本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種電容式觸覺傳感器。

背景技術(shù)：

電容式傳感器可用于測(cè)量聲強(qiáng)、液位、含水量、振動(dòng)、壓力、位移等參數(shù)，特別可以測(cè)量納米級(jí)的微位移值。電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)高且價(jià)格便宜。

電容式傳感器在微弱壓力檢測(cè)方面有很大的市場(chǎng)，比如，在機(jī)器人觸覺、運(yùn)動(dòng)分析、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域里，電容式傳感器都有著廣泛應(yīng)用。

電容式傳感器檢測(cè)壓力的原理如圖1所示。電容傳感器由上下兩個(gè)電極板和中間的彈性介電質(zhì)組成。假設(shè)電容值為c，介電質(zhì)的介電常數(shù)為ε，電極板面積為a，兩個(gè)電極板之間間距為d，那么電容值滿足以下公式：

c＝ε*a/d

當(dāng)有壓力(p)對(duì)電極板施壓時(shí)，兩個(gè)電極板之間的距離縮短，從而導(dǎo)致電容值發(fā)生變化。壓力越大，電極板間的距離越小，電容值越大。因此，壓力與電容值正相關(guān)。電容式壓力傳感器就是通過檢測(cè)電容值的變化來檢測(cè)壓力的變化。

圖2是一種典型的電容式壓力傳感器陣列。該陣列由列電極條201、行電極條202以及中間的彈性電介質(zhì)層組成。列電極條201和行電極條202分別通過導(dǎo)線204和導(dǎo)線203引出并連接至電容檢測(cè)電路中。任意列電極條201與行電極條202重疊的部分，構(gòu)成一個(gè)電容式壓力傳感器的感應(yīng)點(diǎn)。檢測(cè)陣列中某一點(diǎn)的壓力信號(hào)，只需要檢測(cè)該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的行電極條與列電極條之間的電容值即可。但這種電容式壓力傳感器陣列的靈敏度不高，量測(cè)范圍較小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種電容式觸覺傳感器，該電容式觸覺傳感器在不改變?cè)袎喝輦鞲衅麝嚵忻娣e的同時(shí)，可以有效地提高的傳感器靈敏度，擴(kuò)大傳感器的量程。

本發(fā)明提出了如下技術(shù)方案：

(1)一種電容式觸覺傳感器，該電容式觸覺傳感器包括依次設(shè)置的第一a型電極層、第一彈性介質(zhì)層、第一b型電極層、第二彈性介質(zhì)層和第二a型電極層；a型電極為正電極時(shí)，b型電極為負(fù)電極；a型電極為負(fù)電極時(shí)，b型為正電極；

其中，第一a型電極層和第二a型電極層相互平行，并且均與第一b型電極層垂直交叉設(shè)置；第一a型電極層和第二a型電極層的對(duì)應(yīng)列短接并由導(dǎo)線單獨(dú)引出，第一b型電極層的每行通過導(dǎo)線單獨(dú)引出；

第一a型電極層、第二a型電極層和第一b型電極層均包括導(dǎo)電物質(zhì)；

第一彈性介質(zhì)層和第二彈性介質(zhì)層的電極為彈性可壓縮材料。

(2)在技術(shù)方案(1)的基礎(chǔ)上，所述電容式觸覺傳感器還包括第一擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，該第一擴(kuò)展結(jié)構(gòu)包括依次設(shè)置的彈性介質(zhì)層和b型電極層；

第一擴(kuò)展結(jié)構(gòu)緊鄰第一a型電極層或者第二a型電極層設(shè)置。

(3)在技術(shù)方案(1)或(2)的基礎(chǔ)上，所述電容式觸覺傳感器還包括第二擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，該第二擴(kuò)展結(jié)構(gòu)包括依次設(shè)置的第三彈性介質(zhì)層、b型電極層、第四彈性介質(zhì)層和a型電極層；

第二擴(kuò)展結(jié)構(gòu)緊鄰第一a型電極層、第二a型電極層或者第一擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的a型電極層設(shè)置。

