專利名稱：在電容性矩陣壓力傳感器中的電容性節(jié)點測量的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于有效測量觸點和支撐面之間的壓力分布的方法 和設備。
背景技術：
當前，存在測量兩個接觸面的壓力的多種技術。然而，當想要建 立低成本的壓力測量元件陣列以確定壓力分布時幾乎沒有可用的選 擇。在這些情況中，最普遍的選擇是基于建立電容性的、電阻性的或 者壓電元件的陣列?，F有的電容性測量襯墊由橫向傳導條構造，該橫 向傳導條由可壓縮的絕緣體隔開以形成壓敏電容性節(jié)點的矩陣。由微 計算機順序地反復掃描節(jié)點以測量它們各自的電容值，然后根據該測 量值導出壓力映射圖?？梢栽诓噬珗D形監(jiān)視器上顯示產生的壓力映射 圖，以不同顏色表示不同壓力。
從將電信號注入到陣列且在來自陣列的隨后的輸出信號上執(zhí)行 測量的角度來看，這些技術中的每一個都在類似地工作。同時，在每 個方法中，考慮的特定節(jié)點必須和矩陣中的其他節(jié)點分開或者隔開。 這通常被稱為多路復用，且能夠在陣列的輸入或輸出或者輸入和輸出 上執(zhí)行。因為存在解決該問題的可選擇的解決方案，將該節(jié)點和其他 節(jié)點隔開的實際處理可改變。
通過測量節(jié)點對已知電壓的驅動信號的響應來查找節(jié)點電容。通 過將節(jié)點的橫向傳導條(列)之一連接到驅動源并將節(jié)點的其他傳導 條(行)連接到感應放大器，從而完成該測量。為了將感興趣的節(jié)點 和環(huán)繞的節(jié)點的影響隔開，將除了與選擇的節(jié)點相交的兩個之外的全 部列和行連接到地。然后將激勵信號注入到期望的不接地的列上，且 從期望的不接地的行測量收到的信號。對于行上的每個節(jié)點重復該測量步驟。 一旦測量了沿著一行的每個節(jié)點，則改變期望的行且重復測 量過程直到已經測量全部節(jié)點。這獲得了被稱為幀的測量數據的矩 陣，其中測量元素的數目等于最大的列乘以最大的行。
通過在之前經由被稱為校準的處理來確定壓力和傳感器的接收 信號幅度之間的關系，從而能夠對每個幀估計每個電容性節(jié)點或者傳 感器單元處的壓力，由此獲得在它們之間的與傳感器接觸的任意物體 的壓力圖像。
然而，除非采用比如電流-感應放大器的零阻抗結構來測量矩陣 的輸出，未測量的列和行的接地不能完美地將所感興趣的節(jié)點與其他
節(jié)點的影響隔離開，如在美國專利No.5，010，772中的情況(將其內容 完全包括于此并作為參考)。使得到感應放大器的地的輸入阻抗相對 于其他系統(tǒng)阻抗小到可以忽略。以這種方法，僅連接到驅動源的列具 有施加在其上的電壓，且系統(tǒng)中所有其他節(jié)點的其他行都維持在地電 位，因此允許精確測量一個電容值。然而，即使將感應放大器接地， 當其他節(jié)點具有改變的壓力且由此改變電容值時，除非信號感應電路 的輸入阻抗等于零，否則所選擇的節(jié)點測量仍然存在誤差。匹配非零 輸入阻抗誤差是這樣的事實，即，誤差的幅值根據將怎樣的壓力施加 于其他不用的節(jié)點而動態(tài)可變。
因此，在現有技術中需要在壓力映射系統(tǒng)中測量單獨的節(jié)點電容 的可選方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供通過在每個行上設置固定值的基準電容來測量單個 節(jié)點電容的新方法，能夠好像其是另一個節(jié)點一樣地測量該固定值的 基準電容，并由此確定可變系統(tǒng)中固定電容的基本測量值。由此，能 夠將沿著該行的所有隨后的節(jié)點電容的測量值與該基本測量值相比 較。該比較處理包括確定當前傳感器單元的測量值(在特定行和列處 的節(jié)點，且其它線接地)與固定節(jié)點的測量值的比。 一旦對于每個節(jié) 點確定該比，則這些值能夠用于估算電容且因此估算在每個單個節(jié)點處的壓力。
