传感器装置制造方法
【专利摘要】本发明是一种传感器装置，该传感器装置包括：载体元件(24)、布置在所述载体元件(24)上的至少一个光发射元件(20)、布置在所述载体元件(24)上的至少一个光检测元件(22)、将由所述光发射元件(20)发射的光的至少一部分反射到所述至少一个光检测元件(22)的覆盖层(12)、以及至少一个透明的填充元件(16,18)，所述至少一个透明的填充元件(16,18)至少部分地填充所述载体元件(24)与所述覆盖层(12)之间的空间并且是由柔性材料制成的。
【专利说明】传感器装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器装置。更具体地讲，本发明涉及一种适于感测作用在其表面上的压力和力的传感器装置。
【背景技术】
[0002]传感感知(sensory perception)在机器人技术中扮演越来越重要的角色。利用传感感知，可取的是获得尽可能多的关于环境的信息，以确保机器人做出最佳响应。在机器人技术中，最常见的任务是抓取、定位和物体重定位。迄今为止所使用的方法在物体的位置和取向已知的良好建模的环境中确实可行。机器人臂和抓取装置变得越来越普遍，该事实必然导致期望将它们应用于尽可能广阔的领域，并且也应用于未定的环境中。未来机器人技术的目标是机器人应该具有类似于人类的能力并且为其提供帮助。为此，必不可少的是机器人应该类似于人地、有技巧且安全地处置与任务有关的物体(例如，门把手、杯子、按钮、眼镜等)。
[0003]在与各种物体交互的过程中，主要信息通过触觉感知来产生。这种交互可不仅在手指上，而且在机器人的整个表面上传输重要信息，因此研究者未来的目标是将传感器扩展至机器人的完整表面，创造一种人造皮肤。
[0004]J.Tegin 和 J.Wikander 在“Tactile sensing in intelligent roboticmanipulation - a review，，(Industrial Robot:an International Journal,第 32 卷，第 I期，第64 - 70页(2005年))中给出了关于常用传感器和压力传感器装置的概述。总之，可以说目前的传感器装置具有刚性表面和结构。物体与传感器装置之间建立的接触在大多数情况下是点状接触，特别是在刚性物体的情况下。点状接触的极大缺点是能够获得的关于给定物体与其表面的信息很少，并且抓取的稳定性也降低。
[0005]在具有弹性表面的压力传感器装置的情况下，作为施加抓取力的结果，传感器装置的表面适应物体的表面，从而增加了抓取的稳定性，并且可从更大的表面收集关于物体的表面和材料特性的信息。在许多现有技术的解决方案中，尝试了利用柔性材料覆盖刚性结构的传感器装置。
[0006]另一重要任务(其中这些方法不太有利)是确定压力的方向和位置。(从施加在例如一根手指上的力)感测触觉感知的方向在确定表面的滑动和特性中尤其重要。
[0007]在US2010/0253650A1中，公开了这样一种光学压力传感器装置，其具有柔性圆顶(即，覆盖层)，并且其另外具有光反射层以将光发射元件的信号向光检测元件反射。这种方法的缺点是传感器装置的能够以适当精度检测作用于其上的力的分量的有用表面受到光发射元件的发射角度以及光检测元件的视角的限制。这种方法的另一缺点在于由于容易压缩，所以它仅能够测量相对小的值范围内的力。
[0008]在US4, 704, 909中，公开了一种还具有光学实施方式的压力传感器装置,其中在刚性表面(实际上是传感器装置的平坦外壳)下方应用弹性环。
[0009]在US4，635，479和US4，747，313中，公开了一种具有由刚性材料制成的圆顶形压力传感器表面的压力传感器装置。在US4，405，197中，公开了一种具有弹性压力传感器表面的基于光学原理的压力传感器装置。
[0010]为确定压力的分量而设计的许多其它三维传感器装置是已知的。它们中的大多数基于MEMS(微机电)技术，例如US2009/0320611A1中所公开的传感器装置。通常，这些传感器装置极其易于损坏，并且具有小的传感器表面，这实际上使它们适用于测量点状作用的力。
[0011 ] 另一种熟知且广泛使用的解决方案是通过CXD或CMOS相机应用光学压力测量。这种情况下的操作的基本原理是能够被相机良好检测的各种标记被置于相机上方的弹性材料上，标记距相机的距离由于材料变形(外力)而改变。可基于相机照片检测距离的改变(因此，表面变形率)，即，可计算出作用于表面上的力。这种实现方式公开于以下研究中:P.Lang, “Optical tactile sensors for medical palpation，，(The Thirty-Fourth LondonDistrict Science and Technology Conference,第 1-5 页(2004 年))。这些实现方式的缺点是尺寸大并且计算复杂度高。
[0012]传感器装置还可基于磁原理。根据公开这一方法的出版物(E.Torres-Jara、
1.Vasilescu 和 R.Coral,“A soft touch:Compliant Tactile Sensors for SensitiveManipulation”，Technical Reports,麻省理工大学，计算机科学和人工智能实验室，2006年3月I日)，将磁体固定到弹性圆顶的中心，所述弹性圆顶在置于一个平面上四个霍尔传感器上方。随着圆顶的变形，磁体相对于霍尔传感器的位置改变(这可通过磁场的变化来测量)，但是金属或磁性物体的抓取可能干扰测量。在以上以及相关的US2010/0155579A1文献中，提及了所讨论的传感器装置的光学实现方式。在该光学实现方式中，在光学信号发射和检测元件上方应用反射光学信号的中空圆顶，但是这限制了传感器装置的载荷能力和小型化。这一解决方案的另一缺点是它没有防止外部光进入到传感器装置中。
