CN105987781B - 动态应力传感器、制备方法及动态应力测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应力发光材料技术领域，公开了一种动态应力传感器、制备方法及动态应力测量系统，所述动态应力传感器包括：保护层(1)，用于在书写者在该保护层(1)上手写签名时，发生与该签名相对应的弹性形变；发光层(2)，设置在所述保护层(1)的下表面，用于在所述保护层发生弹性形变后，所述发光层(2)中对应所述保护层(1)的受力位置处生成可见光信号；以及透明衬底(3)，所述发光层(2)设置在所述透明衬底(3)的上表面，透过所述透明衬底(3)输出所述可见光信号。本发明动态应力传感器可在书写者手写签名时，输出对应的可见光信号形成的动态图像，以显示手写签名的动态过程，及时准确，可信度高。

Description

动态应力传感器、制备方法及动态应力测量系统

技术领域

本发明涉及应力发光材料技术领域，具体地，涉及一种动态应力传感器、制备方法及动态应力测量系统。

背景技术

电子签名由于能通过网络轻松便捷地提供身份验证和系统记录，突破了时间和空间上的局限性，因此被广泛应用于通信、电子商务、电子政务和信息安全等领域。目前，在日常生活中受法律保护的可靠的电子签名已经被大量的使用，例如手写签名，私密代号、个人密码，以及具有个人识别特征的指纹、声音、视网膜结构等。其中，手写签名更因其使用便捷，被广大用户所热衷，在数字化、信息化和网络化等独特的领域有着不可替代的作用。

然而，随着人们面临的个人信息安全威胁日趋严峻，对现有的只是记录使用者手写产生的最终图形图案处理技术提出了巨大的挑战，手写签名存在着各种各样的不安全因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种动态应力传感器，可显示书写者在手写签名时的动态过程。

为了实现上述目的，本发明提供一种动态应力传感器，所述动态应力传感器包括：保护层，用于在书写者在该保护层上手写签名时，发生与该签名相对应的弹性形变；发光层，设置在所述保护层的下表面，用于在所述保护层发生弹性形变后，所述发光层中对应所述保护层的受力位置处生成可见光信号；以及透明衬底，所述发光层设置在所述透明衬底的上表面，透过所述透明衬底输出所述可见光信号。

优选地，所述发光层由应力发光材料粉末通过第一粘合剂粘合在所述透明衬底上形成。

优选地，所述第一粘合剂为乙烯醋酸乙烯共聚物EVA胶或光刻胶。

优选地，所述透明衬底上形成的发光层具有阵点。

优选地，所述应力发光材料粉末的颗粒直径<5μm。

优选地，所述应力发光材料为Zn_1-xS：Mn_x，0.001≤x≤0.04；或者所述应力发光材料为掺Cu的ZnS或者掺杂稀土金属的铝酸盐体系。

优选地，所述动态应力传感器还包括：光阻层，设置于所述保护层的下表面。

优选地，所述光阻层包括具有反射效果的金属膜或者黑漆。

优选地，所述保护层为柔性材质。

本发明动态应力传感器可在书写者在保护层上手写签名时，输出对应的可见光信号形成的动态图像，以显示手写签名的动态过程，及时准确，可信度高。

本发明的另一目的是提供一种动态应力传感器的制备方法，可简化制作步骤，操作方便。

为了实现上述目的，本发明提供一种动态应力传感器的制备方法，所述制备方法包括：提供一透明衬底；将应力发光材料粉末通过第一粘合剂粘合在所述透明衬底的上表面形成发光层；通过第二粘合剂在所述发光层上粘合一层保护层。

优选地，所述第一粘合剂为EVA胶或光刻胶。

优选地，将应力发光材料粉末通过第一粘合剂粘合在所述透明衬底上形成发光层的方法包括：将应力发光材料粉末均匀分散于乙醇溶液中；在所述透明衬底的上表面涂一层EVA胶，并将乙醇溶液涂覆在带有EVA胶的透明衬底的上表面；在设定温度下，所述应力发光材料粉末颗粒均匀沉淀且乙醇溶液蒸发，所述透明衬底上形成发光层。

