生任何影响，每个条状电容单元的驱动 电极与感应电极在各象限中的平面布置应保证一定的错位偏移，通过差动消除影响，取感 应电极在下层PCB基板上的位置作为参照，则驱动电极在上层PCB基板上的布置应WPCB 基板边缘线为基准。图中四个虚线方框为感应电极在下极板上的基准。而置他们与几何基 准线差距均为8。(〇. 1mm)，W保证T,在I、II象限电容单元产生差动电容输出响应，而在III、IV象限电容单元则产生对Ty的差动电容响应，设置一个初始错位偏移5 ,。，其取值应 保证Sx〇 =d〇'^;其计算值与6。类似，其初始错位偏移均设置5 ,。= 5y"=〇.〇lmm，W保 证四个象限中的电容单元在Ty和Ty切向激励下能产生两组差动电容对。在图6中Cw=Ck和CTXII=Cl为转换TX的差动电容化而C。…二Cl和CTxiv=Ck则为转换Ty的差 动电容对。
[0080]似法向应力计算
[008。 由公式做可改写单个电容器的法向响应电容
[0082]
[008引其中，i=I、II、m、IV，因每个象限中，N指一个象限内的条状电容单元的数量，N 个条状电容单元并联。
[0084] 如再将其求和，可得
[0085] 上式即为0。的电容总响应。
[0086] 尽管单个电容的求和可通过电极引线的并联连接实现。但一旦并接好，就不再能 实现求差组合，故实际的求和组合要通过中间变换器的输出再求和，见图10,求和的信号流 程框图中，中间变换器K可W是电压对电容或频率对电容的传输系数，从而完成对法向响 应的合成。
[0087]
[008引 做切向应力计算
[008引 Cl对Cii和Cu对c"可W实现两对差动组合，见图11，经差动技术处理，差动输出 的总响应
[0090]
[00川上式中，无论是法向激励F。或切向激励Fy均不对0。产生影响。即自动消除了 曰。和Ty对Ty的总输出的禪合或干扰，因为凡是在信号包含相减的运算中，等量和同符合 的电容变化都自动消除。而Fy和Fy对0。的干扰可通过上层电极在b。方向增加几何长度 2 5。消除，0TY同理可求。
[0092] (4)主要材料选择及其特性参数
[0093] 梳齿状平行板电容器的结构剖面图类似于图12所示的S明治结构。图12中，1 为上PCB基板，2为下PCB基板，3为驱动电极，4为感应电极，5为弹性介质。
[0094] 极板距屯二0. 1mm，上下基板内侧空间除铜巧电极外，均为用失蜡铸造法充填的 PDMS(聚二甲基硅氧烷）超弹绝缘介质。其机械和物理特性参数为杨氏模量E= 6. 2MPa， 而其抗剪弹性模量为G= 4.IMPa，介质极化时相对介电常数eY= 2. 5。由于介质的E和 G远小于铜的弹性模量Efl= 103GPa。故电容器内部介质在应力状态下的变形远大于极板 的变形。
[0095] (5)电极引线设计
[0096]无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线，考虑各个驱动电极在信号电平上都 是接地的，故四组驱动电极只需共用同一个引出线。而四个电容单元模块感应电极则需用 各自独立的引出线，于是整个电容组件共有至少5个管脚从平面封装的侧面引出，W便整 个组件顶部与底部外表面能方便地与测量对象接触。
[0097]本发明在新材料和新工艺的支撑下，完成了一种新型=维力敏感电容组合的设 计，在10X10mm2的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较均匀的传递应力。文中四个 单元电容呈两对组合分布。在空间力与传感器表面的接触中外力只有1个，电容响应却有 4个，对4个电容求和可得到法向F。的信息，即整个电极板都对求F。做出贡献，同时将两对 电容组合组成差动系统，又可获得Fy和Fy的信息，从而完整描述一个=维力。
[0098]通过对手写输入设备采集到的力信息进行特征提取，图14为一用户在实际书写 汉字"中"过程中采集到的=维力信息分解后的主要特征分量曲线，我们将汉字"中"进行 笔画分解，如图14中（a)到（d)所示，3幅曲线图从上至下依次表示为Fx，Fy，Fz的力曲线。 从图可W看出，笔画（a)会引起Y向增加，笔画化）会先引起X增加，而后引起Y增加，笔画 (C)会引起X向的增加，笔画（d)同笔画（a),只要X或者Y任意一项的力存在，Z向的力都 是始终存在的。通过多次试验得出；同一用户在书写相同汉字的过程中，其作用力的曲线也 呈现出一定的重复性，基于力信息曲线的重复性作为签名分析的依据。
