阅读说明：本技术 一种基于视觉的压力传感器阵列及其制造方法 (Pressure sensor array based on vision and manufacturing method thereof ) 是由 郭霄亮 曹子美 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于视觉的压力传感器阵列及其制造方法,压力传感器阵列包括透明基板和固化于所述透明基板上的微柱阵列；通过图像传感器捕捉按压所述微柱阵列时的图像,利用相应的图像处理算法计算所述压力传感器阵列的压力分布。本发明提供了一种基于视觉的压力传感器阵列,通过机器视觉实现压力传感,提出了非电学的基于机器视觉的阵列压力传感器设计,无需进行导线连接,克服了电学压力传感器的缺陷。(The invention provides a pressure sensor array based on vision and a manufacturing method thereof, wherein the pressure sensor array comprises a transparent substrate and a micro-column array solidified on the transparent substrate; and capturing an image when the micropillar array is pressed through an image sensor, and calculating the pressure distribution of the pressure sensor array by using a corresponding image processing algorithm. The invention provides a pressure sensor array based on vision, which realizes pressure sensing through machine vision, provides a non-electrical array pressure sensor design based on machine vision, does not need to be connected through a lead, and overcomes the defects of an electrical pressure sensor.)

一种基于视觉的压力传感器阵列及其制造方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种基于视觉的压力传感器阵列及其制造方法。

背景技术

在设计智能机器人和假肢性能的过程中，实现稳定的压力阵列传感器十分关键。传统的柔性压力传感器主要基于压阻、电容器和压电效应。

然而，基于这些原理的压力阵列传感器需要复杂的导线连接和制造工艺，导线连接易脆弱等不足问题；此外，基于电容器的压力传感器易受干扰，而压阻式传感器存在漂移问题。

发明内容

为克服上述现有问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种基于视觉的压力传感器阵列及其制造方法。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于视觉的压力传感器阵列，包括透明基板和固化于所述透明基板上的微柱阵列；

通过图像传感器捕捉按压所述微柱阵列时的图像，利用相应的图像处理算法计算所述压力传感器阵列的压力分布。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以进行如下改进。

进一步的，所述透明基板为透明PDMS基板，所述微柱阵列为柔性材料Ecoflex制成的黑色微柱阵列。

进一步的，所述图像传感器具体用于：

捕捉按压所述微柱阵列时的图像，计算所述图像中变化的像素数占原始像素数的比率，得到所述微柱阵列的横截面积变化率，其中，所述横截面积变化率表征所述压力传感器阵列的压力分布。