[0013]在机器人技术中抓取器仅包括几个传感器装置(特别是位于手指的末端处)不是因为传感器的质量。设计传感器装置和传感器的布线是很大的问题，并且随着传感器数量的增加，将被传送走并被处理的信号越来越多，这也增大了信号处理电子器件的尺寸。传感器矩阵(带有行和列检测)的应用帮助解决了这一问题，但是即使在一个指尖的情况下，当使用8X8传感器场时，也需要应用至少16条线。
[0014]上述一些解决方案的共同缺点是应用的光发射元件和光检测元件的视角限制了传感器装置的有用表面的尺寸。上述另一部分解决方案的共同缺点是它们的测量范围受到严重限制，并且由于它们的机械设计，它们不适合于测量在大范围内变化的力。
[0015]鉴于已知的解决方案，需要提供一种传感器装置，其适于感测以各种方式(例如，由于力或压力)产生的冲击，可在大范围的尺寸内实现，具有与传感器尺寸相关的尽可能大的表面以检测压力矢量，并且能够在最宽的可能值范围内分别测量力和压力。
【发明内容】
[0016]本发明的主要目的在于提供一种最大限度地避免了现有技术解决方案的缺点的传感器装置。
[0017]本发明的另一目的在于提供一种传感器装置，其适于感测以各种方式(例如，由于力或压力)产生的冲击，由于其构造而可在大范围的尺寸内实现。本发明的另一目的在于提供一种传感器装置，其具有与传感器尺寸相关的尽可能大的表面以测量压力或力矢量，即，该装置具有最大可能的表面以精确地确定作用于其表面上的压力和力的大小和方向。另外，本发明的一些实施方式的目的在于提供一种传感器装置，由于其设计，其适于在宽的测量范围内测量力或压力。
[0018]本发明的目的可通过提供根据权利要求1所述的传感器装置来实现。本发明的优选实施方式在从属权利要求中限定。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]以下参照附图通过示例描述本发明的优选实施方式，附图中，
[0020]图1A是根据本发明的传感器装置的实施方式的结构图，
[0021]图1B是根据本发明的传感器装置的另一实施方式的结构图，
[0022]图2是现有技术的传感器装置的示意性截面图，描绘了传感器范围，
[0023]图3是根据图1A的实施方式的示意性截面图，描绘了传感器范围，
[0024]图4是根据图2的现有技术的传感器装置的光检测元件，描绘了视角，
[0025]图5是根据图1A的光检测元件实施方式的示意性截面图，描绘了视角，
[0026]图6是本发明的实施方式的截面图，示出了其光发射元件的视角以及扩展视角，
[0027]图7是根据图1B的实施方式的截面图，描绘了与引导元件配合的其光发射元件的视角，
[0028]图8是根据图1B的实施方式的截面图，示出了从被引导元件包围的光发射元件弓I导向光检测元件的光束的示例性路径，
[0029]图9是在光检测元件也被引导元件包围的实施方式中根据图8的光束路径的示图，
[0030]图10是根据本发明的传感器装置的另一实施方式的示意性截面图，
[0031]图11是根据图1A的实施方式的示意性截面图，示出了传感器装置的光发射元件的光束路径，
[0032]图12是根据图1B的实施方式的示意性截面图，示出了传感器装置的光发射元件的光束路径，
[0033]图13示出在力的影响下根据图1B的传感器装置的变形，
[0034]图14是根据本发明的实施方式的光发射元件和光检测元件的布局的空间图，
[0035]图15是描绘根据本发明的连接到传感器装置的光元件和光检测元件的光缆的附图，
[0036]图16A - 16G是示出在各种实施方式中根据本发明的传感器装置的传感器装置光发射元件和光检测元件的布局的附图，
[0037]图17是描绘根据本发明的传感器装置的另一实施方式的示意性截面图，
[0038]图18是描绘根据本发明的传感器装置的另一实施方式的示意性截面图，
[0039]图19是描绘根据本发明的传感器装置的另一实施方式的示意性截面图，
[0040]图20A是描绘根据本发明的传感器装置的实施方式的示意性截面图，
[0041]图20B示出在力的影响下图20A中的实施方式的变形状态，
[0042]图21是描绘根据本发明的传感器装置的另一实施方式的示意性截面图，以及[0043]图22是描绘根据本发明的传感器装置的另一实施方式的示意性截面图。
【具体实施方式】
[0044]根据本发明的传感器装置基于光学原理工作。图1A示出根据本发明的传感器装置的实施方式的结构图。为了更好地示出，描绘的传感器装置的各种层的细节被折叠。根据本发明的传感器装置包括载体元件24、布置在载体元件24上的至少一个(在本实施方式中，一个)光发射兀件20、布置在载体兀件24上的至少一个(在此实施方式中，三个)光检测元件22、以及将由光发射元件20发射的光的至少一部分向至少一个光检测元件反射的覆盖层12。根据本发明的传感器装置的载体元件在一些描绘的实施方式中具有平坦构造。在根据本发明的传感器装置的一些优选实施方式中，光发射元件20能够发射红外光，光检测元件22能够检测红外光。在本实施方式中，在覆盖层12的载体元件24 —侧，布置有光反射层14，并且传感器装置还包括具有不同折射率的透明的第一填充元件16和第二填充元件18，这些填充元件填充载体元件24与光反射层14之间的空间并且由柔性材料制成。
[0045]图1B示出根据本发明的传感器装置的另一实施方式。根据图1B的实施方式与图1A所示的实施方式的不同之处在于，在载体元件24与光反射层14之间存在单个填充元件
17。即使在应用单个填充元件17时，根据本发明的传感器装置也显现出众多有利特性。这些实施方式的诸如载荷能力和测量范围的机械特性可被设定为与图1A所示的实施方式的情况类似的比率，但是此产品的制造可比图1A的实施方式容易很多。
