一種接觸式平行板差動三維力壓力傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于壓力傳感器技術領域，涉及電容式三維力壓力傳感器，具體涉及 一種接觸式平行板差動三維力壓力傳感器。
【背景技術】
[0002] 電容式觸覺傳感器具有結構簡單、造價較低、靈敏度高以及動態響應好等優點， 尤其是對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應性比較強。但是，該類型的傳感器輸出一般 會表現為非線性，并且固有的寄生電容和分布電容均會對傳感器的靈敏度和測量精度產 生影響。上世紀70年代以來，隨著集成電路技術的發展，出現了與微型測量儀表封裝在 一起的電容式傳感器，這種新型的傳感器能夠大大減小分布電容的影響，克服了其固有 的缺點。電容式觸覺傳感器是一種用途極廣，很有發展潛力的傳感器。壓力傳感器都只 是采集豎直方向上的壓力：如中國專利CN201110074892.6采用的是10個對應腳底壓力 分布點的薄膜壓力傳感器；CN201010230489. 3采用的是8列XlO行的矩陣壓力傳感器， CN2012102984097采用的40乘以40壓敏電阻矩陣，不能進行三維力計算。 【實用新型內容】
[0003] 為了克服以上現有技術的不足，本實用新型提出一種接觸式平行板差動三維力壓 力傳感器，通過差動電容組合，解決了電容式壓力傳感器主要用于豎直壓力測試的問題，具 有線性度高，靈敏度高的有益效果。
[0004] 為了實現上述目的，本實用新型采取的技術方案為：一種接觸式平行板差動三維 力壓力傳感器，所述傳感器包括控制單元、與控制單元分別連接的X方向差動電容單元組 合和Y方向差動電容單元組合，所述X方向差動電容單元組合通過電容值相減計算X方向 的切向力且消除Y方向切向力影響，所述Y方向差動電容單元組合通過電容值相減計算Y 方向的切向力且消除X方向切向力影響，所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容 單元組合的電容值求和計算電容傳感器的法向力且消除切向力影響。所述X方向差動電容 單元組合和Y方向差動電容單元組合均包括兩個以上相互形成差動的電容單元模塊，所述 電容單元模塊是由兩個以上的條狀電容單元組成的梳齒狀結構，每個條狀電容單元包括上 極板的驅動電極和下極板的感應電極。所述每個條狀電容單元的驅動電極和感應電極寬度 相同，驅動電極的長度大于感應電極長度，驅動電極長度兩端分別預留左差位Ss和右差 位S右，b0驅=b0感+S右+S左，其中，b0驅為條狀電容單元的驅動電極長度，b0感為條狀電容
為彈性介質的抗剪模量，為最大應力值。所述兩組相互形成差動的電容單元模塊的條 狀電容單元的驅動電極和感應電極沿寬度方向設有初始錯位偏移，錯位偏移大小相同、方 向相反。所述梳齒狀結構包括20個以上條狀電容單元、與條狀電容單元一一對應連接的引 線，相鄰兩條狀電容單元之間設有電極間距a5。所述平行板面積S=M(a(]+a5)b。，其中，M 為條狀電容單元數量，b。為條狀電容單元的長度，a。條狀電容單元的寬度。所述電容單元 模塊的每個條狀電容單元的引線通過并聯或者獨立連接到控制單元。所述條狀電容單元的
量。所述控制單元和電容單元模塊之間設有中間變換器，中間變換器用于設置電壓對電容 或頻率對電容的傳輸系數。
[0005] 本實用新型有益效果是：為了提高接觸式電容三維力傳感器的靈敏度，轉換精度 以及觸覺傳感系統的可靠性與穩定性，設計出了以PCB板為平行板電極和PDMS為基材的介 質層，平面尺寸為IOXlOmm2的組合式電容敏感器件。本實用新型在通過電容測量三維力 的基礎上，有效使用平板面積，并且通過差動等方法有效解決三維力間耦合，從而使法向與 切向轉換都達到較高的線性、精度與靈敏度。
【附圖說明】
[0006] 下面對本說明書附圖所表達的內容及圖中的標記作簡要說明：
[0007]圖1是本實用新型的【具體實施方式】的條狀電容單元及其坐標系。
[0008]圖2是本實用新型的【具體實施方式】的條狀電容單元示意圖。
[0009] 圖3是本實用新型的【具體實施方式】的條狀電容單元右向偏移示意圖。
[0010] 圖4是本實用新型的【具體實施方式】的條狀電容單元左向偏移示意圖。
[0011]圖5是本實用新型的【具體實施方式】的條狀電容單元對的初始錯位圖。
[0012]圖6是本實用新型的【具體實施方式】的條狀電容單元對受力后偏移圖。
[0013] 圖7是本實用新型的【具體實施方式】的平行板三維力壓力傳感器結構圖。
[0014] 圖8是本實用新型的【具體實施方式】的平行板三維力壓力傳感器驅動電極結構圖。
[0015] 圖9是本實用新型的【具體實施方式】的平行板三維力壓力傳感器感應電極結構圖。
[0016] 圖10是本實用新型的【具體實施方式】的通過相同傳遞系數K實現輸出響應求和。
[0017]圖11是本實用新型的【具體實施方式】的單元電容對的信號差動示意圖。
[0018] 圖12是本實用新型的【具體實施方式】的平行板電容器剖面結構。
[0019] 其中，1、上PCB基板，2、下PCB基板，3、驅動電極，4、感應電極，5、彈性介質。
