一种信号检测传感结构的制作方法

本实用新型实施例涉及信号检测技术，尤其涉及一种信号检测传感结构。

背景技术：

与手部功能相关的感觉主要包括接触、压力、位置、滑动、温度等。调查显示，接触、抓握等比较重要，在研究中我们也发现，“接触”和“滑动”是假肢手最重要的两类感觉信息，存在于绝大多数假肢手动作中(“挥手”等除外)，是实现安全可靠抓握的关键。触滑信号可通过分析假肢手与物体之间的相互作用力得出，通常来说，“接触”信号主要是静态力，而“滑动”信号主要是动态力。

最常见的静态力传感器有电容式和电阻式传感器。电容式传感器通过测量平行板之间的电容变化来测量压力，但其电路复杂，受电磁干扰大。电阻式传感器包括压阻式和接触电阻式，通过测量材料电阻率变化来测量压力，但其灵敏度和信号稳定性受到一定限制。此外，还可使用应变片等方法检测假肢手感觉信号，但也存在结构复杂、灵敏度低等不足。

常见的动态力传感器有压电式和摩擦电式传感器。这两类传感器制备工艺较高，且压电材料的信号受温度影响，在抓握较热或较冷物体时，温度变化干扰感觉信号的检测。此外，多个电阻式传感器构成的阵列，也能用于检测滑动信号，还有光电式、声电式、电磁式等传感器，通过间接的方式获取信号，但均存在结构复杂、制作难度大、可靠性低、精度难以保证等缺点。

目前，可利用聚偏乙烯等压电薄膜能够同时检测接触信号和滑动信号，但在信号分离方面难度较大，使得两种信号的检测精度都较低。

技术实现要素：

本实用新型提供一种信号检测传感结构，以实现单一传感单元对接触信号和滑动信号的同时检测，并提高接触信号和滑动信号的检测精度。

本实用新型实施例提供了一种信号检测传感结构，包括：第一压电驻极体层、第二压电驻极体层以及位于所述第一压电驻极体层和所述第二压电驻极体层之间的粘合层；所述第一压电驻极体层远离所述第二压电驻极体层的一侧表面包括多个凸起结构；所述第二压电驻极体层临近所述第一压电驻极体层的一侧表面为平滑表面；所述第一压电驻极体层用于检测触摸物体的接触信号和/或滑动信号，所述第二压电驻极体层用于检测触摸物体的接触信号。

进一步地，所述第一压电驻极体层以及所述第二压电驻极体层内具有微孔结构，所述微孔结构的截面形状包括圆形、椭圆形以及多边形中的至少一种。

进一步地，所述第一压电驻极体层的材料包括氟化乙烯丙烯共聚物以及聚四氟乙烯中的至少一种。

进一步地，所述第二压电驻极体层的材料包括聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯以及聚萘二甲酸乙二醇酯中的至少一种。

进一步地，采用粘贴、热压或熔融工艺将所述第一压电驻极体层通过所述粘合层层叠粘合在所述第二压电驻极体层上。

进一步地，所述信号检测传感结构还包括：信号处理模块；所述第一压电驻极体层远离所述第二压电驻极体层的一侧设置有第一电极，所述第一压电驻极体层靠近所述第二压电驻极体层的一侧设置有第二电极；所述第二压电驻极体层靠近所述第一压电驻极体层的一侧设置有第三电极，所述第二电极和所述第三电极相互绝缘设置，所述第二压电驻极体层远离所述第一压电驻极体层的一侧设置有第四电极；所述信号处理模块分别与所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、以及所述第四电极电连接，用于计算触摸物体的接触信号和/或滑动信号。

本实用新型提供的信号检测传感结构包括第一压电驻极体层、第二压电驻极体层以及位于所述第一压电驻极体层和所述第二压电驻极体层之间的粘合层，第一压电驻极体层远离第二压电驻极体层的一侧表面包括多个凸起结构，以检测触摸物体的接触信号和/或滑动信号，第二压电驻极体层临近第一压电驻极体层的一侧表面为平滑表面，以检测触摸物体的接触信号，第一压电驻极体层和第二压电驻极体层的叠层结构实现了单一传感单元对接触信号和滑动信号的同时检测，本实用新型实施例提供的信号检测传感结构结构简单、灵敏度高、基本无热释电效应、在工作温度范围内基本不受温度变化影响，可以实现对接触信号和滑动信号的高精度检测。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种信号检测传感结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的信号检测传感结构的处理模块与第一压电驻极体层和第二压电驻极体层连接示意图。

