полимера 15, соединяющие между собой электроды на поверхностях 1-3 и 2-4. При этом внешние выводы 11 и 12 у электродов на поверхностях 3 и 4 отсутствуют.Figure 2 shows the design according to claim 2 of the invention. In addition to the structure according to claim 1, it contains layers of a resistive polymer 15 connecting electrodes on surfaces 1-3 and 2-4. In this case, the external leads 11 and 12 of the electrodes on surfaces 3 and 4 are absent.

На фиг.3 изображена схема подключения датчика давления по п.1 к устройству обработки сигнала, обеспечивающая считывание сигнала с датчика в процессе работы.Figure 3 shows the connection diagram of the pressure sensor according to claim 1 to the signal processing device, providing for reading the signal from the sensor during operation.

Схема содержит датчик 15, внешние выводы которого подключены к координатным входам 17, 18 схемы обработки сигнала, датчика. Внешние выводы, соответствующие одной координате 10, 12 и другой координате 11, 13, подключены к разным входам устройства обработки сигнала. Количество подключаемых шин в такой конструкции равно n×m×n, где n, m - количество шин по координатам, N - число слоев полимерного материала.The circuit includes a sensor 15, the external terminals of which are connected to the coordinate inputs 17, 18 of the signal processing circuit of the sensor. External conclusions corresponding to one coordinate 10, 12 and another coordinate 11, 13 are connected to different inputs of the signal processing device. The number of connected tires in this design is n × m × n, where n, m is the number of tires in coordinates, N is the number of layers of polymer material.

На фиг.4 изображена схема подключения датчика давления по п.2 к устройству обработки сигнала. Датчик 19 внешними выводами от соответствующих шин 10 и 13 подключен к координатным входам 17, 18. Количество внешних выводов составляет n×m.Figure 4 shows the connection diagram of the pressure sensor according to claim 2 to the signal processing device. The sensor 19 by the external terminals from the respective buses 10 and 13 is connected to the coordinate inputs 17, 18. The number of external terminals is n × m.

Устройство работает следующим образом. При приложении нагрузки к поверхности 2 сначала происходит изменение сопротивления пьезорезистивного материала, расположенного между слоями электродов 1 и 2, затем между слоями 2 и 3, слоями 3 и 4. Это изменение может быть зафиксировано и интерпретировано как наличие сигналов на различных электродах. В случае наличия в конструкции двух дополнительных слоев могут наблюдаться четыре возможных состояния электродов: отсутствие сигнала на всех электродах, сигнал на электродах поверхности 3, сигнал на электродах поверхностей 3, 4, сигнал на всех электродах. Таким образом, может быть зафиксировано четыре значения величины нагрузки. При увеличении числа дополнительных слоев количество фиксируемых значений соответственно увеличивается.The device operates as follows. When a load is applied to the surface 2, the resistance of the piezoresistive material located first between the layers of electrodes 1 and 2, then between layers 2 and 3, layers 3 and 4, first changes. This change can be fixed and interpreted as the presence of signals on different electrodes. If there are two additional layers in the structure, four possible states of the electrodes can be observed: the absence of a signal at all electrodes, a signal at electrodes of surface 3, a signal at electrodes of surfaces 3, 4, and a signal at all electrodes. Thus, four values of the load value can be fixed. With an increase in the number of additional layers, the number of fixed values increases accordingly.

Устройство может быть изготовлено на основе полимерных материалов. Слои, на которые наносятся проводящие электроды, изготавливаются из лавсановой пленки толщиной 10-15 мкм, электроды могут быть алюминиевыми, толщиной 50-100 нм. В качестве тензочувствительного полимера используется полифинилвинилен толщиной не более 100 нм.The device can be made based on polymeric materials. The layers on which conductive electrodes are applied are made of dacron film with a thickness of 10-15 microns, the electrodes can be aluminum, with a thickness of 50-100 nm. Polyvinylvinylylene with a thickness of not more than 100 nm is used as a strain-sensitive polymer.

Следует отметить, что датчик предлагаемой конструкции предназначен для фиксации сверхмалых давлений и использует тонкие слои полимера, в которые нельзя встроить дисперсные проводящие частицы, обеспечивающие линейную переходную характеристику датчиков, рассчитанных на измерение больших давлений.It should be noted that the sensor of the proposed design is designed to record ultra-low pressures and uses thin layers of polymer into which dispersed conductive particles cannot be embedded, providing a linear transient response of sensors designed to measure high pressures.

Матричный датчик давления может иметь довольно значительную площадь - несколько десятков квадратных сантиметров и быть гибким.The matrix pressure sensor can have a fairly significant area - several tens of square centimeters and be flexible.

Источники информацииInformation sources

1. Патент РФ №2362236.1. RF patent No. 2362236.

2. Патент US №2011/0242047 А1.2. US patent No. 2011/0242047 A1.

Claims

1. Матричный датчик давления, содержащий верхнюю гибкую полимерную поверхность, на которой расположены проводящие электроды, объединенные в первые сигнальные линии, нижнюю гибкую полимерную поверхность, на которой расположены проводящие электроды, объединенные во вторые сигнальные линии, перпендикулярные к первым сигнальным линиям, расположенный между проводящими электродами пьезорезистивный материал, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения давления между пьезорезистивным материалом и первым проводящим электродом располагаются несколько дополнительных чередующихся слоев «проводящий электрод - пьезорезистивный материал», причем проводящие электроды дополнительных чередующихся слоев объединены в сигнальные линии, параллельные первым сигнальным линиям.1. The matrix pressure sensor containing an upper flexible polymer surface on which conductive electrodes are located, combined in the first signal lines, a lower flexible polymer surface on which conductive electrodes are located, combined in a second signal line, perpendicular to the first signal lines located between the conductive piezoresistive material with electrodes, characterized in that in order to increase the accuracy of pressure measurement between the piezoresistive material and the first conductive electrode m located more additional alternating layers "conductive electrode - piezoresistive material", wherein the conducting electrodes additional alternating layers are combined into signal lines parallel to the first signal lines.

2. Матричный датчик давления по п.1, дополнительные сигнальные линии которого соединены между собой и с первыми сигнальными линиями через слой резистивного полимера, расположенного на концах сигнальных линий, вне зоны пересечений первых и вторых сигнальных линий. 2. The matrix pressure sensor according to claim 1, the additional signal lines of which are connected to each other and to the first signal lines through a resistive polymer layer located at the ends of the signal lines, outside the intersection of the first and second signal lines.