本发明专利技术公开了一种接触式平行板三维力传感器，所述传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，所述X方向差动电容单元组合通过电容值相减消除Y方向切向力影响计算X方向的切向力，所述Y方向差动电容单元组合通过电容值相减消除X方向切向力影响计算Y方向的切向力，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容求和消除切向力影响计算电容传感器的法向力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于压力传感器
，涉及电容式三维力压力传感器，具体涉及一种 接触式平行板差动三维力压力传感器。
技术介绍
电容式触觉传感器具有结构简单、造价较低、灵敏度高以及动态响应好等优点， 尤其是对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性比较强。但是，该类型的传感器输出一般 会表现为非线性，并且固有的寄生电容和分布电容均会对传感器的灵敏度和测量精度产 生影响。上世纪70年代以来，随着集成电路技术的发展，出现了与微型测量仪表封装在 一起的电容式传感器，这种新型的传感器能够大大减小分布电容的影响，克服了其固有 的缺点。电容式触觉传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。压力传感器都只 是采集竖直方向上的压力：如中国专利CN201110074892.6采用的是10个对应脚底压力 分布点的薄膜压力传感器；CN201010230489. 3采用的是8列X10行的矩阵压力传感器， CN2012102984097采用的40乘以40压敏电阻矩阵，不能进行三维力计算。
技术实现思路
为了克服以上现有技术的不足，本专利技术提出一种接触式平行板差动三维力压力传 感器，通过差动电容组合，解决了电容式压力传感器主要用于竖直压力测试的问题，具有线 性度高，灵敏度高的有益效果。 为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种接触式平行板差动三维力压 力传感器，所述传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向差动电容单元组合和Y 方向差动电容单元组合，所述X方向差动电容单元组合通过电容值相减计算X方向的切向 力且消除Y方向切向力影响，所述Y方向差动电容单元组合通过电容值相减计算Y方向的 切向力且消除X方向切向力影响，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组 合的电容值求和计算电容传感器的法向力且消除切向力影响。所述X方向差动电容单元组 合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单 元模块是由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的 驱动电极和下极板的感应电极。所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同， 驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位8&和右差位6$， b〇?=h感+ 5右+Ss，其中，为条状电容单元的驱动电极长度，为条状电容单元的感 应电极长度。所述差位6;&，且5，|.:2(1 ()_^，其中d(l为弹性介质厚度，G为弹性介 质的抗剪模量，为最大应力值。所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单 元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。所 述梳齿状结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两 条状电容单元之间设有电极间距as。所述平行板面积S= 其中，M为条状电容 单元数量，h为条状电容单元的长度，a(l条状电容单元的宽度。所述电容单元模块的每个条 状电容单元的引线通过并联或者独立连接到控制单元。所述条状电容单元的宽度aQ =#， Li 其中，屯为弹性介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述控制 单元和电容单元模块之间设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容 的传输系数。 本专利技术有益效果是：为了提高接触式电容三维力传感器的灵敏度，转换精度以及 触觉传感系统的可靠性与稳定性，设计出了以PCB板为平行板电极和PDMS为基材的介质 层，平面尺寸为lOXIOmm2的组合式电容敏感器件。本专利技术在通过电容测量三维力的基础 上，有效使用平板面积，并且通过差动等方法有效解决三维力间耦合，从而使法向与切向转 换都达到较高的线性、精度与灵敏度。【附图说明】 下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明： 图1是本专利技术的【具体实施方式】的条状电容单元及其坐标系。 图2是本专利技术的【具体实施方式】的条状电容单元示意图。 图3是本专利技术的【具体实施方式】的条状电容单元右向偏移示意图。 图4是本专利技术的【具体实施方式】的条状电容单元左向偏移示意图。 图5是本专利技术的【具体实施方式】的条状电容单元对的初始错位图。 图6是本专利技术的【具体实施方式】的条状电容单元对受力后偏移图。 图7是本专利技术的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器结构图。 图8是本专利技术的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器驱动电极结构图。 图9是本专利技术的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器感应电极结构图。 图10是本专利技术的【具体实施方式】的通过相同传递系数K实现输出响应求和。 图11是本专利技术的【具体实施方式】的单元电容对的信号差动示意图。 图12是本专利技术的【具体实施方式】的平行板电容器剖面结构。 其中，1、上PCB基板，2、下PCB基板，3、驱动电极，4、感应电极，5、弹性介质。【具体实施方式】 下面对照附图，通过对实施例的描述，本专利技术的【具体实施方式】如所涉及的各构件 的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及 操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本专利技术的专利技术构思、技术 方案有更完整、准确和深入的理解。 一种接触式平行板差动三维力压力传感器，所述传感器包括控制单元、与控制单 元分别连接的X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，所述X方向差动电容 单元组合通过电容值相减计算X方向的切向力且消除Y方向切向力影响，所述Y方向差动 电容单元组合通过电容值相减计算Y方向的切向力且消除X方向切向力影响，所述X方向 差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容值求和计算电容传感器的法向力且 消除切向力影响。所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以 上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成 的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。所述每个 条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动 电极长度两端分别预留左差位S左和右差位S右，b0驱=b0感+S右+S左，其中，b0驱为条状 电容单元的驱动电极长度，bg为条状电容单元的感应电极长度。所述差位，且 5A._ 2 其中d(1为弹性介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，t_为最大应力值。所 述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向 设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。所述梳齿状结构包括20个以上条状电 容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距as。 所述平行板面积S=Mfefajlv其中，M为所有条状电容单元数量，h为条状电容单元的 长度，％条状电容单元的宽度。所述电容单元模块的每个条状电容单元的引线通过并联或 者独立连接到控制单元。所述条状电容单元的宽度:知=$，其中，士为介质厚度，E为弹 性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述控制单元和电容单元模块之间设有中 间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。 1、条状电容单元的转换特性<当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种接触式平行板差动三维力压力传感器，其特征在于,所述传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，所述X方向差动电容单元组合通过电容值相减计算X方向的切向力且消除Y方向切向力影响，所述Y方向差动电容单元组合通过电容值相减计算Y方向的切向力且消除X方向切向力影响，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容值求和计算电容传感器的法向力且消除切向力影响。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王军，何森岗，李心源，赵全，
申请(专利权)人：安徽工程大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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