(4)在技術(shù)方案(3)的基礎(chǔ)上，該第二拓展結(jié)構(gòu)為一個(gè)或多個(gè)；當(dāng)?shù)诙卣菇Y(jié)構(gòu)為多個(gè)時(shí)，第二拓展結(jié)構(gòu)中位于外側(cè)的彈性介質(zhì)層緊鄰第一a型電極層、第二a型電極層或者另一第二擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的a型電極層設(shè)置。

(5)在技術(shù)方案(1)、(2)、(3)或(4)的基礎(chǔ)上，各b型電極層單獨(dú)設(shè)置，或者由同一b型電極層彎折形成。

(6)在技術(shù)方案(1)、(2)、(3)、(4)或(5)的基礎(chǔ)上，各a型電極層單獨(dú)設(shè)置，或者由同一a型電極層彎折形成。

(7)一種電容式觸覺傳感器，該電容式觸覺傳感器包括依次設(shè)置的第一公共地電極層、第一彈性介質(zhì)層、第一傳感器陣列層、第二彈性介質(zhì)層和第二公共地電極層；

其中，第一公共地電極層與第二公共地電極層分別從上下兩側(cè)覆蓋第一傳感器陣列層的所有傳感器陣列區(qū)域，且第一公共地電極層與第二公共地電極層導(dǎo)通；第一公共地電極層和第二公共地電極層均為導(dǎo)電物質(zhì)；

第一彈性介質(zhì)層和第二彈性介質(zhì)層的電極為彈性可壓縮材料。

(8)在技術(shù)方案(7)的基礎(chǔ)上，電容式觸覺傳感器還包括拓展結(jié)構(gòu)，該拓展結(jié)構(gòu)包括依次設(shè)置的彈性介質(zhì)層、傳感器陣列層、彈性介質(zhì)層以及公共地電極層；拓展結(jié)構(gòu)外側(cè)的彈性介質(zhì)層緊鄰第一公共地電極層設(shè)置，或者緊鄰第二公共地電極層設(shè)置；

其中，各傳感器陣列層位于相同位置，各對(duì)應(yīng)的傳感器感應(yīng)點(diǎn)短接。

(9)在技術(shù)方案(8)的基礎(chǔ)上，該拓展結(jié)構(gòu)為一個(gè)或多個(gè)；當(dāng)拓展結(jié)構(gòu)為多個(gè)時(shí)，拓展結(jié)構(gòu)中位于外側(cè)的彈性介質(zhì)層緊鄰第二公共地電極層、第一公共地電極層或另一拓展結(jié)構(gòu)的公共地電極層設(shè)置。

(10)在技術(shù)方案(7)、(8)或(9)的基礎(chǔ)上，各公共地電極層單獨(dú)設(shè)置，或者由同一公共地電極層彎折形成。

本發(fā)明所述觸覺傳感器的核心在于：不增加傳感器的實(shí)際面積，一個(gè)電極同時(shí)作為兩個(gè)電容的公共正電極或公共負(fù)電極，以疊層的形式構(gòu)成觸覺傳感器的一個(gè)壓力感應(yīng)點(diǎn)。當(dāng)有壓力施壓于傳感器表面時(shí)，這些電容的電極板間距同時(shí)發(fā)生變化，相當(dāng)于多個(gè)電容并聯(lián)起來。這一方面提高了傳感器的靈敏度，另一方面增加了傳感器的可壓縮范圍，從而擴(kuò)大了傳感器的量程。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明首次提出疊層式的壓容式觸覺傳感器設(shè)計(jì)，提高了壓容式觸覺傳感器的靈敏度，擴(kuò)大了傳感器的量程范圍。另外，本發(fā)明可以普遍適用于需要在小面積內(nèi)密集分布感應(yīng)點(diǎn)的觸覺傳感器的設(shè)計(jì)。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有的電容式傳感器檢測(cè)壓力的原理示意圖。

圖2是現(xiàn)有的電容式壓力傳感器陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3(a)是本發(fā)明提出的實(shí)施例1的電容式觸覺傳感器的俯視圖。