图3是本实用新型实施例提供的信号检测传感结构的制作方法流程图。

图4是本实用新型实施例提供的信号检测传感结构的信号检测方法流程图。

图5是本实用新型实施例提供的信号检测传感结构检测的接触信号输出示意图。

图6是本实用新型实施例提供的信号检测传感结构检测的滑动信号输出示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1为本实用新型实施例提供的一种信号检测传感结构示意图，如图1所示的信号检测传感结构，包括：层叠粘合的第一压电驻极体层1、第二压电驻极体层2以及位于第一压电驻极体层1和第二压电驻极体层2之间的粘合层5；粘合层5将第一压电驻极体层1和第二压电驻极体层2层叠粘合。第一压电驻极体层1远离第二压电驻极体层2的一侧表面包括多个凸起结构3；第二压电驻极体层2临近第一压电驻极体层1的一侧表面为平滑表面；第一压电驻极体层1用于检测触摸物体的接触信号和/或滑动信号，第二压电驻极体层2用于检测触摸物体的接触信号。

本实用新型实施例提供的信号检测传感结构例如可以佩戴在假肢或机器手的人造皮肤上，假肢对触摸物体的操作例如有滑动操作和按压操作等。按压操作主要是静态力，对于按压操作可通过检测假肢与触摸物体接触面的压力得到。滑动操作主要是动态力，对于滑动操作，假肢皮肤和触摸物体看似光滑，但微观结构中分布有大量微小凸峰，在二者发生相对滑动时，会产生微振动，滑动操作可通过检测微凸峰的振动得到。本实用新型提供的信号检测传感结构使用压电驻极体，压电驻极体内部储存有电荷(偶极子)的微孔结构在外力(静态力、动态力)的作用下会产生形变，从而改变电偶极矩，补偿电荷发生变化，对外表现出相应的电荷或电压信号，因此可以检测假肢与触摸物体之间的滑动操作和按压操作等。参见图1，本实用新型实施例提供的信号检测传感结构的第一压电驻极体层1远离第二压电驻极体层2的一侧表面包括多个凸起结构3，当第一压电驻极体层1远离第二压电驻极体层2的一侧表面与触摸物体之间发生相对滑动时，第一压电驻极体层1可以检测滑动引起的微振动，因此可以检测滑动信号。当假肢按压触摸物体时，假肢上佩戴的信号检测传感结构中的第一压电驻极体层1将压力传递至第二压电驻极体层2，第一压电驻极体层1以及第二压电驻极体层2均可检测到接触信号。当佩戴有信号检测传感结构的假肢对触摸物体之间既具有滑动触摸又具有用力按压操作时，第一压电驻极体层1可以检测到滑动信号和接触信号，并将压力传递至第二压电驻极体层2以使第二压电驻极体层2检测到接触信号。

本实用新型实施例提供的信号检测传感结构包括第一压电驻极体层1和第二压电驻极体层2的叠层结构，该叠层结构不仅实现了单一传感单元对接触信号和滑动信号的同时检测，而且相对于传统的电容式、电阻式、压电式和摩擦式传感器，本实用新型实施例中的第一压电驻极体层和第二压电驻极体层质量轻、厚度薄、柔软可弯折，具有一定伸缩性，因此能够较容易的嵌入到假肢手的人造皮肤表面。此外由于第一压电驻极体层和第二压电驻极体层灵敏度高、线性度好、基本无热释电效应、在工作温度范围内基本不受温度变化影响，因此可以实现对接触信号和滑动信号的高精度检测，并且本实用新型实施例提供的信号检测传感结构简单，因此制备工艺简单，成本低廉，应用潜力非常大。

具体的，第一压电驻极体层1以及所述第二压电驻极体层2内具有微孔结构4，需要说明的是，图1中所示的第二压电驻极体层2的微孔结构4的截面形状示例性的为椭圆形，图1中所示的第一压电驻极体层1中的微孔结构4的截面形状示例性的设置成半个椭圆的形状，其仅是一种举例而非限定，在其他实施方式中，第一压电驻极体层1以及所述第二压电驻极体层2中的微孔结构4的截面形状包括圆形、椭圆形以及多边形中的至少一种。需要说明的是，第一压电驻极体层1和第二压电驻极体层2的微孔结构4可以相同也可以不同，可以根据实际的制备条件、原材料等因素确定。

可选的，第一压电驻极体层1的材料包括氟化乙烯丙烯共聚物以及聚四氟乙烯中的至少一种。可选的，第二压电驻极体层2的材料包括聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯以及聚萘二甲酸乙二醇酯中的至少一种。

