[发明专利]基于压电单元的三维力感知阵列传感器及压力解算方法

说明书

本发明公开了一种基于压电单元的三维力感知阵列传感器及压力解算方法，基于压电单元的三维力感知阵列传感器包括多个传感单元，传感单元包括硅基底、电极、导电层、压电纤维柱和绝缘层。电极的数量为四个且电极与硅基底连接，并位于硅基底的一侧，导电层位于电极远离硅基底的一侧，且连接负极，压电纤维柱的数量为四个，四个压电纤维柱与电极和导电层电连接，并垂直于电极和导电层之间，且位于靠近导电层边缘的一侧，绝缘层与导电层连接，并位于导电层远离四个压电纤维柱的一侧，多个传感单元沿以导电层中心点为原点建立的直角坐标系的X轴和Y轴阵列排列。实现对大面积三维力空间高分辨率、高精度的三维感知、结构简单、灵敏度高。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于压电单元的三维力感知阵列传感器及压力解算方法。

背景技术

随着科学技术的发展及应用技术的提高，对传感器的分辨率、灵敏度提出了更高的要求。针对这一问题，国内外专家进行了大量的研究，由此产生了很多新型传感器，其中压电式传感器重量较轻、工作可靠、结构简单、灵敏度高，在实际应用中有很高的实用价值。

目前传感器按照其敏感材料、感知机理大致可分为六种：机械式、压阻式、电容式、压电式、压磁式和光电式。机械式传感器是由外力引起机械位移，但是其空间分辨率受到限制且结构复杂；压阻式传感器是利用单晶硅体材料的压阻效应和集成电路技术制成的，其具有很好的负载能力且动态范围宽，但同时也存在迟滞，弹性材料性能需要优化，单调响应非线性的缺点；电容式传感器原理为两平行板极间弹性介质层受压变形是容量变化，有动态范围宽、线性响应和坚固耐用的优点，但也有介电性易受温度影响及易受噪音干扰的缺点；压电式传感器的敏感元件是用压电的材料制作而成的，而当压电材料受到外力作用的时候，它的表面会形成电荷，电荷经过电荷放大器、测量电路以及变换阻抗以后，就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输出，它有很多优点：重量较轻、工作可靠、结构简单、信噪比高、灵敏度高以及信频宽等等；压磁式传感器将作用力的变化转化成传感器导磁体的导磁率变化并输出电信号，有输出功率大、信号强、结构简单优点，但易受散场和噪音影响；光电式传感器用弹性体变形法调制光波，使压力转换为光图像，拥有高分辨率、无电气干扰、信号处理电路可远离传感器等优点，但性能对弹性体依赖较强且存在滞后。

压电式传感器是一种自发电式传感器，它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量动态力、动态压力、振动加速度等物理量。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固，可靠性、稳定性高。

但是现有的压电式传感器对局部力信号的空间高分辨率低、灵敏度低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于压电单元的三维力感知阵列传感器及压力解算方法，实现对局部微弱力信号的三维解算，得到大面积空间高分辨率的精确三维力感知，具有对局部力信号的空间高分辨率、高灵敏度的传感特点。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于压电单元的三维力感知阵列传感器，包括多个传感单元，所述传感单元包括硅基底、电极、导电层、压电纤维柱和绝缘层，所述电极的数量为四个，四个所述电极与所述硅基底连接，并位于所述硅基底的一侧，所述导电层位于所述电极远离所述硅基底的一侧，且连接负极，所述压电纤维柱的数量为四个，四个所述压电纤维柱与四个所述电极和所述导电层电连接，并垂直于所述电极和所述导电层之间，且位于靠近所述导电层边缘的一侧，所述绝缘层与所述导电层连接，并位于所述导电层远离四个所述压电纤维柱的一侧，多个所述传感单元沿以所述导电层中心点为原点建立的直角坐标系的X轴和Y轴阵列排列。

其中，所述压电纤维柱的高度为10-20mm，直径为0.1-0.2mm。

其中，四个所述压电纤维柱的中心点与所述导电层的中心点连线均相等。