因此，在一個方面中，本發(fā)明可以包括在所選區(qū)域之上測量壓力
分布的方法，包括步驟
(a) 在所選區(qū)域上設置傳感器，該傳感器具有多個線性導體列 和多個線性導體行，其中，所述列不平行于所述行，且具有傳感器單 元的陣列，其中每一個傳感器單元形成在列和行的交叉處，且其中，
該列和行被分別配置在可壓縮的電介質片的相反側上，且其中，每個 傳感器單元具有根據在所述交叉處的絕緣材料的壓縮而變化的電容；
(b) 選擇一列并向所選的列施加電壓； (c )選擇一行；
(d) 測量所選的行的電流以由此測量所選的列和行的交叉處的 傳感器單元的電容，同時將每個未選擇的列和每個未選擇的行接地以 將感測的傳感器單元與未感測的傳感器單元的電容變化的影響分離；
(e) 為所選行提供固定的基準電容；和
(f) 通過將所感測的傳感器單元的測量電容與固定基準電容進 行比較，從而確定所感測的傳感器單元的壓力測量值。
在另一方面中，本發(fā)明可以包括用于監(jiān)控表面上力的分布的系 統(tǒng)，包括
u)具有多個線性導體列和多個線性導體行的傳感器，其中，
所述列和行不平行，且具有傳感器單元的陣列，其中每個傳感器單元 形成在列和行的交叉處，且其中，所述列和行被分別配置在可壓縮的 電介質片的相反側上，且其中，每個傳感器單元具有根據在所述交叉
處的絕緣材料的壓縮而變化的電容；
(b) 用于選擇一列并向所選的列施加電壓的裝置；
(c) 用于選擇一行的裝置；
(d) 用于測量所選行的電流以由此測量在所選的列和行的交叉 處的傳感器單元的電容的裝置；
(e) 用于將每個未選擇的列和每個未選擇的行接地以將感測的 傳感器單元與未感測的傳感器單元的電容變化的影響分隔開的裝置；(f) 用于為每一行提供固定的基準電容的裝置；和
(g) 用于通過將所感測的傳感器單元的測量電容與固定基準電容進行比較，從而確定所感測的傳感器單元的壓力測量的裝置。


現在將通過參考附圖的示例性實施例描述本發(fā)明，該附圖是簡化的、概略的、不按比例的。在所述圖中，圖l示出了本發(fā)明的一個實施例的視圖。圖2是本發(fā)明的傳感器和傳感器單元的示意性示圖。圖3是用于測量一個傳感器單元的電容的電氣模型的示意性示圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了 一種新穎的方法和壓力傳感設備，用于有效測量兩個表面之間的壓力分布。當描述本發(fā)明時，在這里未定義的全部術語具有公知含義。從而以下描述是本發(fā)明的特定實施例或者具體的使用，其意在僅為說明性的，而不限于本發(fā)明所請求的范圍。以下描述意在覆蓋包括在本發(fā)明的精神和范圍中、如所付權利要求所定義的全部替換、修改和等效。
如圖1所示，本發(fā)明的壓力測量系統(tǒng)的一個實施例包括三個主要
元件壓敏襯墊(10)，其能夠被放置于兩個物體表面(12)之間以
測量一個物體相對另一物體的壓力分布；接口單元(14)，其提供電
氣驅動信號給襯墊(10)并從襯墊(10)接收壓敏輸出信號；以及信
號處理設備，例如微處理器(16)，其可以是桌面型、膝上型或者手
持式計算機，具有相關的圖形顯示監(jiān)視器(18)，該信號處理設備用于控制接口單元和處理來自襯墊的輸出信號。
在工作中，襯墊(10)產生如下輸出信號，該輸出信號表示在其表面區(qū)域上的多個點的每個點處感應的壓力。計算機(16)通過接口單元(14)接收這些信號，且使得產生了示出在襯墊的區(qū)域上耐受的重量分布的顯示。
襯墊(10)的基本結構如圖2所示。其包括具有可壓縮電介質層