根据本发明实施例第二方面提供一种基于视觉的压力传感器阵列的制造方法，包括：

将PDMS均匀涂覆于玻璃片上并加热到接近完全固化，形成接近完全固化的PDMS基板；

将由激光钢网制成的具有孔阵列的模具放置于所述接近完全固化的PAMS基板上压实；

将柔性材料Ecoflex注入所述模具的孔阵列中，并进行烘烤固化，形成烘烤固化后的模具；

将腐蚀性溶液加入所述烘烤固化后的模具表面，剥离模具表面的所述激光钢网，并撤除掉所述玻璃片，形成压力传感器阵列。

进一步的，所述将PDMS均匀涂覆于玻璃片上并加热到接近完全固化，形成接近完全固化的PDMS基板包括：

将PDMS预聚物和PDMS固化剂以固定比例混合涂覆于玻璃片上，并放置于加热板上在第一固定温度下范围内加热至接近完全固化，形成接近完全固化的PDMS基板。

进一步的，所述第一固定温度范围为90-120℃。

进一步的，所述孔阵列中每个孔的厚度为0.3～0.5mm，半径为0.25～0.5mm，每相邻两个孔的间距为0.5～1mm。

进一步的，所述将柔性材料Ecoflex注入所述模具的孔阵列中，并进行烘烤固化，形成烘烤固化后的模具包括：

将黑色硅胶色膏和柔性材料Ecoflex B先混合后再与柔性材料Ecoflex A混合，充分搅拌后注入所述模具的各个孔内；

将所述模具放置于第二固定温度范围下烘烤固定时长。

进一步的，所述第二固定温度范围为100℃-400℃，所述固定时长为0.5小时以上。

进一步，所述腐蚀性溶液为盐酸溶液或硫酸溶液或其他可以腐蚀模块金属的腐蚀性溶液。

本发明实施例提供一种基于视觉的压力传感器阵列及其制造方法，通过机器视觉实现压力传感，提出了非电学的基于机器视觉的阵列压力传感器设计，无需进行导线连接，克服了电学压力传感器的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的基于视觉的压力传感器阵列的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的在微柱按压下微柱横截面积的相对变化示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于视觉的压力传感器阵列的制造方法流程图；

图4为应用于脉冲测量的微柱横截面积变化示意图；

图5-a为对不同字母的盲文识别结果示意图；

图5-b为读盲文字母时的传感器阵列压力分布示意图。

附图中，各标号所代表的部件名称如下：

1、透明基板，2、微柱阵列，3、图像传感器。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明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作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。

参见图1，提供了本发明一个实施例的基于视觉的压力传感器阵列，压力传感器阵列包括透明基板1和固化于透明基板上的微柱阵列2；通过图像传感3器捕捉按压所述微柱阵列2时的图像，利用相应的图像处理算法计算压力传感器阵列的压力分布。

可以理解的是，传统的基于电学的压力传感器，比如，针对普通在柔性材料中掺杂导电物质如CNT、Graphene等的导电式传感器具有复杂和脆弱的电线连接，本发明实施例提供一种基于视觉的高密度压力传感器阵列，在透明基板1上固化微柱阵列2，形成压力传感器阵列。当检测压力时，通过按压微柱阵列2，并利用图像传感器3捕捉拍摄按压微柱阵列2是的图像，并根据捕捉的图像来计算压力传感器阵列的压力分布状况。

本发明实施例提供的基于视觉的压力传感器阵列，通过机器视觉实现压力传感，提出了非电学的基于机器视觉的阵列压力传感器设计，无需进行导线连接，克服了电学压力传感器的缺陷，具有较高的灵敏度和较高的稳定度。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中，透明基板1为透明PDMS基板，微柱阵列2为柔性材料Ecoflex制成的黑色微柱阵列。

可以理解的是，本发明实施例中的基板为透明基板1，采用的材料通常为PDMS，微柱阵列2为非透明材料，采用的材料通常为柔性材料Ecoflex，本发明实施例将透明材料和非透明材料结合起来。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例中，图像传感器3具体用于：

捕捉按压微柱阵列2时的图像，计算图像中变化的像素数占原始像素数的比率，得到微柱阵列2的横截面积变化率，其中，横截面积变化率表征压力传感器阵列的压力分布。

可以理解的是，本发明实施例中的压力传感器阵列为非电学式的压力传感器，当按压微柱阵列2时，采用图像传感器3对按压图像进行捕捉，根据图像计算压力传感器的压力分布状况。原理上，当施加不同的压力时，微柱的半径相应发生变化，通过集成在触觉传感器上的图像传感器3捕获实时图像(分辨率：1080P)，并通过图像处理算法计算压力分布。具体为，计算图像中变化的像素数(即微柱受到压力而改变的面积大小)占原始像素数的比率，得到微柱阵列2的横截面积变化率，其中，横截面积变化率表征压力传感器阵列的压力分布。本发明实施例提供的基于视觉的压力传感器阵列的性能稳定，图2为按压传感器时，微柱横截面积相对变化和所施加压力的关系图，展示了传感器在压力范围0～3.2kPa的性能，从图中看出，在低于1kPa的压力范围内，传感器具有0.25/kPa的灵敏度。

