一种接触式平行板三维力压力传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种接触式平行板三维力压力传感器，所述传感器包括控制单元、与控制器分别连接的X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括两个以上电容单元模块，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。

【技术实现步骤摘要】

本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XlO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，本技术提出一种接触式平行板三维力压力传 感器，通过电容组合，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，本技术采取的技术方案为：一种接触式平行板三维力压 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方向电容单元组和Y方向电 容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，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。所述电容单元模块包括由两个以上宽度a。长度b。条状电 容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka。长度b。条状电容单元组成的第二条 状电容单元组。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和右差位Wg+Se + δ s，其中，b。_为条状电容单元的驱动电极长度，b。s为条状电容单元的感应电极宽度。所 述差位δ s = δ φ :其中d。为介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ _ 为最大应力值。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a5。所述平行板面积S = MfefSa^ka。） b。/%其中，M为条状电容单元数量，b。为条状电容单元的长度，a。条状电容单元的宽度。所 述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联方式或者独 立连接到控制单元。所述条状电容单元的宽虔其中，d。为条状电容单元介质厚度， 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、可靠性和 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10 X IOmm2的 组合式电容敏感器件。本技术在通过电容测量三维力的基础上，有效使用平板单用的 使用面积，并且通过设置预留差位、设置两组宽度为a。和Ka。的条状电容单元等方法有效解 决三维力间相互影响，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是本技术的【具体实施方式】的条状电容单元示意图。 图3是本技术的【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是本技术的【具体实施方式】的宽度为a。和ka。的电容对受力偏移图。 图6是本技术的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器结构图。 图7是本技术的【具体实施方式】的单元电容对的信号示意图。 图8是本技术的【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技术的实用 新型构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。 如图4-6为本技术压力传感器的极板结构图，一种接触式平行板三维力压力 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方向电容单元组和Y方向电容 单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，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。所述电容单元模块包括由两个以上宽度a。长度b。条状电容 单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka。长度b。条状电容单元组成的第二条状 电容单元组。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和右差位δ φ，右 + δ s，其中，b。_为条状电容单元的驱动电极长度，b。s为条状电容单元的感应电极长度。所 述差位δ左=δ右，_其中d。为介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ _ 为最大应力值。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a5。所述平行板面积S = MfefSa^ka。） b。/%其中，M为条状电容单元数量，b。为条状电容单元的长度，a。条状电容单元的宽度。所 述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元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a其中，d。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。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组与控 制单元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 (1)激励信号和坐标系 将条状电容单元置于图1所示的直角坐标系中，极板平面长度b。、宽度a。、介质厚 度d。。三维激励施加于电容极板的外表面，产生的接触式作用力具有Fx、Fy和Fz三个方 向分量，Fx和Fy的作用方向沿X轴和Y轴，Fz的作用方向沿OZ轴即S:方向，法向和切向应 力均为一种应力张量，从电极的引线间即可输出电容响应；法向应力σ n= Fn/A，其中A = a。·13。为极板法向受力面，Fn = Fz为法向分量；两侧表面上产生成对的切向应力τ x= Fx/ Α，τ y= Fy/A〇 根据弹性力学中的虎克定律，σ JP τ x，Ty都将使弹性体产生相应的变形。其中， 式中，E为弹性介质的杨氏模量（单位：GN/m2)，G为弹性介质的抗剪模量（单位： GN/m2)，δ n为弹性介质的法向位移（单位：μ m)，而δ X和δ y为电容器上下两极板的相 对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种接触式平行板三维力压力传感器，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方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王军，李小牛，端黎民，
申请(专利权)人：芜湖科创生产力促进中心有限责任公司，
类型：新型
国别省市：安徽;34