圖3(b)是本發(fā)明提出的實(shí)施例1的電容式觸覺傳感器的剖視圖。

圖4(a)是本發(fā)明提出的實(shí)施例2的電容式觸覺傳感器的俯視圖。

圖4(b)是本發(fā)明提出的實(shí)施例2的電容式觸覺傳感器的剖視圖。

圖5(a)為本發(fā)明提出的基于實(shí)施例1的第一種擴(kuò)展方式的剖視圖。

圖5(b)為本發(fā)明提出的基于實(shí)施例1的第二種擴(kuò)展方式的剖視圖。

圖6(a)為本發(fā)明提出的基于實(shí)施例2的擴(kuò)展方式的剖視圖。

圖6(b)本發(fā)明提出的基于實(shí)施例2的該擴(kuò)展方式的引線連接示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。但本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉，本發(fā)明并不局限于附圖和以下實(shí)施例。

本發(fā)明提供了一種電容式觸覺傳感器，該傳感器可以有效提高壓容式傳感器的靈敏度，擴(kuò)大量程，尤其適用于在有限面積內(nèi)需要密布多個(gè)壓力感應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)景。

實(shí)施例1：

如圖3(a)和3(b)所示分別為本發(fā)明提出的電容式觸覺傳感器的俯視圖和剖面圖。該電容式觸覺傳感器包括依次設(shè)置的第一負(fù)電極層301、第一彈性介質(zhì)層302、正電極層303、第二彈性介質(zhì)層304和第二負(fù)電極層305。

其中，第一負(fù)電極層、第二負(fù)電極層和正電極層為條狀，第一負(fù)電極層和第二負(fù)電極層平行設(shè)置，第一負(fù)電極層和第二負(fù)電極層分別與正電極層垂直交叉擺放，圖3(a)和圖3(b)示出了一負(fù)電極層和第二負(fù)電極層均為列電極條，正電極層303為行電極條的示例；第一負(fù)電極層和第二負(fù)電極層的對(duì)應(yīng)列短接并由導(dǎo)線306單獨(dú)引出，正電極層303的每行通過導(dǎo)線307單獨(dú)引出。

第一負(fù)電極層301、第二負(fù)電極層305和正電極層303均包括導(dǎo)電物質(zhì)，例如銅箔、導(dǎo)電布料、導(dǎo)電硅膠或柔性電路板等，優(yōu)選柔性電路板。其中，第一負(fù)電極層301和第二負(fù)電極層305可以采用相同材料，也可以采用不同材料。當(dāng)采用不同材料時(shí)，材料的硬度也可以不同，例如與人體皮膚貼合的電極層可以為導(dǎo)電布或?qū)щ姽枘z，這樣易于與人體皮膚貼合，而最外側(cè)的電極層可以是薄銅片，由于薄銅片硬度較好，能夠起到支撐作用。當(dāng)采用相同材料時(shí)，第一負(fù)電極層301和第二負(fù)電極層305可以單獨(dú)設(shè)置，也可以由同一負(fù)電極層彎折而成(可參考圖5(a))。

第一彈性介質(zhì)層302和第二彈性介質(zhì)層304電極為彈性可壓縮高分子材料，例如泡沫聚合物、聚氨酯、硅橡膠、熱塑性彈性體等。第一彈性介質(zhì)層302和第二彈性介質(zhì)層304一般采用相同材料，但不排除采用不同材料的情況。

本實(shí)施例從結(jié)構(gòu)上對(duì)傳統(tǒng)的壓容傳感器進(jìn)行了改造，由原來的雙電極層、單介質(zhì)層的單電容結(jié)構(gòu)，改造成三電極層、雙介質(zhì)層的雙電容疊層結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例中，兩個(gè)電容中共用正電極層，本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉，本實(shí)施例中兩個(gè)電容也可以共用負(fù)電極層。

壓容式傳感器主要通過檢測(cè)電容的變化值來衡量施加于傳感器表面的壓力值，電容變化主要取決于極板間距的變化。每個(gè)單電容結(jié)構(gòu)的電容變化值的計(jì)算公式如下：

其中，ε為介電質(zhì)的介電常數(shù)，a為電極板面積，c0為電容的初始值，d0為電容的初始極板間距，δd為極板間距變化值。

經(jīng)過本發(fā)明的電容疊層結(jié)構(gòu)改造后，對(duì)于雙電容疊層結(jié)構(gòu)，電容變化值的計(jì)算公式如下：

其中，c0為第一層電容的初始值，d0為第一層電容的初始極板間距，δd0為第一層電容極板間距變化值，c1為第二層電容的初始值，d1為第二層電容的初始極板間距，δd1為第二層電容極板間距變化值。