7的傳感器，該可壓縮電介質層具有分別設置在其相反側上的兩個導體線性陣列。電介質層可以是可壓縮的彈性材料。"列"指的是從信號處理器攜帶激勵信號到傳感器單元的導體。"行，，指的是從傳感器單元攜帶激勵信號到測量電子設備的導體。列是以 一個方向定向的 一 系列基本上平行的線性導體。行是以一個方向定向的基本上平行的線性導體，該方向優(yōu)選地，但不是必須地垂直于列的定向。列和行的每個交叉定義了測量節(jié)點或者傳感器單元。因此，傳感器是包括多個單獨的傳感器單元的裝置，該傳感器單元在壓力下變形，且因此帶來能夠由外部設備測量的單元的內部電容性耦合的變化。每個傳感器單元的電容耦合在壓力下改變。
如此處使用的，"電容"指的是導體和電介質的系統(tǒng)當在導體之間存在電位差時允許存儲電荷的特性。將它的值表示為電荷量和電位差的比。電容值總是正的。必須傳遞到主體以增加其一個單元的電位的
電荷由C-Q/V表示，其中C是電容值，Q是電荷量，且V是電位。如圖2所示，以矩陣結構來配置測量節(jié)點且每個節(jié)點代表電容
器。矩陣的 一行中的所有電容器公共地連接到第 一 陣列的其中 一列，
且矩陣的 一 列中的所有電容器公共地連接到另 一 陣列的其中 一行。當
希望測量特定的節(jié)點的電容時，將具有已知電壓V,的驅動信號施加于
節(jié)點位于其中的列。
通過解多路復用器將輸入電壓施加于每個列，且經由常規(guī)的多路
復用器和模擬數字轉換器(ADC)測量每行上的輸出電壓，如圖2所示。
公式(l)是用于圖3示出的傳感器模型的標準電壓傳遞函數。
其中
Vy是第j列上的輸入電壓Voj是第i行上的輸出電壓
Voij是給定第j列上的輸入電壓時的第i行的輸出電壓
8Voio是給定第零列上的輸入電壓時的第i行的輸出電壓
CE是測量系統(tǒng)的輸入電容
Cij是在第i行和第j列的節(jié)點電容RL是測量系統(tǒng)的輸入電阻
取決于選擇哪個行和列，出現由ij下標表示的不同傳遞函數。(1)
的簡單運算允許求解作為其它參數的函數的Cjj:
C x, =Cs+C￡+￡c,) (3)乂=。
其中Cs是雜散電容或者未考慮傳感器單元電容(Cij)和測量系統(tǒng)的輸入電容(CE)的其他電容。
然而，Cij的計算基于CRXi， CRXi是其它變化的節(jié)點電容加上也可能隨時間變化的外部電容的和。在現有方法中，Rl&co(弧度或者角頻率)的減小會導致傳感器內在相互關連的方面的影響的最小化，但是這是麻煩的解決方案。
在本發(fā)明中，通過在每行上設置固定值的基準電容從而可以測量單個節(jié)點電容，由此能夠測量該單個節(jié)點的電容，就如同其是另一個節(jié)點("固定節(jié)點，，) 一樣，并由此確定可變系統(tǒng)中固定電容的基本測量值。因此，如圖2所示，對比標準傳感元件的可變電容，T別是由固定電容構成的列。固定電容的列可以被放在系統(tǒng)中的任何地方，只要其被放置為平行于其他元件即可。還可以在以行測量其它元件之前，之中或之后對其進行測量。存儲Txo測量值并在適當的時候與其他行相比較，以恰好分離感興趣的節(jié)點的電容。由此，能夠將沿著該行的所有隨后的節(jié)點電容的測量值與該基本測量值相比較。該比較步驟簡單地確定了當前傳感器單元測量值(在特定行和列(Cij)處的節(jié)點且其它行和列接地)與固定節(jié)點的測量值的比。 一旦對于每個節(jié)點確定了該比，則這些值能夠用于估算在每個單獨的節(jié)點處的電容或壓力。
圖3中示意性地示出了圖2的結構形成的等效電路。通過引入沿著行的固定電容，可以隨后計算該公式以利用固定節(jié)點電容測量值并去除由其他節(jié)點引入的誤差。因此，
(4)
根據公式(4)，通過確定感興趣的節(jié)點的傳遞函數與基準(固定電容器)節(jié)點傳遞函數的比而得到公式(5)的結果
一 、 一
"i 一 — 一
(5)
其中Ci。是第i行上固定基準電容器的電容