[0046]在根据本发明的没有光反射层的传感器装置的实施方式中，至少一个填充元件部分地或者甚至完全填充覆盖层与载体元件之间的空间。在这些实施方式中，如下所述，利用这些参数设计覆盖层以至少部分地代替光反射层的功能。在完全填充的情况下，至少一个填充元件以包围至少一个光发射元件和至少一个光检测元件的方式填充覆盖层或光反射层与载体元件之间的空间。在包括多个填充元件的完全填充的实施方式中，所述填充元件填充传感器装置的内部空间。
[0047]由光发射元件20发射的光在传感器装置中根据光折射和光反射的定律投射。在本实施方式中，光发射元件20被引导元件21包围，引导元件21调节光发射元件20的光的横向散射，即，具有光阻挡功能。在此实施方式中，传感器装置具有围绕单个光发射元件布置的三个光检测元件22，所述光检测元件22布置在等边三角形的顶点处，光发射元件20位于等边三角形的中心。
[0048]因此，载体元件24的顶部被具有不同功能的多个层覆盖。在本实施方式中，一个层是覆盖层12 (实际上是传感器装置的外壳)，它将光发射元件20所发射的光朝着光检测元件22反射，并且防止外部光进入传感器装置中。因此，覆盖层12具有双功能。一方面，它不使来自外部的光进入传感器装置中，即，使得能够从传感器装置排除来自外部的光。另一方面，它不允许光发射元件20所发射的(优选的)红外光从传感器装置的内部逃逸。由于这些功能，它通常由黑色光阻挡材料制成。
[0049]布置在覆盖层12内的光反射层14优选地由光漫射材料制成。光漫射材料将任何入射光在许多方向上散射。光反射层14的功能是将光发射元件20的光朝着传感器装置的内部(即，朝着光检测元件22)反射。在根据本发明的传感器装置的不具有光反射层的这些实施方式中，覆盖层实现光反射层的功能。[0050]在根据图1A的实施方式中，填充元件18(在图1B所描绘的实施方式中，是填充元件17)包围光发射元件20和光检测元件22。例如，这可通过应用与光发射元件20和光检测元件22匹配的适当的填充元件17、18来实现。
[0051]在图1A所示的实施方式中，具有不同折射率的填充元件16、18实际上在传感器装置的内部空间中形成透镜。传感器装置的内部空间由覆盖层或光反射层限定，在装置的相对侧由载体元件、布置在载体元件上的至少一个光发射元件以及至少一个光检测元件限定。可取的是，配置具有不同折射率的填充元件16和18，使得由它们形成的透镜在光发射元件20和光检测元件22 二者上方。光发射元件20不需要在如此形成的透镜的焦点，但是在形成透镜的情况下，透镜的曲度起到重要作用。透镜用于散射光发射元件20的光，并且还用于收集来自光反射层14和覆盖层12 (其从填充元件18的相对侧限定填充元件16)的光。由于使用透镜，一方面，光发射元件20的光更均匀地照射由覆盖层12和光反射层14形成的圆顶的顶部，另一方面，光检测元件22感测更多光(如图3和图5所示)。通过选择适当的透镜形状，可实现的是，光发射元件20将光辐射到与最大可能锥顶角对应的部分空间中，因此传感器也对横向压力更灵敏，并且具有更高的分辨率。在这种情况下，光检测元件22还从更大部分的空间接收所反射的光束。在本实施方式以及下面的众多其它实施方式中，传感器装置包括圆顶形覆盖层、圆顶形光反射层以及与其匹配的至少一个填充元件。在下面描述的本发明的任何实施方式中，可应用具有不同折射率的多个填充元件。根据图1B所示的实施方式使用具有均匀折射率的单个填充元件相当于图1A的实施方式中的第一填充元件和第二填充元件具有相同的折射率。在使用单个填充元件(例如，填充元件17)的情况下，不形成上述透镜，但是在填充元件17与光发射元件20以及填充元件17与光检测元件22的边界上可分别发生折射，因此在根据图1B的实施方式中，也在一定程度上显现出如参照图3和图5所描述应用填充元件的优点。
[0052]覆盖层12、光反射层14和填充元件16、18的厚度可根据覆盖层的材料而变化，并且还基于特定任务而变化。除了其物理尺寸(高度、宽度)和质量之外，这些层和填充元件的厚度影响了传感器装置的测量范围(即，可压缩性)。
[0053]可取的是，选择最外层(即，覆盖层12)的最小厚度，使得它仅以合适的度量阻挡存在于应用环境中的光元件的光。位于覆盖层12内的光反射层14的功能(假如前者具有适当的厚度)也可由覆盖层12接管，即，光反射层14的应用是可选的。光反射层14的厚度将被设定为使得它反射足够量的光以实现测量限度。通常，可以说上述两个层(即，覆盖层12和光反射层14)的最小厚度可被指定为符合传感器装置的期望的输出特性。填充元件16、18和17各自的最小厚度是这样的值:元件经受想到的测量范围的最大力，并且填充元件16、17和18的变形落入测量范围的有用部分中，并且不会导致输出信号的饱和；因此，即使填充元件16、17和18经受最大变形，仍保持测量所需的距光检测元件22的最小距离。填充元件16、17和18的最大厚度由最小测量范围确定，使得作用于传感器装置的表面上的最低可测量力所引起的变形导致传感器装置的输出的可检测的改变。与传感器装置的总厚度有关的典型比率如下:覆盖层5%、光反射层1%和填充元件94%。以上考虑因素可适当地应用于根据本发明的传感器装置的所有实施方式中。
[0054]当应用由不同折射率的材料制成的填充元件时，应该优选考虑它们的柔性。如果填充元件的柔性相等，则在给定力的影响下，各个填充元件的变形程度相同。然而，如果一个填充元件的柔性是另一填充元件的柔性的例如两倍，则在给定力的影响下，它们将按照该比率变形。因此，通过应用具有不同柔性的填充元件，传感器装置的测量范围可优选地扩展。为了最大期望变形，可使用两个或更多个填充元件，其中柔性的适当选择将实际导致一个填充元件在单位载荷的情况下变形，而另一填充元件或其它填充元件实际仅在单位载荷的许多倍的情况下开始变形。这样，可扩展或调节传感器装置的测量范围。
