Тактильні датчики – це спеціальний клас перетворювачів сили або тиску, зокрема в електричний сигнал Тактильні датчики торкання, наприклад, використовуються в сенсорних дисплеях, клавіатурах і інших пристроях, де необхідно реагувати на фізичний дотик У поліграфічному виробництві тактильні датчики можуть використовуватися для визначення сили натиску, що діє в друкованому апараті, зусилля притиску стопи паперу в різальної машині і т п

Для виготовлення тактильних чутливих елементів використовуються різні методи Одним з них є формування на поверхні обєкта спеціального тонкого шару з матеріалу, чутливого до механічних напруженням, рис 116

Рис 116 Тактильний елемент мембранного типу

Одна з контактних поверхонь (фольга) заземлена, а друга підєднується мультиплексором (якщо потрібно контролювати кілька чутливих зон) до резистори, формує вихідний сигнал Додаток зовнішньої сили до верхньої поверхні прогинає її і створює контакт з деякою нижньою поверхнею, що призводить до заземлення виходу мультиплексора, зняттю вихідної напруги Цим засвідчується наявність зовнішнього контакту з датчиком Верхня і нижня контактні поверхні виготовляються електропровідними Чутливі зони таких датчиків можуть розташовуватися рядами (рядками) і колонками (стовпцями) Дотик до певної ділянки чутливої ​​поверхні призводить до замикання відповідних рядів і колонок, що створює локальне пляма прикладеної сили

Висока чутливість і якість тактильних датчиків досягається застосуванням спеціальних матеріалів для контактних поверхонь і схемного рішення зняття тактильного сигналу Прикладом такого матеріалу може служити пєзоелектричні плівки, наприклад, з Полівініліден фториду (PVDF) Вони використовуються як в пасивному, так і в активному режимах роботи, рис 117

Рис 117 Активний пєзоелектричний тактильний датчик

Тим верхній і нижній плівками товщиною 40 мкм розташований компресійний шар в 25 мкм, що забезпечує акустичну звязок між ними Механічні характеристики цього шару визначають чутливість і робочий діапазон датчика На нижній пєзоелектричний шар подається змінна напруга генератора Ці коливання змушують періодично стискатися нижній шар, компресійний шар і верхній шар, грає роль приймача Оскільки пєзоелектрику володіє оборотним явищем, з верхнього шару знімається змінна напруга, яка посилюється і подається на синхронний демодулятор Демодулятор, реагуючи на амплітуду і фазу сигналу, що поступає, обробляє його в вихідна напруга Додаток зовнішньої сили до датчика призводить до зміни механічних характеристик його тришарової структури, що призводить до появи на виході демодулятора напруги лінійно залежить від прикладеної зусилля (у певних межах) Електроди з PVDF плівки можуть бути сформовані у вигляді осередків або на передавальній, або на приймальній стороні Застосування мультиплексування при підключенні осередків дозволяє розпізнавати зони додатки зовнішньої сили Такий датчик також може використовуватися для вимірювання невеликих переміщень При визначенні переміщень у кілька міліметрів його точність становить ± 2 мкм Переваги даного датчика – простота і вихідний сигнал у вигляді постійної напруги

Тактильні датчики можуть виконувати функції сенсорних перемикачів Надійність контактів традиційних перемикачів сильно знижується при попаданні на них вологи і пилу, їх робота, зокрема, характеризується дребезгом контактів Пєзоелектричні ключі можуть працювати в несприятливих умовах навколишнього середовища Один з варіантів таких перемикачів складається з сталевого консольного елемента, на який нанесений шар пєзоелектричної плівки (рис 118)

Рис 118 Тактильний вимикач на Р VDF-плівці Елемент одним кінцем прикріплений до процесорної плати, на вході якої стоїть ключ на основі польового МОП-транзистора Як тільки до цього елемента буде докладено механічне зусилля, напруження, що виникло на плівці, миттєво перемкне МОП-ключ, і на його виході зявиться високий рівень сигналу Такий вимикач витримує до 10 мільйонів циклів безаварійної роботи Простота конструкції робить такі перемикачі привабливими для використання в різних промислових лічильниках, в системах автоматизації технологічних процесів, в розливних апаратах і т д Тактильні елементи на основі пєзоелектричних плівок здатні працювати в широких частотних і дина-

