МАТРИЧНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

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.

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.

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.

Это устройство выбрано в качестве прототипа предложенного решения.

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.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности преобразования давление - электрический сигнал.

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.

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.

На фиг.1 представлена конструкция преобразователя давления, имеющего два дополнительных слоя электродов.

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.

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.

На фиг.3 изображена схема подключения датчика давления по п.1 к устройству обработки сигнала, обеспечивающая считывание сигнала с датчика в процессе работы.

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.

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.

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.

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.

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.

Матричный датчик давления может иметь довольно значительную площадь - несколько десятков квадратных сантиметров и быть гибким.

Источники информации

1. Патент РФ №2362236.

2. Патент US №2011/0242047 А1.