[0055]图2和图3示出了如上所述由填充元件16和18形成的透镜的特性。图2示出了现有技术的传感器装置。现有技术的传感器装置与根据本发明的传感器装置的不同之处在于，在覆盖层12’与光反射层14’之间以及光发射元件20’、光检测元件22’各自与载体元件24’之间不存在填充元件。在该装置中，光在没有折射的情况下离开光发射元件20’，因此光发射元件20’的光以立体角Y入射在光反射层14’上。该图示出灵敏度曲线26’，该曲线描绘了主要沿着传感器装置的表面的灵敏度。
[0056]图3是根据本发明的传感器装置的实施方式的示意性截面图。此实施方式与图1A所示的实施方式的不同之处在于，在此实施方式中没有围绕光发射元件20布置引导元件21。通过适当选择填充元件16、18的几何形状和折射率，优选地，可如前所述在光发射元件20和光检测元件22的上方形成透镜。类似于图2，图3也示出光发射元件20所发射的光的立体角，所述光以所述立体角入射在光反射层14和覆盖层12上。类似于现有技术的传感器装置，光发射元件20按照立体角Y产生光。由于填充元件18比填充光发射元件20的内部的介质更致密，并因此围绕光发射元件20具有更高的折射率，所以离开光发射元件20的光在进入填充元件18的材料时在光发射元件20的表面上折射，并且在其中按照立体角α传播。填充元件16和填充元件18优选地由具有不同折射率的材料制成，因此从填充元件18出射并进入填充元件16的光在填充元件16、18的边界处再次折射，并且按照立体角β在填充元件16中朝着光反射层14和覆盖层12传播。通过适当地选择所应用的填充元件16、18的折射率，可调节示出在图3中并且目标在于支持传感器装置的优选功能的立体角α和β。
[0057]需要注意的是，根据本发明的传感器装置可通过应用单个填充元件(该单个填充元件安装到由载体元件和覆盖层或光反射层界定的空间中)来实现，但是由于来自光发射元件20的光以及被覆盖层和/或光反射层反射的光的双折射，可通过两个填充元件来实现甚至更有利的效果。因此，如果填充元件16、18被适当地设计，则与现有技术的传感器装置相比，可利用根据本发明的传感器装置以高精度检测作用于覆盖层12的更大表面上的压力，如本发明的适当实施方式的灵敏度曲线26以及现有技术的灵敏度曲线26’所示。根据填充元件16、18的折射率，光发射元件20所照射的区域的尺寸和位置可不同。因此，可通过适当选择所使用的材料来优化照射区域。当将图3与图2进行比较时，可以得出这样的结论:与现有技术相比，利用根据本发明的传感器装置中所形成的透镜，适合于检测的传感器装置的有用表面显著扩展。填充元件16、18的相互关联的尺寸受到要形成的透镜的参数影响。在制成透镜时最重要的考虑因素在于光检测元件22应该落入透镜的收集范围中。另夕卜，填充元件16、18还可由优选不同硬度的材料制成。在填充元件18由更硬的材料制成的情况下，当施加压力时填充元件18的变形小于填充元件16，并且所形成的透镜更好地保持其形状。在这种情况下，通过增加压力，首先靠外的填充元件16变形，然后在更大冲击的情况下，靠内的填充元件18变形。需要注意的是，对于特定应用而言，仅应用填充元件18，而不应用填充元件16的实施方式也可能是有益的。安装填充元件16所另外需要的空间可由例如空气或不同的气体填充。在这些实施方式中，仅利用了填充元件的光折射率效果。
[0058]图4和图5示出现有技术的传感器装置中所应用的光检测元件22’的视角(半强度角)和根据本发明的实施方式的光检测元件22的视角的比较。在现有技术的传感器装置中，光检测元件22’具有视角ζ，但是由于不使用填充元件，即使在光检测元件22’的表面上光束也不折射。根据视角ζ，现有技术的传感器装置具有检测范围28’。
[0059]图5是图3的实施方式中的光检测元件22的视角的示意性截面图。在此实施方式中，光在填充元件16与18的边界处折射,并且还在填充元件18与光检测元件22的边界处折射。因此，在光检测元件22内，可由视角ζ表征的光在填充元件18中具有视角δ，在填充元件16中具有视角ε。如果填充元件16和18被适当地设计，则由视角ε限定的检测范围28比图4所示的现有技术的传感器装置的检测范围28’大许多。类似于光发射元件20所照射的区域，与由具有不同折射率的材料制成的填充元件16和18所形成的透镜对应，光检测元件22的收集区域的尺寸(即，收集光发射元件20所辐射的光的反射分量的这种区域的尺寸)可变化。
[0060]在图2和图3中，Y指示光发射元件发射其强度的至少50%的立体角。剩余强度在剩余角范围中辐射。这种现象由图6示出，图6示出与图1B的实施方式类似的实施方式，它与图1B的实施方式的不同之处在于省略了引导元件21。在图6和图7中，没有示出光发射元件20与填充元件17的边界处的光折射。在图6和图7中，□指示光发射元件20提供其强度的大约50%的立体角，□’描绘实际上施加完整强度的立体角。可以观察到，在根据图6的布置方式中，来自光发射元件20的一些光直接到达光检测元件22，从而由于引起偏移而干扰测量。为了避免这一效应，可应用引导元件21。图7所示的实施方式与图6的实施方式的不同之处在于它具有引导元件21。引导元件21在物理上防止光发射元件20按照大于给定立体角的角度辐射。因此，与现有技术的方法相比，应用引导元件21得到更有利的解决方案，因为它防止了光直接从光发射元件20到达光检测元件22 (这将导致偏移)。因此，引导元件21优选地屏蔽光发射元件20至少到光检测元件22的高度。
[0061]通过共同应用至少一个填充元件和引导元件，在根据本发明的传感器装置的特定实施方式中，由于如上所述的光折射，与现有技术的解决方案相比传感器装置的灵敏表面显著扩展，此外，利用围绕光发射元件布置的引导元件，防止了以较大立体角离开光发射元件的较低强度的光(其与测量的关联性较低)直接到达光检测元件。