Нитка проходить з вібраційного датчику, вбудованому в корпус вимикача і відстежує акустичний сигнал, що виникає від тертя нитки при її проходженні над датчиком Відсутність характерних вібрацій призводить до немедден-ної зупинці ніткошвейних автомата

Рис 119 Пєзоелектричний вимикач на основі Ріпі-плівки

мических діапазонах Розглянемо датчик безперервного моніторингу нитки, наприклад в ніткошвейних автоматі, рис 119

Іншим різновидом тактильних датчиків є пєзорезистивного чутливий елемент Він виготовляється з матеріалів, чиє електричний опір залежить від прикладеної механічної напруги або тиску До таких матеріалів відносяться еластомери або пасти, чутливі до зміни тиску Провідні еластомери виготовляються із силіконової гуми, поліуретану та інших матеріалів, до складу яких входять провідні частинки або волокна Наприклад, провідна гума виходить при введенні в звичайну гуму вугільного порошку Принцип дії еластомерних датчиків заснований або на зміні площі контактів при стисненні еластомеру між двома провідними пластинами (рис 120), або на зміні товщини шару самого еластомеру Залежно від величини зовнішньої сили, що діє на датчик, змінюється площа контактної зони між тактильними струмопровідними елементами і еластомером, в результаті чого змінюється його електричний опір При певному тиску ця площа стає максимально можливою

Однак слід зазначити, що значення опору може значно дрейфувати, коли полімер піддається дії тиску тривалий час Тому такі пєзорезистивного датчики застосовуються, як правило, для якісних, а не кількісних вимірів Більш тонкі пєзорезистивного тактильні датчики виходять з напівпровідникових полімерів, опір яких також залежить від тиску Конструкція таких датчиків нагадує мембранний перемикач, рис 121 Посравненію з тензодатчиками пєзорезистивного чутливі елементи мають більш широким динамічним діапазоном: типове зміна опору становить три порядки при зміні сили в інтервалі 0 .. 3 кг, але більш низькою точністю (зазвичай ± 10%) Однак у тих випадках, коли не потрібно точне вимірювання сили, а вирішальним є вартість датчика, застосування таких детекторів є виправданим Товщина типових пье-зорезістівних полімерних датчиків зазвичай становить 0,25 мм, але можливе виготовлення і більш тонких структур

У тих випадках, коли потрібні тактильні мікросенсора, що володіють гарним просторовим дозволом, високою чутливістю і широким динамічним діапазоном, слід застосувати датчики з механічним гістерезисом Принцип дії такого порогового тактильного детектора з механічним гістерезисом може бути заснований на використанні пластичної деформації кремнієвої мембрани На рис 121 показано інтегральне виконання кремнієвого тактильного мікроперемикача, що складається з герметичної порожнини, сформованої всередині кремнієвої підкладки, щільно закритій тонкою мембраною При відсутності зовнішніх сил за рахунок розширення газу, що знаходиться усередині порожнини, мембрана утворює опуклий купол При нормальній температурі і доданої силі, що перевищує критичне значення, верхній електрод прогинається вниз, контактуючи з нижнім електродом Дослідження показали, що такий ключ замикається при тиску порядку 13 psi (фунт на квадратний дюйм), а його гістерезис дорівнює 2 psi Опір ключа в розімкненому стані становить 10 кОм, що прийнятно для малопотужних схем

На рис 122 показаний варіант тактильного мікроперемикача, в якому замість газу, що знаходиться під тиском, застосовується вакуум Тут вакуумна мікрокамера знаходиться між холодним катодом і рухомим анодом у вигляді діафрагми

Рис 122 Датчик сили, реалізований вакуумним діодом

Коли між анодом і кремнієвим виступом на катоді зявляються позитивна різниця потенціалів, формується електричне поле Якщо напруженість поля перевищує значення 5×10 В / см, електрони здійснюють тунельний перехід з катода в вакуумну камеру Сила поля, а, отже, кількість випускаються електронів (струм емісії) визначається величиною потенціалу

на аноді Коли до анода прикладається зовнішня сила, він опускається вниз, змінюючи тим самим напруженість поля і струм емісії

Джерело: Бєляєв В П, Шуляк Р І, «Електронні пристрої поліграфічного обладнання», Білоруський державний Технологічний університет, Мінськ, 2011 р