用于測(cè)量載荷變化的換能器裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及一種用于測(cè)量載荷變化的換能器裝置。更具體而言，本發(fā)明涉及一種被設(shè)置在鞋底內(nèi)或者鞋子鑲嵌物上以用于評(píng)估施加于其上的載荷變化的換能器裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]本領(lǐng)域公知，可以借助于傳感器來測(cè)量施加在表面或者體上的載荷變化。換能器將一個(gè)物理量(例如，壓力)的變化定量地轉(zhuǎn)換為另一個(gè)物理量(例如，電壓)的變化。本發(fā)明涉及一種具有用于將載荷變化轉(zhuǎn)換為電壓變化的換能器的改進(jìn)的換能器裝置。
[0003]該傳感器的一個(gè)特定實(shí)施例是所謂的力傳感電阻器(FSR)。FSR在本領(lǐng)域是眾所周知的，并且可以用于許多應(yīng)用中。該力傳感電阻器通常包括具有被設(shè)置于其之間的力敏感材料的至少兩個(gè)電極。如果將載荷施加在FSR上，那么跨力敏感材料的電極之間的電阻會(huì)發(fā)生變化。耦合到電極的電氣電路對(duì)電阻變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
[0004]根據(jù)優(yōu)選應(yīng)用，為了測(cè)量在步行、跳躍以及特別是奔跑期間人施加在鞋底上的力，可以將FSR設(shè)置在鞋底內(nèi)。US 2010/0063778揭示了具有不同力傳感電阻器的這種鞋傳感器系統(tǒng)，該不同力傳感電阻器操作地連接到電氣模塊。電氣模塊能夠收集來自不同力傳感電阻器的測(cè)量結(jié)果，并且能夠經(jīng)由通信端口向外部設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)以作進(jìn)一步使用。
[0005]然而，力傳感電阻器具有低速響應(yīng)，并且因此可以僅用于測(cè)量靜態(tài)載荷變化或者準(zhǔn)靜態(tài)載荷變化。它們不足以精確地提供與用戶的足部解剖(anatomy)或者步態(tài)動(dòng)態(tài)有關(guān)的信息。然而，此信息在運(yùn)動(dòng)員監(jiān)測(cè)中或者對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用(例如，足部診斷和健康預(yù)防)會(huì)是非常有用的。
[0006]技術(shù)問題
[0007]因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種可以更加精確地測(cè)量載荷變化的換能器裝置。通過如權(quán)利要求1中所要求保護(hù)的換能器裝置來描述該換能器裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明涉及一種用于將載荷變化轉(zhuǎn)換為一個(gè)或多個(gè)電氣輸出信號(hào)的換能器裝置。該換能器裝置包括至少一個(gè)換能器元件以及操作地連接到該換能器元件的評(píng)估單元。該換能器裝置尤其可以用于醫(yī)療應(yīng)用、體育休閑活動(dòng)、汽車工業(yè)中用于安全應(yīng)用的碰撞檢測(cè)以及工業(yè)上的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0009]換能器元件包括第一換能器與第二換能器的組合。評(píng)估單元包括:
[0010]第一評(píng)估電路，該第一評(píng)估電路關(guān)聯(lián)到將靜態(tài)載荷變化或者準(zhǔn)靜態(tài)載荷變化轉(zhuǎn)換為第一輸出信號(hào)的第一換能器，該靜態(tài)載荷變化或者準(zhǔn)靜態(tài)載荷變化包括>0.1sec的典型時(shí)間幀，
[0011]第二評(píng)估電路，該第二評(píng)估電路關(guān)聯(lián)到用于將高動(dòng)態(tài)載荷變化轉(zhuǎn)換為第二輸出信號(hào)的第二換能器，該高動(dòng)態(tài)載荷變化通常是比準(zhǔn)靜態(tài)信號(hào)變化快10-100倍的因子，以及
[0012]輸出電路，該輸出電路操作地連接到第一評(píng)估電路和第二評(píng)估電路，以輸出第一電氣輸出信號(hào)和/或第二電氣輸出信號(hào)。
[0013]由于此換能器裝置，可以以較高的精度來測(cè)量載荷變化。
[0014]本發(fā)明具體涉及(但并非排他地)一種換能器元件，其中，第一換能器或/和第二換能器是基于箔的。第一換能器和第二換能器可以具體化為(例如至少在其特定位置處層合在一起的)若干箔的多層裝置。由于箔的柔韌性、輕和薄，可以將其設(shè)置在多種不同的材料上或者多種不同的材料內(nèi)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的特定的有利的實(shí)施例，第一換能器是箔型壓力傳感器。該箔型壓力傳感器包括:
[0016]第一載體箔，
[0017]第二載體箔，該第二載體箔通過被設(shè)置在第一載體箔與第二載體箔之間的一個(gè)或多個(gè)間隔體與第一載體箔隔離，以及
[0018]至少兩個(gè)電極和壓力敏感材料層，該至少兩個(gè)電極和該壓力敏感材料層被設(shè)置在第一換能器的有效區(qū)域中。該壓力敏感材料連接第一電極和第二電極。