[0062]与图7所示的实施方式相比，在图9的实施方式中进一步改进了导致偏移的光束的筛选。图8示出离开光发射元件20并被光反射层14反射的光束可到达光检测元件22，并且也可从载体元件24反射。与图6所示的情况类似，这种现象也导致测量中的偏移。可通过如图9所示使用围绕光检测元件22布置的引导元件23来避免这一效应。图9所示的引导元件23防止了从载体元件24反射的光束进入光检测元件22中，并且方便限制于被光反射层(或者在特定实施方式中，被覆盖层)反射的那些光束。
[0063]应用引导元件21和/或23特别有利，因为干扰测量结果的偏移还具有更不利的影响。实际应用的光检测元件在大多数情况下对所谓的饱和敏感。饱和是指光检测元件无法测量高于给定值的强度，在饱和之后，它们被挤出测量范围之外，即，它们仅可接收并测量有限量的光。另一附加效应是接近饱和时，光检测元件仅能够以较低精度进行测量。因此，根据以上描述可通过利用引导元件减小偏移来显著减小与饱和有关的问题。通过减小偏移，可有利地避免光检测元件的饱和，并且测量可远离饱和移动，强度的非常小的改变也变得可感测。
[0064]在图10所示的实施方式中，类似于图1A所示的实施方式，在光反射层14与载体元件24之间的空间中利用填充元件形成透镜。在图10所示的实施方式中，由布置在光发射元件20上的填充元件30’、布置在光检测元件22上的填充元件30”以及填充传感器装置的剩余内部空间的填充元件16’形成透镜。在此实施方式中，折射率与填充元件16’不同的填充元件30’、30”直接安装在光发射元件20和光检测元件22的表面上，即，这些填充元件是局部透镜。通过向覆盖层12施加力或压力，由填充元件30’、30”形成的透镜的变形程度非常小，因此，即使在传感器装置的相对大的变形的情况下也优选地提供适当折射。与使用代表一个公共透镜的填充元件18相反，使用填充元件30’、30”也是有利的，因为通过其适当配置，可分别针对光发射元件20和光检测元件22调节并形成光束路径。
[0065]因此，在图10所示的实施方式中，通过应用折射率优选地与填充元件16’的材料的折射率不同的填充元件30’、30”，可在传感器装置的内部空间中的各部分空间中形成透镜。还可利用形状与填充元件30’、30”不同的填充元件来形成透镜；在这些情况下，同样，传感器装置的剩余内部空间优选地利用具有不同折射率的材料填充，但是可以想到，可在不应用另外的填充元件的情况下(即，当剩余空间填充有空气或另一气体时)获得具有有利特性的实施方式。利用填充元件所形成的透镜，传感器装置可具有非线性特性，并且利用在覆盖层的表面的给定部分的下方形成的透镜，也可针对给定表面部分实现传感器装置的灵敏度的增加。如果要制备具有预定特性的传感器装置，则应用根据图10的实施方式特别有利。
[0066]需要注意的是，在形成透镜时，为了建立适当的光路，仅利用两种类型的填充元件的材料的折射率之间的差异。
[0067]图11通过示出例如从光发射元件20发出的光束路径36来示出图3和图5的实施方式。由于填充元件16与18的边界处的光折射，从光发射元件20辐射的光束到达光反射层14的内表面的彼此相对远离的点处。在被光反射层14反射之后，光束再次在填充元件16与18的边界处折射，因此到达光检测元件22。图11仅示出由于反射而直接从光发射元件20到达光检测元件22的这些示例性光束。
[0068]图12是配备有填充元件17的实施方式的截面图。该图描绘了直接从光发射元件20到达光检测元件22的光束路径27，与图11所示的光束路径36不同，它仅在光发射元件20与填充元件17的边界处折射。
[0069]图13是关于与图12所示的实施方式非常类似的实施方式，在力的影响下根据本发明的传感器装置的变形的示意性截面图。图13所示的实施方式的不同之处仅在于覆盖层12和光反射层14的厚度。图13示出可根据给定应用自由选择层的厚度。
[0070]在图13中，在没有力的条件下传感器装置的原始尺寸用虚线描绘。在施加到传感器装置的表面的力F的影响下，覆盖层12、光反射层14和填充元件17也变得变形。光反射层14的变形使图12所示的光束路径27改变为光束路径27’。在如例如图12中的示意性截面图所示根据本发明的传感器装置的没有力的实施方式的状态下，以及在如图13所示经受力的状态下，各种量的光从光发射元件20到达各个光检测元件22。有利的是，将光检测元件22按照有序方式(例如，按照图1B所示的方式)设置在等边三角形的三个顶点处。在这种情况下，在传感器装置的静止状态下，实际上相等量的光从光发射元件20到达各个光检测元件22。在如图13所示经受力的状态下，这种平衡被打破，并且由于光路的改变，根据力F的大小和方向，各个光检测元件22暴露于不同量的光，S卩，光的量不同于没有力的状态。当传感器装置被适当校准时，可从利用光检测元件22测量的光量推断出力F的大小和方向。为了确定力F的大小和方向，需要应用至少三个光检测元件22和至少一个光发射元件20。
[0071]在特定实施方式中，根据本发明的装置包括由柔性但不可压缩材料制成的填充元件。在这些实施方式中，填充元件的材料为柔性但不可压缩的，即，它不会由于弹性变形而改变其体积。不改变体积意味着它的改变程度可忽略不计(类似在压缩的影响下流体的体积)，或者体积仅在远超过传感器装置的测量范围的特别强的力的影响下才改变。
[0072]图13示出填充有不可压缩材料的传感器装置在力F的影响下的变形。由于其不可压缩性，填充元件根据该图而变形，即，由于作用于圆顶中心的力，圆顶向周围鼓起。该图示出由于这种变形，光束路径27’与光束路径27相比显著改变，并且因此，随着光束路径的显著改变，进入各个光检测元件22中的光量也与在没有力的条件下检测的光量相当不同。因此，通过应用不可压缩的填充元件，传感器装置的灵敏度改进。
[0073]根据以下测量力。位于载体元件24 (代表传感器装置的底部限定单元)的中心的光发射元件20 (例如，红外LED)穿过填充元件17照射光反射层14，并且由光检测元件22测量被光反射层14反射的光的强度。在外力的影响下，柔性覆盖层12的形状(S卩，圆顶外形)改变，并且被反射向各个光检测元件22的光量根据圆顶的变形而变化，并且可从这一改变确定外力的大小和方向。
