多路复用电感式触觉传感器阵列制造技术

一种用于测量位置和与外部物体接触力的多路复用电感式触觉传感器，包括传感和驱动电子设备以及感测器阵列，每个感测器具有与感测器线圈电耦合的驱动线圈。所述阵列具有感测器的行和列。每列中的所有驱动线圈串联电连接，并通过模拟多路复用器由AC恒流源驱动。每行中的所有感测线圈都串联电连接，并通过模拟多路复用器将电感AC电压馈送到AC放大器。放大后的交流电压然后被馈送到幅度解调器以生成一个DC信号，该DC信号取决于单个感测器的驱动线圈和感测线圈之间的电感耦合因子，其通过作为有源电流驱动列和有源感测行的相交处来选择的。源电流驱动列和有源感测行的相交处来选择的。源电流驱动列和有源感测行的相交处来选择的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多路复用电感式触觉传感器阵列


[0001]本公开的主题总体上涉及触觉传感器，并且更具体地涉及具有感应感测元件的触觉传感器(sensels)。
[0002]
技术介绍
和现有技术
[0003]触觉传感器用于检测机械力、压力和其它外部环境刺激。通常使用触觉传感器的技术包括机器人、计算机硬件(例如，人机接口(HMI))、医疗装置和系统、环境监测系统和安全系统。典型的触觉传感器包括传感器阵列和电子电路，其测量传感器的输出响应于感测器和环境刺激之间的物理交互的变化。有各种类型的感测器，包括压阻式、压电式、电容式和电感式。每种类型的感测器具有优点和缺点。
[0004]压阻式感测器基于半导体的压阻特性，通过其电阻随所施加的机械应变而变化来起作用。半导体材料的压阻是电荷载流子的迁移率的函数，其本身与材料的体积成比例地变化。压阻式感测器由于其低制造成本和高灵敏度而被广泛使用。然而，由于转导机制的性质，压阻材料中的电荷载流子的迁移率也随温度而变化。因此，需要温度补偿机制，这增加了传感器和相关电路的复杂性。
[0005]压电式感测器通过开发与所施加的机械力成比例的表面电荷来将所施加的机械力转换成电压来起作用。常用的压电材料包括聚偏二氟乙烯(PVDF)聚合物、氧化锌(ZnO)和锆钛酸铅(PbZrTi03或PZT)。由于它们的柔性、轻质、高压电系数、尺寸稳定性和化学惰性，通常使用PVDF聚合物。压电式感测器有利地不需要电源，并且可以潜在地用于更广泛的应用中。此外，一些压电材料对非常小的变形表现出高灵敏度。然而，换能机制仅适用于检测动态施加的机械力，因为如果所施加的机械力恒定，传感器的输出电压随时间衰减到零。此外，当在阵列中配置时，压电式感测器遭受串扰，因为所施加的力趋向于传播到相邻感测器，从而限制分辨率。此外，压电式感测器容易出现滞后。
[0006]电容式感测器具有由介电材料隔开的两个导电板。感测器的电容与两个板之间的距离成反比。感测器的结构响应于机械力或压力而变形，使得板之间的距离改变，从而导致电容变化。电容式感测器表现出高灵敏度和良好的频率响应、高空间分辨率、低温度灵敏度和大动态范围。然而，当在阵列中配置时，电容式感测器易受噪声影响并遭受串扰，因此需要复杂的信号处理和降噪电路。
[0007]电感式感测器在线圈的前面具有电线圈和嵌入式金属目标。当外部机械力使金属目标向线圈移位时，金属目标中的涡电流改变，并且因此线圈的电感改变。电感改变由电子电路测量以确定所施加的机械力。已经提出了电感式触觉传感器，包括例如Hongbo Wang等人的“三轴软电感式触觉传感器的设计和表征”。虽然电感式触觉传感器具有耐受流体和污染物的潜在优点，例如在水下环境中操作，但是它们具有至少两个缺点。电感响应于所施加的机械力的变化相对较小，因此测量需要相对复杂的电子电路。此外，感测器与相关联的电子电路之间所需的大量电连接是复杂的且易于产生噪声和串扰。更进一步地，随着阵列在感测器数量上按比例放大，这些缺点变得更加明显，这限制了实际应用中实际的阵列的最大规模。