可选的，采用粘贴、热压或熔融工艺将第一压电驻极体层1通过粘合层5层叠粘合在第二压电驻极体层2上，不仅可以保证按压触摸物体时，压力可以从第一压电驻极体层1传递至第二压电驻极体层2不失真，而且还可以不破坏信号检测传感结构整体的柔韧度。

具体的，信号检测传感结构还包括：信号处理模块6，如图2所示，图2为本实用新型实施例提供的信号检测传感结构的处理模块6与第一压电驻极体层1和第二压电驻极体层2的连接示意图，需要说明的是，图2为了清楚的描述处理模块6与第一压电驻极体层1和第二压电驻极体层2的电连接关系，将第一压电驻极体层1和第二压电驻极体层2分开展示，但第一压电驻极体1和第二压电驻极体2实际上是层叠粘合在一起的。第一压电驻极体层1和第二压电驻极体层2之间是绝缘的粘合层5，既起到粘合作用，又起到绝缘第二电极8和第三电极9的作用。该粘合层5为柔性薄膜材料，不影响传感结构整体的柔性，又能将压力信号很好地由第一压电驻极体层1传递至第二压电驻极体层2。第一压电驻极体层1远离第二压电驻极体层2的一侧设置有第一电极7，第一压电驻极体层1靠近第二压电驻极体层2的一侧设置有第二电极8；第二压电驻极体层2靠近第一压电驻极体层1的一侧设置有第三电极9，第二电极8和第三电极9相互绝缘设置，第二压电驻极体层2远离第一压电驻极体层1的一侧设置有第四电极10。第一电极7、第二电极8、第三电极9和第四电极10例如可以是很薄的金属电极层，包括但不限于铝、银、金等导电材料，金属电极层的制备方法包括但不限于蒸发沉积、磁控溅射等方法。信号处理模块6分别与第一电极7、第二电极8、第三电极9、以及第四电极10电连接，用于计算触摸物体的接触信号和/或滑动信号。

可选的，第一压电驻极体层1和第二压电驻极体层2可以共用一个信号处理模块，也可以给第一压电驻极体1和第二压电驻极体2分别设置一个信号处理模块，此处以第一种情况为例。

具体的，信号处理模块设置有第一信号端、第一接地端、第二信号端及第二接地端，第一信号端与第一电极7电连接，用于获取触摸物体的接触信号和/或滑动信号，第一接地端与第二电极8电连接，用于实现电磁屏蔽，减少外界其它信号干扰；第二信号端与第三电极9电连接，用于获取触摸物体的接触信号，第二接地端与第四电极10电连接，用于实现电磁屏蔽，减少外界其它信号干扰。需要说明的是，第一信号端和第一接地端与第一电极7和第二电极8及第二信号端和第二接地端与第三电极9和第四电极10之间的连接选择此处不做具体限定，也可以是第一信号端与第二电极8电连接，第一接地端与第一电极电7连接，第二信号端与第四电极10电连接，第二接地端与第三电极9电连接。

本实用新型实施例还提供了如上述实施例所述的信号检测传感结构的制作方法，图3为本实用新型实施例提供的信号检测传感结构的制作方法流程图，如图3所示，包括：

S101、提供一第二压电驻极体层。

S102、在所述第二压电驻极体层一侧贴附粘合层。

S103、提供一第一压电驻极体层，并将第一压电驻极体层通过所述粘合层层叠粘合在第二压电驻极体层上。

具体的，第一压电驻极体层远离第二压电驻极体层的一侧表面包括多个凸起结构；第二压电驻极体层与第一压电驻极体层粘合的一侧表面为平滑表面；第一压电驻极体层用于检测触摸物体的接触信号和/或滑动信号，第二压电驻极体层用于检测触摸物体的接触信号。

可选的，第一压电驻极体层和/或第二压电驻极体层采用膨化法、模板法或刻蚀法形成。

可选的，采用粘贴、热压或熔融工艺将第一压电驻极体层1通过粘合层5层叠粘合在第二压电驻极体层2上，不仅可以保证接触信号从第一压电驻极体层传递至第二压电驻极体层不失真，而且还可以不破坏信号检测传感结构整体的柔韧度。