[0074]图14示出如图1A和图1B所示的根据本发明的传感器装置的实施方式的一个细节:布置在载体元件24上的光发射元件20和光检测元件22。然而，在圆形载体元件24上，光发射元件20和光检测元件22可按照不同于图14所示的顺序布置。
[0075]图15示出应用光缆84和82以向光发射元件20传输光以及从光检测元件22收集所反射的光，即，传感器装置的电子零件未适当地布置在传感器装置上。光缆82、84可汇合成束86。可取的是，根据传感器装置的光发射元件20和光检测元件22来布置光缆82、84。
[0076]图16A至图16G示出光发射元件20和光检测元件22的各种示例性布置方式。除了图示那些之外，还可想到其它布置方式。在各个布置方式的情况下，必须对传感器装置进行校准以使其适合于测量力和压力。
[0077]图16A示出已经在图1A、图1B和图14示出的光发射元件20和光检测元件22的布置方式。在图16B和图16C中，类似于图16A，光检测元件22按照有序形式围绕中心光发射元件20布置。在图16B和图16C中，围绕光发射元件20分别有四个和八个光检测元件22。利用图16B的布置方式，由于各个光检测元件22围绕光发射元件20按照90°布置，所以可直接确定力的独立分量，因此能够比图16A的布置方式更简单地获得力的独立分量。与图16B中的布置方式相比，图16C所示的布置方式的另一优点在于，它可用于实现另外的方向选择性，即，通过使用另外的光检测元件22，可获得比利用图16B的布置方式实现的结果甚至更精确的结果。[0078]与迄今为止呈现的实施方式相反，图16D包括更多光发射元件20 (在本实施方式中，三个)，而在传感器装置的本实施方式中，一个光检测元件22在载体元件24上居中布置。图16E示出类似于图16D的布置方式，不同之处在于，在此实施方式中，与图16D所示的三个光发射元件相反，四个光发射元件20按照有序方式包围光检测元件22。利用图16D和图16E所描绘的布置方式，可实现例如两种概念。由于在这些实施方式中布置了单个光检测元件22，所以当应用发射相同波长的光的光发射元件20时，这些实施方式能够优选地检测所测量的光强度的改变(与没有力的情况相比)。在使用发射各种波长的光的光发射元件20的情况下并且通过应用能够选择性地检测与这些波长对应的光强度的光检测元件22,这些实施方式也可适用于确定压力的大小和方向。在图16F所不的实施方式中，同样，布置一个居中设置的光发射元件20，该光发射元件20被六个光检测元件22按照不同于上述顺序的顺序包围。图16G示出与图16F的布置方式类似的光发射元件20和光检测元件22的布置方式。根据图16G的六个光检测元件22在此实施方式中围绕光发射元件20按照有序方式布置。除了以示例方式呈现的光发射元件20和光检测元件22的布置方式之外，可以想到许多有利的布置方式。
[0079]图17示出光发射元件20和光检测元件22被布置在不规则形状(B卩，不像以上所示的实施方式中那样是平坦的，而是任意形状)的载体元件38上的实施方式。由于校准，实际上可以想到应用任意形状的载体元件38，S卩，传感器装置可按照与任意形状的表面匹配的方式设计。这大大扩展了传感器装置的应用可能性。本实施方式包括填充元件40，但是还可想到使用具有不同折射率的两个填充元件，在这样的实施方式中，与本实施方式的不同之处仅在于填充元件的设计。
[0080]图18示出另一实施方式。在此实施方式中，光发射元件20和光检测元件22布置在平坦的载体元件43上，但是代替几乎正常的覆盖层12，应用不规则形状的覆盖层42。在本实施方式中，使用形状与覆盖层42匹配的填充元件44。在此实施方式中，在覆盖层42与填充元件44之间没有布置光反射层。
[0081]因此，根据图17和图18，光发射元件20和光检测元件22也可布置在具有柔性或不规则形状的载体元件38上。在各种压力传感器区域(例如，指尖)不具有半球状并且有益的是传感器装置成形为手指状的机器人手或假体中，应用这些不规则构造可特别有利。这样，例如，当配置手时，可在更广阔的区域内利用单个传感器装置检测压力。
[0082]在与图18所描绘的实施方式类似的实施方式的情况下，如果覆盖层42具有凹形设计，则来自光发射元件20的光束的反射特性可能非常特殊。优选地，这甚至可导致这样的配置:传感器装置的给定实施方式对施加在空间的给定部分中的压力更灵敏。
[0083]图19是根据本发明的传感器装置的另一实施方式的示意性截面图。在此实施方式中，除了光发射元件20和光检测元件22之外，传感器装置包括覆盖层52、光反射层54’、适当刚性并且反射光的侧壁54”、填充元件56和载体元件57。示意性截面图中所示的实施方式可具有圆柱形设计，但是它也可具有正方棱柱设计。在此实施方式中，可从光检测元件22所检测到的光强度来确定作用在传感器装置的覆盖层52上的力F的分量。通过应用根据本发明的传感器装置的本实施方式，优选地可在介质中(甚至在水中)测量声压，因为在这种情况下，在传感器装置的薄壁上不会发生在其它传感器装置的情况下常常出现的低通滤波器类型的现象。[0084]图20A描绘了根据本发明的传感器装置的另一实施方式。在此实施方式中，传感器装置包括刚性覆盖层45，该刚性覆盖层45由其内侧上的光反射层46限定。类似于其它实施方式，分别从覆盖层45和光反射层46以漫射方式反射光。填充兀件50位于光反射层46内。光反射层46和填充元件50具有柔性特性，但是覆盖层45是刚性的。在此实施方式中，通过安装在周围的柔性环48来实现力的感测。因此，刚性覆盖层表示与上述实施方式相反，覆盖层具有这样的硬度，使得在覆盖层暴露于的力的影响下，覆盖层实际不变形，而是将变形转移至柔性环48。