當(dāng)?shù)谝粚与娙莺偷诙与娙莸某跏贾迪嗟?，初始極板間距相等，且δd0＝δd1＝δd時(shí)：

因此，當(dāng)彈性介質(zhì)材料的介電和物理特性不變時(shí)，本發(fā)明提出的壓容傳感器在相同壓力下的形變是單傳感器的兩倍，此時(shí)，靈敏度相應(yīng)提高到原來的兩倍。同時(shí)，由于傳感器的整體可壓縮空間增大，這在一定程度上擴(kuò)大了傳感器的量程。

實(shí)施例2：

如圖4(a)和4(b)所示分別為本發(fā)明提出的另一種電容式觸覺傳感器的俯視圖和剖面圖。該電容式觸覺傳感器包括依次設(shè)置的下述各層：第一公共地電極層401、第一彈性介質(zhì)層402、傳感器陣列層403、第二彈性介質(zhì)層404和第二公共地電極層405。

其中，第一公共地電極層401與第二公共地電極層405分別從圖4(b)所示的上下兩側(cè)覆蓋傳感器陣列層403的所有傳感器陣列區(qū)域，且第一公共地電極層401與第二公共地電極層405導(dǎo)通。第一公共地電極層401和第二公共地電極層405包括導(dǎo)電物質(zhì)，例如銅箔、導(dǎo)電布料、導(dǎo)電硅膠或柔性電路等材料。

傳感器陣列層403的每一個(gè)傳感器感應(yīng)點(diǎn)通過各自的導(dǎo)線406引出到接插件407，最終連接到電容檢測(cè)芯片引腳。也可以傳感器感應(yīng)點(diǎn)直接在柔性電路板上與電容檢測(cè)芯片連接，不需要引出到接插件。傳感器陣列層403的實(shí)現(xiàn)方式可以是柔性電路，可以是涂有導(dǎo)電墨的柔性薄膜，甚至可以是由導(dǎo)電纖維和正常布料一起編織的布料。其中，傳感器陣列層的每一個(gè)陣元也是導(dǎo)電物質(zhì)，如銅片、導(dǎo)電墨或柔性電路板的焊盤等。

第一彈性介質(zhì)層402和第二彈性介質(zhì)層404電極為彈性可壓縮高分子材料，如泡沫聚合物、聚氨酯、硅橡膠和熱塑性彈性體等。

本實(shí)施例的觸覺傳感器也是三電極層、雙介質(zhì)層的疊層電容結(jié)構(gòu)，通過以疊層的形式構(gòu)成觸覺傳感器的一個(gè)壓力感應(yīng)點(diǎn)，當(dāng)有壓力施壓于傳感器表面時(shí)，兩個(gè)電容的電極板間距同時(shí)發(fā)生變化，相當(dāng)于兩個(gè)電容并聯(lián)起來。本實(shí)施例與實(shí)施例1提出的觸覺傳感器具有同樣的技術(shù)效果。與實(shí)施例1不同的是，本實(shí)施例的觸覺傳感器結(jié)構(gòu)更適合與單電極電容傳感芯片搭配使用，能夠降低電路成本，并且更容易制作和生產(chǎn)。

實(shí)施例3：

如圖5(a)和圖5(b)所示為基于實(shí)施例1的兩種擴(kuò)展方式的剖面圖。

圖5(a)所示電容式觸覺傳感器包括依次設(shè)置的第一負(fù)電極層501、第一彈性介質(zhì)層502、公共正電極層503、第二彈性介質(zhì)層504、第二負(fù)電極層505、第三彈性介質(zhì)層506、公共正電極層503以及公共負(fù)極導(dǎo)線507和公共正極導(dǎo)線508。在這種擴(kuò)展方式中，兩層公共正電極層503是由同一公共正電極層彎折而成。

圖5(b)所示電容式觸覺傳感器包括依次設(shè)置的公共負(fù)電極層509、第一彈性介質(zhì)層510、第一正電極層511、第二彈性介質(zhì)層512、公共負(fù)電極層509、第三彈性介質(zhì)層513、第二正電極層514、第四彈性介質(zhì)層515、公共負(fù)電極層509以及公共負(fù)極導(dǎo)線517和公共正極導(dǎo)線516。在這種擴(kuò)展方式中，三層公共負(fù)電極層509是由同一公共負(fù)電極層多次彎折而成。