本实用新型实施例还提供了如上述实施例所述的信号检测传感结构的信号检测方法，图4为本实用新型实施例提供的信号检测传感结构的信号检测方法流程图，如图4所示，包括：

S201、获取第一压电驻极体检测的第一信号以及第二压电驻极体层检测的第二信号。

S201、根据第一信号确定触摸物体的接触信号和/或滑动信号，根据第二信号确定触摸物体的接触信号。

具体的，本实用新型实施例提供的信号检测传感结构的信号检测方法例如可以对佩戴在假肢上的信号检测传感结构进行信号检测，假肢对触摸物体的操作例如有滑动操作和按压操作等。按压操作主要是静态力，对于按压操作可通过检测假肢手与触摸物体接触面的压力得到。滑动操作主要是动态力，对于滑动操作，假肢皮肤和触摸物体看似光滑，但微观结构中分布有大量微小凸峰，在二者发生相对滑动时，会产生微振动，滑动操作可通过检测微凸峰的振动得到。本实用新型实施例提供的信号检测传感结构的信号检测方法根据压电驻极体的特性，压电驻极体内部储存有电荷(偶极子)的微孔结构在外力(静态力、动态力)的作用下会产生形变，从而改变电偶极矩，补偿电荷发生变化，对外表现出相应的电荷或电压信号，因此可以检测假肢与触摸物体之间的滑动操作和按压操作等。参见图1，本实用新型实施例提供的信号检测传感结构的信号检测方法第一压电驻极体层1远离第二压电驻极体层2的一侧表面包括多个凸起结构3，当第一压电驻极体层1远离第二压电驻极体层2的一侧表面与触摸物体之间发生相对滑动时，第一压电驻极体层1可以检测滑动引起的微振动，因此可以检测滑动信号，将检测的该滑动信号作为第一信号，当假肢按压触摸物体时，假肢上佩戴的信号检测传感结构中的第一压电驻极体层1将压力传递至第二压电驻极体层2，第一压电驻极体层1以及第二压电驻极体层2均可检测到接触信号，将检测的接触信号作为第二信号。当佩戴有信号检测传感结构的假肢对触摸物体之间既具有滑动触摸又具有用力按压操作时，第一压电驻极体层1可以检测到滑动信号和接触信号，并将压力传递至第二压电驻极体层2以使第二压电驻极体层2检测到接触信号，将检测的滑动信号作为第一信号，检测的接触信号作为第二信号。

本实用新型实施例提供的信号检测传感结构的信号检测方法首先获取第一压电驻极体检测的第一信号以及第二压电驻极体层检测的第二信号，然后根据第一信号确定触摸物体的接触信号和/或滑动信号，根据第二信号确定触摸物体的接触信号，实现了对接触次信号和滑动信号的同时检测，此外由于第一压电驻极体层和第二压电驻极体层灵敏度高、线性度好、基本无热释电效应、在工作温度范围内基本不受温度变化影响，因此可以实现对接触信号和滑动信号的高精度检测。

图4为本实用新型实施例提供的信号检测传感结构检测的接触信号输出示意图，如图4所示，在接触物体时，接触信号的信号输出为一个孤立的信号峰，且信号峰的幅值比较大。图6是本实用新型实施例提供的信号检测传感结构检测的滑动信号输出示意图，如图6所示，滑动信号的信号输出为一系列不规则的微小振动，存在多个信号峰，且信号峰的幅值都较小。因此，可以设置第一阈值和第二阈值，根据信号峰的数量及信号峰的幅值与第一阈值比较、信号的方差与第二阈值比较来区分接触信号和滑动信号。

可选的，根据第一信号检测触摸物体的接触信号和/或滑动信号，根据第二信号检测触摸物体的接触信号；包括：

若第一信号的信号峰的数量等于1且信号峰的幅值大于第一预设值，则确定第一信号为触摸物体的接触信号；

若第一信号的信号峰的数量大于1，且信号峰的幅值均小于第一预设值，且在第一信号的信号方差小于第二阈值时，确定第一信号为触摸物体的滑动信号；

若第二信号的信号峰的数量等于1且信号峰的幅值大于第一预设值，则确定所述第二信号为触摸物体的接触信号。

由于第一压电驻极体层既可以检测接触信号又可以检测滑动信号，因此本实用新型实施例通过上述方法还可实现对检测到的接触信号以及滑动信号的分离。若第一压电驻极体检测的第一信号的信号峰的数量等于1，且信号峰的幅值大于第一预设值，那么说明第一信号只存在一个孤立的信号峰，且信号峰的幅值比较大，即第一信号中只存在接触信号，此时将第一信号确定为触摸物体的接触信号。若第一信号的信号峰的数量大于1，且信号峰的幅值均小于第一预设值，说明第一信号中不存在接触信号，若第一信号的信号方差小于第二阈值，那么说明第一信号为一系列不规则的微小振动，存在多个信号峰，且信号峰的幅值都较小，即第一信号中只存在滑动信号，此时将第一信号确定为触摸物体的滑动信号。由于第二压电驻极体层只能检测接触信号，因此无需进行信号分离，只需在第二信号的信号峰的数量等于1且信号峰的幅值大于第一预设值时，即可确定第二信号为触摸物体的接触信号。