[0085]按照图20B所示的方式，在力F的影响下，环48的各个部分在传感器装置的周边不同程度地扭曲。这在图20B的示意性截面图中以这样的方式示出:在所施加的力F的影响下，如图所示，在传感器装置的右手侧，环48被压缩，并且如图所描绘的，在传感器装置的左手侧，环48被拉伸。由于在力F的影响下传感器装置的变形，根据图20A的光束路径49转变为光束路径49’。通过适当校准，类似于具有柔性覆盖层的实施方式，可从来自光发射元件20并到达光检测元件22的光的强度确定作用在刚性覆盖层45上的力F的分量。因此，在此实施方式中，确定作用在覆盖层45上的力也基于这样的事实:当经受力时，到达光检测元件22的光的量不同于没有力的状态。
[0086]图20A所示的实施方式是特别优选的，因为它通过应用刚性覆盖层45来提供高的机械稳定性。在此实施方式中，由于应用柔性覆盖层12、42而导致的弹簧效应减小。因此，在这种情况下，不像上述实施方式中一样测量覆盖层的变形，而是测量刚性覆盖层45的位移，从而间接测量柔性环48的变形。
[0087]优选的是，利用另一柔性(优选地，薄的)层覆盖刚性覆盖层45，其主要功能在于降低传感器装置的表面上的打滑。此实施方式的测量范围可利用柔性环48的尺寸和材料特性来调节。覆盖层45确定传感器装置的物理尺寸以及与环48接触的表面的尺寸。
[0088]图21示出根据本发明的传感器装置的另一实施方式。在此实施方式中，与图19所示的实施方式相比，传感器装置的限定单元的作用交换。这是因为本实施方式包括刚性覆盖层68以及用作侧壁的柔性环70。在此实施方式中，类似于图20A中所介绍的实施方式，测量柔性环70的变形。当经受力时，利用光检测元件22，测量相对于没有力的状态的强度改变，并且从这可推断出力F的大小和方向。在此实施方式中，实际上可确定盖板的倾斜角(即，覆盖层68的倾斜角)。
[0089]图22示出类似于图21的实施方式。在此实施方式中，刚性突起物体72基本上垂直于覆盖层68固定。在此实施方式中，优选的是，不是刚性覆盖层68经受力F，而是突起物体72经受力F。由于对物体72施加力F，所以柔性环70变形。图22所示的实施方式可推广为:刚性突起物体可相对于刚性覆盖层68成任何取向来固定。此实施方式的优点在于，当以适当尺寸配置时，它可具有甚至厘米级的变形。图22所描绘的实施方式可有利地用于测量风力或流力。
[0090]图20A、图21和图22所示的实施方式也可通过在这些实施方式中使用填充元件50,56的突起物取代柔性环48、70来实现，使得通过将覆盖层44、68连接到载体元件24、57，填充元件50、56的突起物起到柔性环48、70的作用，并且由于作用在覆盖层44、68上的力，填充元件50、56的突起物经受弹性变形。在这种情况下，适当设计的填充元件的与压力传感器表面关联的那些部分优选地利用光阻挡材料(例如，黑色硅树脂)涂覆，使得传感器装置的这一部分也阻挡光发射元件20的光以及来自传感器装置外部的光束。在按照与到达光检测元件22的光束不同的方式防止来自外部的干扰光束的情况下，可避免提供涂层。
[0091]图20A、图21和图22所描绘的实施方式还可利用非刚性覆盖单元制成，该非刚性覆盖单元的特征在于弹性系数比填充元件高许多。代替刚性设计的这种设计的优点在于能够获得更柔性的结构，这更类似于具有刚性覆盖单元的实施方式，利用它可更容易实现例如物体的抓取，并且在测量由于力而发生的变形时，与覆盖单元的压缩相比，填充元件的压缩是主要的。
[0092]在图19、图21和图22所示的实施方式中，传感器装置包括平坦的覆盖层52、68以及形状与前者匹配的至少一个填充元件56。在这些实施方式中的一些中，传感器装置具有形状与填充元件56的形状匹配的平坦的光反射层54’、66。
[0093]在根据本发明的传感器装置的许多实施方式中包括柔性覆盖层12、42、52。在特定实施方式中，传感器装置包括布置在柔性覆盖层12、42、52下方的光反射层14、46、54’。根据本发明的传感器装置另外根据以上描述在柔性覆盖层12、42、52和可选的光反射层14、46、54 ’下方包括至少一个透明的柔性填充元件16、16 ’、18、30 ’、30 ”、40、44、50、56。由于这种特殊的分层设计，传感器装置的尺寸和测量范围可在宽的限度内变化，并且利用覆盖层
12、42、52以及可选地使用的光反射层14、46、54’，可消除外部照明的影响。另外，分层设计还为传感器装置提供机械保护，并且覆盖层还增加了抓取的稳定性。通过扩展传感器装置的接触表面，即，通过增大分层结构的组件的尺寸，可实现作用在物体上的力的更均匀的分布。
[0094]根据本发明的传感器装置的物理尺寸由覆盖层以及所应用的光检测元件和光发射元件的尺寸来确定。甚至可通过应用当前广泛使用的最新硅树脂集成或表面安装的红外LED和光电二极管来将传感器装置的尺寸减小至毫米级。因此，传感器装置的尺寸可良好地适于给定应用，并且基于传感器装置来设计传感器场(甚至人造皮肤)。
[0095]根据本发明的传感器装置的特定实施方式中应用的完全填充传感器装置的内部空间的填充元件的重要功能是加强传感器装置的机械结构，另外，它们的应用有利于传感器装置的测量限度的扩展和传感器装置的机械保护。根据本发明的传感器装置的机械结构使得在其为感测而设计的表面的最大部分中能够进行高精度压力测量，并且确保确定作用在传感器装置上的压力的施加点。传感器装置的简单设计使得能够使用最少数量的线(地、电源电压、光发射元件的驱动、光检测元件的信号)，可通过将处理电子器件设置到传感器装置或者通过按照阵列组织传感器装置来减少线的数量。
[0096]在图17和图18所示的不规则实施方式中，可优选地通过测量并应用校准功能来确定力的分量。
[0097]根据本发明的传感器装置的重要特性是填充元件由固体柔性材料(例如，硅树脂)制成。这是因为在使用气体填充的情况下，任何小的间隙将在压缩作用下导致气体从内部空间逃逸，然后在停止所施加的力的情况下，气体将通过相同的间隙流回。这将使得柔性覆盖层恢复原始形状相当慢，即，这将减弱传感器装置的动态行为。在液体填充的情况下，由较强的力和泄露导致的间隙形成和泄露将使得传感器装置不适用。