参见图3，在本发明的另一个实施例中提供一种基于视觉的压力传感器阵列的制造方法，该制造方法包括：

将PDMS均匀涂覆于玻璃片上并加热到接近完全固化，形成接近完全固化的PDMS基板；

将由激光钢网制成的具有孔阵列的模具放置于所述接近完全固化的PAMS基板上压实；

将柔性材料Ecoflex注入所述模具的孔阵列中，并进行烘烤固化，形成烘烤固化后的模具；

将腐蚀性溶液加入所述烘烤固化后的模具表面，剥离模具表面的所述激光钢网，并撤除掉所述玻璃片，形成压力传感器阵列。

在上述实施例的基础上，所述将PDMS均匀涂覆于玻璃片上并加热到接近完全固化，形成接近完全固化的PDMS基板包括：

将PDMS预聚物和PDMS固化剂以固定比例混合涂覆于玻璃片上，并放置于加热板上在第一固定温度下范围内加热至接近完全固化，形成接近完全固化的PDMS基板。

其中，在本发明的一个实施例中，第一固定温度范围为90-120℃。模具上的孔阵列中每个孔的厚度为0.3～0.5mm，半径为0.25～0.5mm，每相邻两个孔的间距为0.5～1mm。。

在上述实施例的基础上，本发明一个实施例中，将柔性材料Ecoflex注入模具的孔阵列中，并进行烘烤固化，形成烘烤固化后的模具包括：

将黑色硅胶色膏和柔性材料Ecoflex partB先混合后再与柔性材料EcoflexpartA混合，充分搅拌后注入所述模具的各个孔内；

将模具放置于第二固定温度范围下烘烤固定时长。

其中，上述的第二固定温度范围为100℃-400℃，固定时长为0.5小时以上。

其中，腐蚀性溶液为盐酸溶液或硫酸溶液。

下面对压力传感器阵列的制备过程进行详细说明，主要分为以下步骤：

a)将PDMS预聚物和PDMS固化剂以10：1～2:1的比例混合并抽真空除去气泡，将充分混合的PDMS均匀涂覆在玻璃片上，放在加热板上在90℃下固化到并不完全固化。

b)将由激光钢网制成的具有孔的10*10阵列(厚度：0.3～0.5mm，半径：0.25～0.5mm，间距：0.5～1mm)的模具放在接近完全固化的PDMS上压实，并用长尾夹固定玻璃片和模具。

c)用黑色硅胶色膏和柔软材料Ecoflex partB先混合再和Ecoflex partA混合，充分搅拌；将混合搅拌后的黑色Ecoflex倒入钢网的孔中，然后刮去额外的Ecoflex。将样品在300℃下烘烤5小时固化。

d)将盐酸溶液(9％w/w)加入模具表面，剥离模具从而得到最终的压力传感器阵列。

本发明实施例提供的压力传感器阵列可应用于形状识别和盲文读取，以及可穿戴电子设备中用于动脉脉冲信号测量。其中，传感器为阵列式压力传感器，基于传感器阵列式的特性，分别进行了识别字母形状和盲文的实验。其中，在动脉脉冲信号测量时，可采用压力传感器阵列压住脉搏，对压力传感器的压力分布进行计算分析，进而可测量出人体的动脉脉冲信号，图4示出了在进行动脉脉冲信号测量时，压力传感器阵列中微柱横截面积随时间的变化。

在进行盲文实验时，在基于视觉的压力传感器阵列上放置了四个不同的字母-由PMMA制成的“BUCT”。结果显示在图5-a中，该图表明传感器可以准确识别物体的形状，并且局部压力分布与字母的形状一致。盲文由六个用金属或纸等材料制成的小点组成，盲文点很小，且密度很高，图5-b显示了“读”盲文字母3时的压力分布，表示传感器阵列可以测量高密度压力分布。

本发明实施例提供的一种基于视觉的压力传感器阵列及其制造方法，通过机器视觉实现压力传感，提出了非电学的基于机器视觉的阵列压力传感器设计，无需进行导线连接，克服了电学压力传感器的缺陷。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。