輸入電壓Vy是恒定的或者已知但是是變化的，且因此如公式(5 )所列的被消去或者如果已知的話則變?yōu)楹愣ǖ谋壤驍怠１绢I域技術人員將理解公式(5)的運算除去了在公式(2)中強調的不利效果。
從這點上，能夠使用標準化的C'ij，或者如果已知Cw的精確值，則能夠計算和使用Cij。由于校準處理能夠有效地將兩個值都轉換為在感興趣的單元處的期望的讀數，因此在校準系統(tǒng)中使用上述任何一個都是可接受的。
權利要求
1. 一種測量所選區(qū)域之上的壓力分布的方法，包括如下步驟(a)在所選區(qū)域上設置傳感器，該傳感器具有多個線性導體列和多個線性導體行，其中，所述列不平行于所述行，且該傳感器具有傳感器單元的陣列，其中每一個傳感器單元形成在列和行的交叉處，且其中，該列和行被分別設置在可壓縮的電介質片的相對側上，且其中，每個傳感器單元具有根據在所述交叉處的絕緣材料的壓縮而變化的電容；(b)選擇一列并向所選的列施加電壓；(c)選擇一行；(d)測量所選的行的電流以由此測量所選的列和行的交叉處的傳感器單元的電容，同時將每個未選擇的列和每個未選擇的行接地以將被感測的傳感器單元與未感測的傳感器單元的電容變化的影響分隔開；(e)為所選行提供固定的基準電容；和(f)通過將所感測的傳感器單元的測量電容與固定基準電容進行比較，從而確定所感測的傳感器單元的壓力測量結果。
2. 如權利要求1的方法，其中，對于傳感器單元的整個陣列重復步驟(b)到(f)。
3. 如權利要求1或者2的方法，其中，該所選行的固定基準電容 是由與每個行交叉的固定電容列提供的。
4. 如權利要求1或者2的方法，其中，所感測的傳感器單元的測 量電容與固定基準電容的比較包括所測量的電容與固定基準電容的 比。
5. —種用于監(jiān)控表面上的力的分布的系統(tǒng)，包括 U)傳感器，其具有多個線性導體列和多個線性導體行，其中，該列和行不平行，且該傳感器具有傳感器單元的陣列，其中每個傳感 器單元形成在列和行的交叉處，且其中，所述列和行被分別設置在可壓縮的電介質片的相反側上，且其中，每個傳感器單元具有根據在所述交叉處的絕緣材料的壓縮而變化的電容；(b) 用于選擇一列并向所選的列施加電壓的裝置；(c) 用于選擇一行的裝置；(d) 用于測量所選行的電流以由此測量在所選的列和行的交叉 處的傳感器單元的電容的裝置；(e) 用于將每個未選擇的列和每個未選擇的行接地以將被感測 的傳感器單元與未感測的傳感器單元的電容變化的影響分隔開的裝 置；(f) 用于為每一行提供固定的基準電容的裝置；和(g) 用于通過將所感測的傳感器單元的測量電容與固定基準電 容進行比較，從而確定所感測的傳感器單元的壓力測量結果的裝置。
6. 如權利要求5的系統(tǒng)，其中，所述用于選擇一列和向所選列施加電壓的裝置包括解多路復用器。
7. 如權利要求5或者6的系統(tǒng)，其中，用于選擇一行和測量所選 行的電流的裝置包括多路復用器。
8. 如權利要求5的系統(tǒng)，其中，所述用于確定壓力測量結果的裝 置包括用于計算所感測的傳感器單元的測量電容與固定基準電容的 比的裝置。
9. 如權利要求5的系統(tǒng)，進一步包括計算機處理器，其用于對傳 感器單元的整個陣列進行測量電容的處理，并圖形地顯示表面上的力 分布。
全文摘要
一種用于測量所選區(qū)域上的壓力分布的方法和系統(tǒng)，包括具有通過交叉行和列形成的壓力傳感電容節(jié)點的陣列的傳感器，這里將節(jié)點的測量電容與放置在每行上能夠好像其是另一節(jié)點而測量的基準電容的固定值相比較。
文檔編號G01L9/12GK101467015SQ200780021581
公開日2009年6月24日 申請日期2007年4月25日 優(yōu)先權日2006年4月25日
發(fā)明者I·梅恩, K·D·奧爾特曼, T·拉塞爾 申請人:X感應器技術公司