可选的，根据第一信号检测触摸物体的接触信号和/或滑动信号，根据第二信号检测触摸物体的接触信号；包括：

若第一信号的信号峰的数量大于1且其中一信号峰的幅值大于第一预设值，将第一信号的绝对值与第二信号的绝对值的差作为第三信号，将第三信号确定为触摸物体的滑动信号；

将第二信号确定为触摸物体的接触信号。

若第一压电驻极体检测的第一信号的信号峰的数量大于1，且其中一信号峰的幅值均大于第一预设值，那么说明第一信号中既存在接触信号，又存在滑动信号。由于第二压电驻极体层检测的第二信号为接触信号，且第二压电驻极体层检测到的接触信号是由第一压电驻极体层传递的，两者检测到的接触信号大小相等，具体的，将第一信号的绝对值与第二信号的绝对值做差便可去除第一信号中的接触信号，该差值作为第三信号，第三信号便为触摸物体的滑动信号。

可选的，本实用新型实施例提供的信号检测传感结构的信号检测方法还包括：

若第一信号的信号峰的数量等于1且所述信号峰的幅值大于第一预设值，第一信号的信号峰值大于0，则判定触摸物体为逐渐接触状态；

若第一信号的信号峰的数量从1变为0，则判定触摸物体为从逐渐接触状态变为握紧状态；

若第一信号的信号峰的数量等于1且信号峰的幅值大于第一预设值，第一信号的信号峰值小于0，则判定触摸物体为脱离接触状态。

若第一信号的信号峰的数量等于1且所述信号峰的幅值大于第一预设值，那么说明第一信号只存在一个孤立的信号峰，且信号峰的幅值比较大，即第一信号只存在接触信号，又因为第一信号的信号峰值大于0，则说明触摸物体是处于逐渐接触的过程；若第一信号的信号峰的数量从1变为0，则说明第一信号从不断变化的信号输出变为无信号输出，即触摸物体从逐渐接触状态变为握紧状态；若第一信号的信号峰数量等于1且信号峰的幅值大于第一预设值，则说明第一信号只存在一个孤立的信号峰，且信号峰的幅值比较大，即第一信号只存在接触信号，又因为第一信号的信号峰值小于0，则说明触摸物体为脱离接触状态。

可选的，本实用新型实施例提供的信号检测传感结构的信号检测方法还包括：

若第二信号的信号峰的数量等于1且信号峰的幅值大于第一预设值，第二信号的信号峰值大于0，则判定触摸物体为逐渐接触状态；

若第二信号的信号峰的数量从1变为0，则判定触摸物体为从逐渐接触状态变为握紧状态；

若第二信号的信号峰的数量等于1且信号峰的幅值大于第一预设值，第二信号的信号峰值小于0，则判定触摸物体为脱离接触状态。

若第二信号的信号峰的数量等于1且所述信号峰的幅值大于第一预设值，那么说明第二信号只存在一个孤立的信号峰，且信号峰的幅值比较大，即第二信号为接触信号，又因为第二信号的信号峰值大于0，则说明触摸物体是处在逐渐接触的过程；若第二信号的信号峰的数量从1变为0，则说明第二信号从不断变化的信号输出变为无信号输出，即触摸物体从逐渐接触状态变为握紧状态；若第二信号的信号峰数量等于1且信号峰的幅值大于第一预设值，则说明第二信号只存在一个孤立的信号峰，且信号峰的幅值比较大，即第二信号为接触信号，又因为第二信号的信号峰值小于0，则说明触摸物体为脱离接触状态。

本实用新型实施例提供的信号检测传感结构的信号检测方法首先获取第一压电驻极体检测的第一信号以及第二压电驻极体层检测的第二信号，然后根据第一信号确定触摸物体的接触信号和/或滑动信号，根据第二信号确定触摸物体的接触信号，实现了对接触次信号和滑动信号的同时检测，此外由于第一压电驻极体层和第二压电驻极体层灵敏度高、线性度好、基本无热释电效应、在工作温度范围内基本不受温度变化影响，因此可以实现对接触信号和滑动信号的高精度检测。本实用新型提供的信号检测方法根据接触信号和滑动信号的特征，提供了对第一信号中的接触信号和滑动信号进行分离的方法，并能够判断出佩戴有本实用新型所述的信号检测传感结构的假肢手的抓握状态，比如判断触摸物体是处于逐渐接触状态、握紧状态还是脱离接触状态，实现了新型传感单元的实际应用。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。