【具體實施方式】
[0020] 下面對照附圖，通過對實施例的描述，本實用新型的【具體實施方式】如所涉及的各 構件的形狀、構造、各部分之間的相互位置及連接關系、各部分的作用及工作原理、制造工 藝及操作使用方法等，作進一步詳細的說明，以幫助本領域技術人員對本實用新型的實用 新型構思、技術方案有更完整、準確和深入的理解。
[0021] -種接觸式平行板差動三維力壓力傳感器，所述傳感器包括控制單元、與控制單 元分別連接的X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合，所述X方向差動電容 單元組合通過電容值相減計算X方向的切向力且消除Y方向切向力影響，所述Y方向差動 電容單元組合通過電容值相減計算Y方向的切向力且消除X方向切向力影響，所述X方向 差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合的電容值求和計算電容傳感器的法向力且 消除切向力影響。所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合均包括兩個以 上相互形成差動的電容單元模塊，所述電容單元模塊采用由兩個以上的條狀電容單元組成 的梳齒狀結構，每個條狀電容單元包括上極板的驅動電極和下極板的感應電極。所述每個 條狀電容單元的驅動電極和感應電極寬度相同，驅動電極的長度大于感應電極長度，驅動 電極長度兩端分別預留左差位S左和右差位S右，b0驅=b0感+5右+ 5左，其中，b0驅為條狀 電容單元的驅動電極長度，Wig為條狀電容單元的感應電極長度。所述差位Ss= ，且
述兩組相互形成差動的電容單元模塊的條狀電容單元的驅動電極和感應電極沿寬度方向 設有初始錯位偏移，錯位偏移大小相同、方向相反。所述梳齒狀結構包括20個以上條狀電 容單元、與條狀電容單元一一對應連接的引線，相鄰兩條狀電容單元之間設有電極間距a5。 所述平行板面積S=M(a(]+a5)b。，其中，M為所有條狀電容單元數量，b。為條狀電容單元的 長度，a。條狀電容單元的寬度。所述電容單元模塊的每個條狀電容單元的引線通過并聯或
性介質的楊氏模量，G為彈性介質的抗剪模量。所述控制單元和電容單元模塊之間設有中 間變換器，中間變換器用于設置電壓對電容或頻率對電容的傳輸系數。
[0022] 1、條狀電容單元的轉換特性
[0023] (1)激勵信號和坐標系
[0024] 將條狀電容單元置于圖1所示的直角坐標系中，極板平面長度b。、寬度a。、彈性介 質厚度d。。三維激勵施加于電容極板的外表面，產生的接觸式作用力具有Fx、Fy和Fz三 個方向分量，Fx和Fy的作用方向沿X軸和Y軸，Fz的作用方向沿OZ軸，即g方向，法向和 切向應力均為一種應力張量，從電極的引線間即可輸出電容的響應；法向應力〇 n=Fn/A， 其中A=a。^b。為極板法向受力面，Fn=Fz為法向分量；兩側表面上產生成對的切向應力 TX=Fx/A，Ty=Fy/A〇
[0025] 根據彈性力學中的虎克定律，〇"和Tx，Ty都將使彈性體產生相應的變形。其中，
[0029]式中，E為彈性介質的楊氏模量（單位：GN/m2)，G為彈性介質的抗剪模量（單位： GN/m2)，Sn為彈性介質的法向位移（單位：ym)，而SX和Sy為條狀電容單元上下兩極 板的相對錯位（單位：ym)，其正負號由坐標軸指向決定。
[0030] (2)電容公式及其輸入輸出特性
[0031] 矩形平行板電容器的初始電容為：
[0033] 式中，￡。真空介質電常數為8.85PF/m，er= 2. 5為電介質的相對介電常數。d。 受〇n的激勵產生相對變形en=Sn/d。= 〇n/E，代入⑷得到輸入輸出特性
[0035] (3)法向應力作用下的線性度和靈敏度
[0036] a、法向線性度
[0037] 在（5)式中？"在分母中，故Cn=f(Fn)的關系是非線性的，因轉換量程中的最大 值〇n_與介質彈性常數E相比，en是個很小的量，即分母中en〈〈l，將（5)按級數展開并 略去二次方以上的高階無窮小，（5)式可簡化為：
[0039] 可見在(；與Fn的轉換特性中的法向線性度的最大相對誤差接近于零。
[0040] b、靈敏度
[0046] Sn2? Fn而變，Fn愈大，Sn2愈大，在整個轉換特性上呈輕微非線性。
[0047] (4)切向應力TjPTy激勵下的電容變化
[0048] 切向應力TjPT￥并不改變極板的幾何尺寸參數b。和a。，對介質厚度d。也不產 生影響。然而TJPTy改變了平行板電容器的空間結構，正向面對的上下極板之間發生了 錯位偏移。現以OX方向為例，極板在Tx作用下的錯位偏移Sx。
[0049] 在圖2中當T零時，a。上=a。下是正對的，基板之間有效截面At= a。?b。;在 圖3中，在Tx右向的作用下，上極板相對于下極板產生了向右的錯位偏移Sx，從而使上下 極板之間在計算電容時的有效面積At = (a。_ 5 x) ?b。;圖4中，當T 左向時，錯位偏移 SJlJ向左，而At=(afSJ*b。，有效面積的減少量相同，由此產生的電容為：
[0058]公式（9)-(12)類似的分析同樣適用與T#CTy的特性與技術指標，只不