[0098]使用柔性材料填充元件的另一优点在于它使得能够形成一种传感器装置，该传感器装置的特征在于尺寸小于1cm，同时保持较大的感测范围，这在没有填充元件的情况下使用目前市售的电子元件是不可行的。这是因为在该尺寸范围内，覆盖层应该较薄(但其必须落在毫米级内，因为光的适当反射需要最小距离)，所述覆盖层在由硅树脂制成时在没有应用填充元件的情况下即使在较小的力的影响下也极大地变形。因此，这些熟知的传感器装置是灵敏的，但是仅在较小的范围内。由于填充元件，变形层的厚度增大，因此传感器范围可显著扩展。
[0099]填充元件的另一优点在于，由于其折射率不同于光检测元件和光发射元件的透明壳体材料，所以填充元件围绕这些单元形成透镜。结果，光发射元件(例如，红外LED)更好地、更均匀地并且在更大的范围内照射覆盖层(以及可选地，光反射层)的内表面，并且光检测元件检测从更大区域散射的光。因此，填充元件的应用增加了传感器装置的灵敏度。
[0100]当然，本发明不限于以上详细描述的优选实施方式，在由权利要求确定的保护范围内，另外的变型、修改和改进是可能的。
【权利要求】
1.一种传感器装置，该传感器装置包括: -载体元件(24，38，43，57)， -布置在所述载体兀件(24,38,43,57)上的至少一个光发射兀件(20), -布置在所述载体元件(24，38，43，57)上的至少一个光检测元件(22)，以及 -覆盖层(12，42，45，52，68)，所述覆盖层(12，42，45，52，68)将由所述光发射元件(20)发射的光的至少一部分反射到所述至少一个光检测元件， 该传感器装置的特征在于还包括: -至少一个透明的填充元件(16，16，，17，18，30，，30”，40，44，50，56)至少部分地填充所述载体元件(24，38，43，57)与所述覆盖层(12，42，45，52，68)之间的空间并且是由柔性材料制成的。
2.根据权利要求1所述的装置，该装置的特征在于包括沿着所述覆盖层(12，42，45，52，68)布置的光反射层(14，46，54，)。
3.根据权利要求2所述的装置，该装置的特征在于，所述至少一个填充元件(16，16’，17，18，30’，30”，40, 44，50, 56)按照包围所述至少一个光发射元件(20)和所述至少一个光检测元件(22)的方式填充所述覆盖层(12，42，45，52，68)与所述载体元件(24，38，43，57)之间的空间或者所述光反射层(14，46，54’ )与所述载体元件(24，38，43，57)之间的空间。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，该装置的特征在于包括具有不同折射率的第一填充元件(16，16’ )和第二填充元件(18，30’，30”)。
5.根据权利要求4所述的装置，该装置的特征在于，针对所述至少一个光发射元件(20)和所述至少一个光检测元件(22)布置公共填充元件(18)。
6.根据权利要求4所述的装置，该装置的特征在于，针对所述至少一个光发射元件(20)和所述至少一个光检测元件(22)布置独立的填充元件(30’，30”)。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的装置，该装置的特征在于，所述至少一个填充元件(16，16，，17，18，30，，30”，40，44，50，56)是由不可压缩的材料制成的。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的装置，该装置的特征在于，围绕所述至少一个光发射元件(20)和/或所述至少一个光检测元件(22)布置引导元件(21，23)。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的装置，该装置的特征在于，光缆连接到所述至少一个光发射元件(20)和/或所述至少一个光检测元件(22)。
10.根据权利要求2至9中的任一项所述的装置，该装置的特征在于包括圆顶形覆盖层(12，45)、圆顶形光反射层(14，46)，并且所述至少一个填充元件(16，16，，17，18，30’，30”，50)具有与这些层匹配的形状。
11.根据权利要求1至9中的任一项所述的装置，该装置的特征在于包括平坦的覆盖层(52，68)，并且所述至少一个填充元件(56)具有与该层匹配的形状。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的装置，该装置的特征在于包括围绕所述至少一个光发射元件(20)布置的至少三个光检测元件(22)。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的装置，该装置的特征在于包括发射红外光的至少一个光发射元件(20)以及检测红外光的至少一个光检测元件(22)。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的装置，该装置的特征在于包括柔性覆盖层(12，42，52)。
15.根据权利要求1至13中的任一项所述的装置，该装置的特征在于包括刚性覆盖层(45，68)，并且此外，柔性环(48，70)附接到所述覆盖层(45，68)的边缘。
16.根据权利要求15所述的装置，该装置的特征在于突起的刚性物体(72)附接到所述刚性覆盖层(45，68) 。
【文档编号】G01L1/24GK104040313SQ201280066373
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年11月16日 优先权日:2011年11月17日
【发明者】A·S·塔尔, G·G·切赖伊, J·韦赖什 申请人:光电力技术发展与创新有限公司