优选地，将应力发光材料粉末通过第一粘合剂粘合在所述透明衬底上形成发光层的方法包括：在对应可见光的照射下，将应力发光材料粉末与光刻胶按设定的重量比例均匀混合；将混合物涂覆到所述透明衬底的上表面，经过热烘后通过曝光形成具有阵点的发光层。

优选地，通过第二粘合剂在所述发光层上粘合保护层之前还包括：在所述保护层的下表面设置一层光阻层。

本发明动态应力传感器的制备方法可通过在透明衬底和保护层之间粘合所述应力发光材料粉末形成发光层，制备方法简单，操作方便，所制得的动态应力传感器结构简单，检测精度高。

本发明的又一目的是提供一种动态应力测量系统，可显示书写者在手写签名时的动态过程。

为了实现上述目的，本发明提供一种动态应力测量系统，所述动态应力测量系统包括：上述动态应力传感器；图像采集单元，对应所述动态应力传感器设置，用于采集所述动态应力传感器输出的可见光信号形成的动态图像；以及信号处理单元，与所述图像采集单元连接，用于根据所述动态图像，获取以下一者或多者：书写者的字迹轨迹、应力分布以及书写速度。

优选地，所述信号处理单元将所述动态图像按照空间和时间叠加，获得完整的字迹轨迹、应力分布和/或书写速度信息。

优选地，所述动态应力传感器与图像采集单元封装在一起。

所述动态应力测量系统与上述动态应力传感器相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明动态应力传感器的结构示意图；

图2是本发明动态应力传感器的制备方法的流程图；

图3是本发明动态应力测量系统的结构示意图；

图4是本发明动态应力测量系统记录的图像示例；

图5是图4所示图像的光强度分布图；

图6是图5中AB条形区域的光强度的变化图；

图7是不同时刻获得的图像。

附图标记说明

1 保护层 2 发光层

3 透明衬底 4 光阻层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明动态应力传感器包括保护层1，用于在书写者在该保护层1上手写签名时，发生与该签名相对应的弹性形变；发光层2，设置在所述保护层1的下表面，用于在所述保护层1发生弹性形变后，所述发光层2中对应所述保护层1的受力位置处生成可见光信号；以及透明衬底3，所述发光层2设置在所述透明衬底3的上表面，透过所述透明衬底3输出所述可见光信号。

所述发光层2由应力发光材料粉末通过第一粘合剂粘合在所述透明衬底3上形成。所述第一粘合剂可为乙烯醋酸乙酯共聚物EVA胶或者光刻胶。

其中，在通过EVA胶形成发光层时：可将应力发光材料粉末均匀分散于乙醇溶液中；在所述透明衬底的上表面涂一层EVA胶，并将乙醇溶液涂覆在带有EVA胶的透明衬底的上表面；在设定温度下，所述应力发光材料粉末颗粒均匀沉淀且乙醇溶液蒸发，所述透明衬底上形成发光层。或者，通过光刻胶形成所述发光层：在对应可见光的照射下，将应力发光材料粉末与光刻胶按设定的重量比例均匀混合；将混合物涂覆到所述透明衬底上，经过热烘后通过曝光形成具有阵点发光层。具有阵点的发光层可准确表示应力的位置信息，提高分辨率。

对于应力发光材料的选择，可根据实际需求选择对应的具有不同发光颜色、弛豫时间等的应力发光材料，在本实施例中，所述应力发光材料为能够发出橘黄色可见光的Zn_1-xS：Mn_x，0.001≤x≤0.04，但并不以此为限，还可以选择掺Cu的ZnS或者掺杂稀土金属的铝酸盐体系等的应力发光材料。其中，所述应力发光材料粉末的颗粒直径<5μm。

所述保护层1的材质为柔性材质，便于书写者在所述保护层1上手写签名时，所述保护层1能够发生与该签名相对应的弹性形变，并作用到所述发光层2上，使所述发光层2对应所述保护层1的受力位置处产生可见光信号，及时准确，可信度高。在本实施例中，所述保护层1为聚对苯二甲酸乙酯(PET)膜，但并不以此为限，还可以为其他高分子材料，例如：聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、环氧树脂等。