[0019]響應(yīng)于作用在有效區(qū)域上的載荷變化，第一載體箔向第二載體箔靠近，并且跨第一電極與第二電極之間的壓力敏感材料層建立電氣接觸，以使得第一電極與第二電極之間所測(cè)量的電阻改變。間隔體可以由海綿或者可以在壓力下壓縮并且在壓縮之后恢復(fù)其初始尺寸的任意其它材料制成。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，第一電極設(shè)置在第一載體箔上，第一電極面向被設(shè)置在第二載體箔上的第二電極。壓力敏感材料層覆蓋箔型壓力傳感器的有效區(qū)域中的第一電極和/或第二電極，并且將第一電極連接到第二電極。響應(yīng)于作用在箔型壓力傳感器的有效區(qū)域上的壓力，第一電極向第二電極靠近，并且跨壓力敏感材料(其被設(shè)置在電極之間)的電極之間的電阻改變。通過操作地連接到第一電極和第二電極的評(píng)估電路來測(cè)量電阻變化。
[0021]替代地，第一電極和第二電極彼此分隔地設(shè)置在第一載體箔上，而壓力敏感材料層被設(shè)置在面向第一載體箔的第二載體箔上。間隔體設(shè)置在第一載體箔與第二載體箔之間，當(dāng)沒有壓力被施加在有效區(qū)域上時(shí)，使第一載體箔與第二載體箔保持彼此隔離。
[0022]當(dāng)力被施加在有效區(qū)域上時(shí)，使得第一載體箔和第二載體箔集合在一起，并且壓力敏感材料層連接有效區(qū)域中的第一電極和第二電極。響應(yīng)于電氣接觸的建立，由壓力敏感材料連接的電極之間的電阻改變。第一載體箔和第二載體箔可以由非常薄的電氣絕緣材料制成。第一換能器可以具體化為FSR(力傳感電阻器)或者能夠測(cè)量低動(dòng)態(tài)載荷變化的任意其它的換能器。
[0023]每一個(gè)換能器元件都可以具體化為測(cè)量預(yù)定義的區(qū)域處的載荷變化并且向輸出電路發(fā)送一個(gè)或多個(gè)電氣輸出信號(hào)的獨(dú)立單元。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，可以將多個(gè)換能器元件設(shè)置為在空間上彼此分隔。這是有利的，因?yàn)樵梢苑胖糜谛枰d荷測(cè)量的特定部分。在某些情況下，需要測(cè)量僅在第一換能器的特定部分中的高動(dòng)態(tài)載荷變化。因此，多個(gè)換能器元件可以利用一個(gè)公共的第一換能器或/和第二換能器。
[0024]第二換能器可以有利地是基于駐極體的壓力傳感器，或者替代地具有較小動(dòng)態(tài)范圍的包括傳感箔的壓電式壓力傳感器。該傳感箔可以具有陽極和陰極，其中基于駐極體的材料或者壓電材料設(shè)置在陽極與陰極之間。優(yōu)選地，陽極和陰極連接到第二評(píng)估電路。這種基于駐極體的或者具有較低靈敏度的壓電傳感器能夠測(cè)量高動(dòng)態(tài)載荷變化。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，第一換能器和第二換能器被設(shè)置為一個(gè)在另一個(gè)上方。第一換能器和第二換能器可以非常薄，以使得施加在換能器中的一個(gè)換能器上的載荷自動(dòng)地施加在兩個(gè)換能器上。
[0026]此外，第一載體箔或/和第二載體箔包括傳感箔。可以由傳感箔來完全地替代第一換能器的第一載體箔或/和第二載體箔。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例，一個(gè)或多個(gè)間隔體包括傳感箔。該傳感箔可以部分或者完全地替代該一個(gè)或多個(gè)間隔體。
[0028]優(yōu)選地，第一評(píng)估電路包括R電路，以及第二評(píng)估電路包括R-C電路。低動(dòng)態(tài)載荷變化由R電路來評(píng)估，并被輸出為第一輸出信號(hào)的電壓在時(shí)間段A t內(nèi)的第一變化，以及高動(dòng)態(tài)載荷變化由R-C電路來評(píng)估，并被輸出為第二輸出信號(hào)的電壓在時(shí)間段At內(nèi)的第二變化。由于第一評(píng)估電路與第二評(píng)估電路之間分隔開，第一換能器和第二換能器在其最優(yōu)條件下運(yùn)行?？梢酝瑫r(shí)或者相繼地測(cè)量低動(dòng)態(tài)載荷變化和高動(dòng)態(tài)載荷變化。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，評(píng)估單元包括中央處理單元。輸出電路在工作狀態(tài)下直接地或者無線地耦合到中央處理單元。輸出電路可以經(jīng)由無線通信(諸如，藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)或者紅外線)連接到智能手機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)或者任意其它電子設(shè)備，并且發(fā)送經(jīng)處理的第一電氣輸出信號(hào)和第二電氣輸出信號(hào)。對(duì)于指示人在奔跑、步行或者跳躍時(shí)適當(dāng)?shù)?健康的)足部載荷的運(yùn)動(dòng)員監(jiān)測(cè)而言，這可以特別地有利。
【附圖說明】
[0030]現(xiàn)在參考附圖以舉例的方式描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中:
[0031]圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例的傳感器裝置的鞋子鑲嵌物組件的示意圖。
[0032]圖2是根據(jù)本發(fā)明的第