技术实现思路

[0008]本文档中提及的所有示例、方面和特征可以以任何技术上可能的方式组合。
[0009]根据一些方面，一种装置包括：多个电感式感测器，其布置在包括行和列的阵列中，所述感测器中的每一个包括驱动线圈和感测线圈，其中，每一列中的所述感测器的所述驱动线圈串联连接，并且每一行中的所述感测器的所述感测线圈串联连接；以及电路，其被配置为通过激活所述列中的其中一列的所述感测器的所述驱动线圈和所述行中的其中一行的所述感测器的所述感测线圈来独立地选择所述电感式感测器中的单个感测器，其中，在被激活的列和行的相交处的感测器被选择，并且被选择的感测器的输出由所述电路测量。在一些实施例中，所述电路通过单独地选择和测量所述阵列的每个所述感测器的输出串联来执行扫描。在一些实施例中，所述电路产生对应于所述阵列中的相对应的所述感测器的位置的测量矩阵的时间序列。在一些实施例中，所述电路包括连接到所述感测器的所述驱动线圈的驱动电路，所述驱动电路包括AC电流源和解复用器。在一些实施例中，所述电路包括连接到所述感测器的所述感测线圈的感测电路，所述感测电路包括多路复用器和模数转换器。在一些实施例中，所述感测器设置在印刷电路板(PCB)上，并且第一可压缩介电层设置在所述PCB的第一侧上。在一些实施例中，第一可变形导电屏蔽层设置在所述第一可压缩介电层上，使得所述第一可变形导电屏蔽层通过所述第一可压缩介电层与所述PCB分离。在一些实施例中，第二可压缩介电层设置在所述PCB的第二侧和第二可变形导电屏蔽层之间。在一些实施例中，导电目标设置在可变形介电膜层上，所述可变形介电膜层设置在第一可压缩介电层上，所述第一可压缩介电层设置在所述PCB的所述第一侧上。在一些实施例中，第二可压缩介电层设置在所述PCB的所述第二侧和可变形导电屏蔽层之间。在一些实施例中，驱动线圈设置在第一印刷电路板(PCB)上，所述感测线圈设置在第二PCB上，并且所述驱动线圈通过可压缩电介层与所述感测线圈分离。在一些实施例中，相邻的驱动线圈和相邻的感测线圈沿相反的方向缠绕。在一些实施例中，感测器布置成组，并且其中，每个导电目标部分地覆盖与所述目标相关联的四个感测器的组，弹性体层设置在所述感测器和所述导电目标之间。在一些实施例中，所述电路基于所述输出测量在多个轴上所施加的力。在一些实施例中，每个导电目标具有截角正方形形状。
[0010]根据一些方面，一种触觉传感器，包括：感测器阵列；以及电路，其被配置为驱动所述阵列的所述感测器的选定组，其中，所述组包括少于所述阵列的所有感测器，并且测量所述选定组的所述感测器中的一个的输出。在一些实施例中，所述阵列的所述感测器的输出是以时间
‑
序列测量的。
[0011]根据一些方面，一种方法包括：具有触觉传感器，其包括感测器阵列，用电流源驱动所述阵列的所述感测器的选定组，其中，所述组包括少于所述阵列的所有感测器；以及测量所述选定组的所述感测器中的一个的输出。一些实施方式包括以时间
‑
序列测量所述阵列的所述感测器的输出。
[0012]虽然不应将优点视为对本专利技术方面的限制，但经多路复用的电感式触觉传感器的一些实施例可改进对电磁噪声的抗性及在液体、污染物及其它恶劣环境条件的存在下起作用的能力。此外，可改进阵列尺寸可缩放性，且可减小传感器内的电连接的必要数目。还可相对于先前设计改进传感器阵列与控制电子器件之间的互连的可靠性。
[0013]鉴于详细描述和附图，其他方面、特征和实施方式可以变得显而易见。
附图说明
[0014]图l是具有4x 4感测器阵列、驱动电路和感测电路的多路复用电感式触觉传感器的电气图。
[0015]图2A、2B和3示出具有可变形导电屏蔽层和可压缩介电层的8x 8多路复用电感式触觉传感器。
[0016]图4A、4B和5示出了具有平行导电屏蔽层和设置在FPCB的相对侧上的平行可压缩介电层的多路复用电感式触觉传感器。
[0017]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种装置，包括：多个电感式感测器，其布置在包括行和列的阵列中，所述感测器中的每一个包括驱动线圈和感测线圈，其中，每一列中的所述感测器的所述驱动线圈串联连接，并且每一行中的所述感测器的所述感测线圈串联连接；以及电路，其被配置为通过激活所述列中的其中一列的所述感测器的所述驱动线圈和所述行中的其中一行的所述感测器的所述感测线圈来独立地选择所述电感式感测器中的单个感测器，其中，在被激活的列和行的相交处的感测器被选择，并且被选择的感测器的输出由所述电路测量。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电路通过单独地选择和测量所述阵列的每个所述感测器的输出串联来执行扫描。3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述电路产生对应于所述阵列中的相对应的所述感测器的位置的测量矩阵。4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述电路产生对应于所述阵列中的相对应的所述感测器的位置的测量矩阵的时间序列。5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电路包括连接到所述感测器的所述驱动线圈的驱动电路，所述驱动电路包括AC电流源和解复用器。6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电路包括连接到所述感测器的所述感测线圈的感测电路，所述感测电路包括多路复用器和模数转换器。7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述感测器设置在印刷电路板(PCB)上，并且第一可压缩介电层设置在所述PCB的第一侧上。8.根据权利要求7所述的装置，包括设置在所述第一可压缩介电层上的第一可变形导电屏蔽层，使得所述第一可变形导电屏蔽层通过所述第一可压缩介电层与所述PCB分离。9.根据权利要求8所述的装置，包括设置在所述PCB的第二侧和第二可变形导电屏蔽层之间的第二可压缩介电层。10.根据权利要求7所述的装...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯，
申请(专利权)人：四达瑞康传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：