为了使本发明动态应力传感器能够在明亮的环境中正常使用，并且具有较高的信号—噪音比，本发明动态应力传感器还包括光阻层4，所述光阻层4设置于所述保护层1的下表面。其中，所述光阻层4包括具有反射效果的金属膜或者黑漆。可在所述保护层1的下表面通过磁控溅射等镀膜方法溅射一层金属膜；或者涂覆一层黑漆，或者其他具有光效果的材料。在本实施例中，所述金属膜为银(Ag)膜，但并不以此为限。

本发明动态应力传感器可在书写者在保护层上手写签名时，输出对应的可见光信号形成动态图像，以显示手写签名的动态过程，及时准确，从而提高电子签名的可信度。

如图2所示，本发明动态应力传感器的制备方法包括：步骤200：提供一透明衬底；步骤201：将应力发光材料粉末通过第一粘合剂粘合在所述透明衬底的上表面形成发光层；步骤202：通过第二粘合剂在所述发光层上粘合一层保护层。

其中，所述透明衬底可为PET、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、环氧树脂等高分子材料。

所述第一粘合剂为EVA胶或光刻胶。

则将应力发光材料粉末通过第一粘合剂粘合在所述透明衬底上形成发光层的方法包括：将应力发光材料粉末均匀分散于乙醇溶液中；在所述透明衬底上涂覆EVA胶，并将乙醇溶液涂覆在带有EVA胶的透明衬底的一侧面；在设定温度下，所述应力发光材料粉末颗粒均与沉淀且乙醇溶液蒸发，所述透明衬底上形成发光层。

此外，将应力发光材料粉末通过第一粘合剂粘合在所述透明衬底上形成发光层还可以包括：在对应可见光的照射下，将应力发光材料粉末与光刻胶按设定的重量比例均匀混合；将混合物涂覆到所述透明衬底上，经过热烘后通过曝光形成具有阵点发光层。通过上述方法获得的发光层具有阵点，可准确表示应力的位置信息，提高分辨率。

本发明制备方法在步骤203之前还包括：在所述保护层的下表面设置一层光阻层。其中，所述光阻层包括具有反射效果的金属膜或者黑漆；则在所述保护层的下表面设置一层光阻层的方法包括：在所述保护层的下表面通过镀膜方法溅射一层金属膜；或者，在所述保护层的下表面涂覆一层黑漆。

其中，所述保护层的材质为柔性材质，便于书写者在所述保护层上手写签名时，所述保护层能够发生与改名相对应的弹性形变，并作用到所述发光层上，使所述发光层对应所述保护层的受力位置处产生可见光信号，及时准确，提高响应速度和可信度。在本实施例中，所述保护层为聚对苯二甲酸乙酯(PET)膜，但并不以此为限，还可以为其他高分子材料，例如：聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、环氧树脂等。

对于应力发光材料的选择，可根据实际需求选择对应的具有不同发光颜色、弛豫时间等的应力发光材料，在本实施例中，所述应力发光材料为能够发出橘黄色可见光的ZnS：Mn，但并不以此为限，还可以选择掺Cu的ZnS、掺杂稀土金属的铝酸盐体系等的应力发光材料。其中，所述应力发光材料粉末的颗粒直径<5μm。

本发明动态压力传感器的制备方法通过在透明衬底和保护层之间粘合所述应力发光材料粉末形成发光层，制备方法简单，操作方便，所制得的动态应力传感器结构简单，检测精度高。

下面应力发光材料以ZnS：Mn为例详细介绍。

本发明使用的应力发光材料为ZnS：Mn，可通过高温真空固化反应制得。其制备方法为：(1)按化学计量比称取高纯碳酸锰和硫化锌，其中通式为Zn_1-xS：Mn_x中x的的取值范围为0.001≤x≤0.04。(2)将称取的原料以乙醇为分散介质充分研磨。(3)待干燥后置入高纯刚玉坩埚，在真空条件下，放入管式石英管焙烧，得到应力发光材料粉末。其中，焙烧温度为1000℃～1150℃，焙烧时间为1～4小时，并在烧结后进一步研磨和筛选，获得颗粒均匀的橘黄色应力发光材料ZnS：Mn粉末，所述应力发光材料粉末颗粒直径<5μm。