[0099] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式 的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改 进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种电子签名多维力信息采集系统，其特征在于，所述采集系统包括数据采集模块 和传感系统信号处理器，数据采集模块包括传感器矩阵，传感器矩阵设置在书写区域下方， 所述传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，所述X方向差动电 容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所 述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿结构，每个条状电容单元包括 上极板的驱动电极和下极板的感应电极，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容 单元组合的电容值求和计算电容传感器的法向力且消除切向力影响。2. 根据权利要求1所述的电子签名多维力信息采集系统，其特征在于，所述采集系统 还包括显示模块和敏感膜片，所述显示模块连接传感系统信号处理器，敏感膜片覆盖在传 感器阵列表面，所述显示模块的长和宽相比于传感器阵列以相同的比例缩小。3. 根据权利要求1所述的电子签名多维力信息采集系统，其特征在于，所述每个条状 电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极 长度两端分别预留左差位S左和右差位δ右，b 0驱=bos+S右+ δ左，其中，b0驱为条状电容单 元的驱动电极长度，为条状电容单元的感应电极长度。4. 根据权利要求3所述的电子签名多维力信息采集系统，其特征在于，所述差位δ s =，且·其中Cltl为弹性介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ _为最大 应力值。5. 根据权利要求1所述的电子签名多维力信息采集系统，其特征在于，所述两组相互 形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错 位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。6. 根据权利要求1所述的电子签名多维力信息采集系统，其特征在于，所述梳齿状结 构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单 元之间设有电极间距a s。7. 根据权利要求6所述的电子签名多维力信息采集系统，其特征在于，所述平行板面 积S = M (%+a s) Iv其中，M为条状电容单元数量，Idci为条状电容单元的长度，a ^条状电容单 元的宽度。8. 根据权利要求1所述的电子签名多维力信息采集系统，其特征在于，所述电容单元 模块的每个条状电容单元的引线通过并联或者独立连接到传感系统信号处理器。9. 根据权利要求1所述的电子签名多维力信息采集系统，其特征在于，所述条状电容 单元的宽度a其中，Cltl为弹性介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的 抗剪模量。10. 根据权利要求1所述的电子签名多维力信息采集系统，其特征在于，所述传感系统 信号处理器和电容单元模块之间设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率 对电容的传输系数。
【专利摘要】本发明涉及一种电子签名多维力信息采集系统,采集系统包括数据采集模块和传感系统信号处理器，数据采集模块包括传感器矩阵，传感器矩阵设置在书写区域下方，电容压力传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，电容单元模块采用由两个以上的条状电容组成的梳齿状结构。本发明的电子签名多维力信息采集系统，能够采集在书写过程中产生的三维空间多维力矢量信息，这种“隐藏”在汉字背后的多维力信息，是别人无法看到的，从而也是无法模仿的，因此，基于获取的三维空间多维力信息作为身份认证特征具有突出有益效果。
【IPC分类】G06F21/31
【公开号】CN104978504
【申请号】CN201510455768
【发明人】张婷婷, 吴凤霞, 刘贤东
【申请人】安徽机电职业技术学院
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年7月28日