本實(shí)施例中只示例性地提供了兩種增加疊層的方式，主要為了清楚闡述本發(fā)明的疊層結(jié)構(gòu)不限于三電極、雙介質(zhì)層的雙電容疊層結(jié)構(gòu)，也可以繼續(xù)增加疊層數(shù)目，例如為圖5(a)所示的三電容疊層結(jié)構(gòu)、圖5(b)所示的四電容疊層結(jié)構(gòu)。對(duì)于n層電容的電容變化值的計(jì)算公式如下：

其中，ci為第i層電容的初始值，di為第i層電容的初始極板間距，δdi為第i層電容極板間距變化值，n為電容的層數(shù)。

疊層的方式推薦以外層接負(fù)極(或地極)、內(nèi)層接正極為準(zhǔn)，因?yàn)橥鈱油ǔ＝佑|人體，將人體與電路共地可以起到屏蔽電磁干擾的作用，但是并不排除外層接正極、內(nèi)層接負(fù)極(或地級(jí))的情形，只是外層接正極時(shí)，需增加防護(hù)措施或屏蔽手段。

與前述相同的內(nèi)容在本實(shí)施例中不再贅述。

實(shí)施例4：

如圖6(a)和圖6(b)所示為基于實(shí)施例2的一種擴(kuò)展方式的示意圖。

圖6(a)中所示的電容式觸覺傳感器包括依次設(shè)置的公共地電極層601、第一彈性介質(zhì)層602、第一傳感器陣列層603、第二彈性介質(zhì)層604、公共地電極層601、第三彈性介質(zhì)層605、第二傳感器陣列層606、第四彈性介質(zhì)層607和公共地電極層601。

其中，第一傳感器陣列層603和第二傳感器陣列層606位于相同位置、上下對(duì)應(yīng)的傳感器感應(yīng)點(diǎn)兩兩短接，如圖6(b)所示。短接線608在傳感器邊緣處連接或者在集成有電容檢測(cè)芯片的電路板上短接。公共地電極層601是一整塊柔性導(dǎo)電材料，如導(dǎo)電布、銅箔或?qū)щ姽枘z等。本實(shí)施例示出了公共地電極層共用同一地電極層的實(shí)例，也可以如前述的單獨(dú)設(shè)置。

本實(shí)施例的擴(kuò)展方式與實(shí)施例3的擴(kuò)展方式不同之處在于，本實(shí)施例再擴(kuò)展出的電容層數(shù)為2n，n為大于1的正整數(shù)，例如圖6所示的4層；而實(shí)施例3再擴(kuò)展出的電容層數(shù)為m，m為大于2的正整數(shù)，例如圖5(a)所示的3層，圖5(b)所示的4層。其他與前述相同的內(nèi)容在本實(shí)施例中不再贅述。

實(shí)施例5：

本實(shí)施例在實(shí)施例4的基礎(chǔ)上增加了拓展結(jié)構(gòu)，該拓展結(jié)構(gòu)包括依次設(shè)置的彈性介質(zhì)層、傳感器陣列層、彈性介質(zhì)層以及公共地電極層；拓展結(jié)構(gòu)外側(cè)的彈性介質(zhì)層緊鄰第一公共地電極層設(shè)置，或者緊鄰第二公共地電極層設(shè)置。

該拓展結(jié)構(gòu)可以在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再增加，增加的拓展結(jié)構(gòu)中位于外側(cè)的彈性介質(zhì)層緊鄰目前的傳感器結(jié)構(gòu)的最外側(cè)的公共地電極層設(shè)置。

其他與前述相同的內(nèi)容在本實(shí)施例中不再贅述。

另外，上述各實(shí)施例中的電容式觸覺傳感器的最外層也可設(shè)置屏蔽層或絕緣層。

需要指出的是，本發(fā)明所述實(shí)施例僅為示意性說明，并不限制傳感器的數(shù)量、材料、布局形式和電路實(shí)現(xiàn)。任何電容式觸覺傳感器，但凡是采用了疊層式電容檢測(cè)思想的，均在本發(fā)明保護(hù)的范圍之列。