下面根据所述应力发光材料ZnS：Mn粉末进一步制备动态应力传感器。

实施例一：

将合成的应力发光材料ZnS：Mn粉末分散于乙醇溶液中，用超声波、搅拌棒等进行充分分散分离，使ZnS：Mn粉末均匀分布于乙醇溶液中；随后迅速转移到涂有EVA胶且边缘粘贴有矩形框架模具PET薄膜上。在设定温度下，ZnS：Mn粉末颗粒均匀沉淀且乙醇溶液挥发后形成发光层，去掉框型模具并将另一块涂有EVA胶的PET薄膜覆盖在发光层的上表面，随后将上下两侧PET薄膜经过热压机进行封装固定。

另外，为使动态应力传感器具有更好的信噪比，使所述动态应力传感器在明亮环境下也能很好地工作，可以添加光阻层，即在覆盖所述发光层上表面之前，先通过磁控溅射等镀膜方法在上层PET膜(即保护层)上溅射一层Ag膜(其他具有反射效果的金属亦可)或者涂有一层黑漆(其他具有吸收光效果的材料亦可)，处理之后在PTE膜的下表面涂抹上EVA胶覆盖所述发光层，进行封装就可以获得具有高信噪比的器件。

实施例二

制备纳米型动态应力传感器，其制备步骤如下：(1)在橘黄光色可见光的照射下，将微纳尺寸的ZnS：Mn粉末与正性光刻胶(根据工艺图形需求，也可选择负性光刻胶，本例中使用的光刻胶为AZ P4620)按重量比1:3均匀混合，也可根据实际阵列的高度，尺寸选择其他重量比。(2)随后将混合物均匀旋涂到洁净、透明的PET薄膜上，经过热烘后利用UV曝光，显影后烘后获得所需求的器件图形图案。

在本实施例中制备了边长为50微米，高度为15微米左右，间距为50微米的矩形阵列。为了保护光刻图案，以免在使用中阵列结构损坏，在器件表面可旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，甚至还可再覆盖一层涂有EVA胶的PET再进行热压封装。

通过上述方法制备的纳米型动态应力传感器分辨率高；具有绝对坐标，可明确应力的位置信息；尺寸较小，使用范围广。

如图3所示，本发明动态应力测量系统包括动态应力传感器；图像采集单元，对应所述动态应力传感器设置，用于采集所述动态应力传感器输出的可见光信号形成的动态图像；以及信号处理单元，与所述图像采集单元连接，用于根据所述动态图像，获取以下一者或多者：书写者的字迹轨迹、应力分布以及书写速度。

其中，所述信号处理单元将所述动态图像按照空间和时间叠加，获得完整的字迹轨迹、应力分布和/或书写速度信息。所述图像采集单元可以为电荷藕合器件图像传感器(Charge Coupled Device，CCD)，所述CCD的采集区域对应所述动态应力传感器的透明衬底。此外，根据实际需求可改进图像采集单元，例如直接将动态应力传感器与CCD封装在一起等。例如，可以将动态应力传感器与图像采集单元一起封装在暗箱中，以隔绝外部光线的干扰。

所述信号处理单元是有效呈现图像参数的关键部分，一般可通过自编译软件实现对应的功能。本发明中利用Matlab程序语言，根据所述动态图像，获取CCD视频图像帧数据，并进行不同的矩阵计算，同时获得书写者字迹轨迹、应力分布、书写速度等图像信息与相关统计数据，进而确保手写签名的安全性。

图4所示为书写者手写签名图形的一个实施例，图5为图4中手写签名的光强度分布图，图6表示为图5中AB条形区域中的光强度变化，图7表示不同时刻的图形信息。本发明动态应力测量系统可记录不同时刻的图像信息，并将所有的图像信息按照空间和时间叠加，获得完整的应力分布、书写速度等个人特征信息，从而提高手写签名的安全性。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (16)

1.一种动态应力测量系统，其特征在于，所述动态应力测量系统包括：

动态应力传感器；

图像采集单元，对应所述动态应力传感器设置，用于采集所述动态应力传感器输出的可见光信号形成的动态图像；以及

信号处理单元，与所述图像采集单元连接，用于根据所述动态图像，获取以下一者或多者：书写者的字迹轨迹、应力分布以及书写速度，

其中，所述动态应力传感器包括：

保护层(1)，用于在书写者在该保护层(1)上手写签名时，发生与该签名相对应的弹性形变；

发光层(2)，设置在所述保护层(1)的下表面，用于在所述保护层(1)发生弹性形变后，所述发光层(2)中对应所述保护层(1)的受力位置处生成可见光信号；以及

透明衬底(3)，所述发光层(2)设置在所述透明衬底(3)的上表面，透过所述透明衬底(3)输出所述可见光信号。

2.根据权利要求1所述的动态应力测量系统，其特征在于，所述信号处理单元将所述动态图像按照空间和时间叠加，获得完整的字迹轨迹、应力分布和/或书写速度信息。

3.根据权利要求1所述的动态应力测量系统，其特征在于，所述动态应力传感器与图像采集单元封装在一起。

4.根据权利要求1所述的动态应力测量系统，其特征在于，所述发光层(2)由应力发光材料粉末通过第一粘合剂粘合在所述透明衬底(3)上形成。

5.根据权利要求4所述的动态应力测量系统，其特征在于，所述第一粘合剂为乙烯醋酸乙烯共聚物EVA胶或光刻胶。

6.根据权利要求1所述的动态应力测量系统，其特征在于，所述透明衬底(3)上形成的发光层(2)具有阵点。

7.根据权利要求4所述的动态应力测量系统，其特征在于，所述应力发光材料粉末的颗粒直径<5μm。

8.根据权利要求4所述的动态应力测量系统，其特征在于，所述应力发光材料为Zn_1-xS：Mn_x，0.001≤x≤0.04；或者

所述应力发光材料为掺Cu的ZnS或者掺杂稀土金属的铝酸盐体系。

9.根据权利要求1所述的动态应力测量系统，其特征在于，所述动态应力传感器还包括：

光阻层(4)，设置于所述保护层(1)的下表面。

10.根据权利要求9所述的动态应力测量系统，其特征在于，所述光阻层(4)包括具有反射效果的金属膜或者黑漆。

11.根据权利要求1所述的动态应力测量系统，其特征在于，所述保护层(1)为柔性材质。

12.一种制备如权利要求1至11中任一项所述的动态应力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

提供一透明衬底；

将应力发光材料粉末通过第一粘合剂粘合在所述透明衬底的上表面形成发光层；

通过第二粘合剂在所述发光层上粘合一层保护层。

13.根据权利要求12所述的动态应力传感器的制备方法，其特征在于，所述第一粘合剂为EVA胶或光刻胶。

14.根据权利要求12所述的动态应力传感器的制备方法，其特征在于，将应力发光材料粉末通过第一粘合剂粘合在所述透明衬底的上表面形成发光层的方法包括：

将应力发光材料粉末均匀分散于乙醇溶液中；

在所述透明衬底的上表面涂一层EVA胶，并将乙醇溶液涂覆在带有EVA胶的透明衬底的上表面；

在设定温度下，所述应力发光材料粉末颗粒均匀沉淀且乙醇溶液蒸发，所述透明衬底上形成发光层。

15.根据权利要求12所述的动态应力传感器的制备方法，其特征在于，将应力发光材料粉末通过第一粘合剂粘合在所述透明衬底的上表面形成发光层的方法包括：

在对应可见光的照射下，将应力发光材料粉末与光刻胶按设定的重量比例均匀混合；

将混合物涂覆到所述透明衬底的上表面，经过热烘后通过曝光形成具有阵点的发光层。

16.根据权利要求12-15中任一项所述的动态应力传感器的制备方法，其特征在于，通过第二粘合剂在所述发光层上粘合保护层之前还包括：

在所述保护层的下表面设置一层光阻层。

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