一種接觸式平行板三維力壓力傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及電容式=維力壓力傳感器，具體設(shè)及一種 接觸式平行板=維力壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 電容式觸覺傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、靈敏度高W及動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點，尤 其是對高溫、福射、強振等惡劣條件的適應(yīng)性比較強。但是，該類型的傳感器輸出一般會表 現(xiàn)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(chǎn)生影 響。上世紀(jì)70年代W來，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了與微型測量儀表封裝在一起的 電容式傳感器，該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(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅?。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(yīng)腳底壓力分布點的薄膜壓 力傳感器；CN201010230489. 3采用的是8列X10行的矩陣壓力傳感器，CN2012102984097 采用的40乘W40壓敏電阻矩陣，不能進行S維力計算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服W上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種接觸式平行板=維力壓力傳感 器，通過電容組合，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(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為；一種接觸式平行板=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方向電容單元組和Y方向電容單 元組，所述X方向電容單元組和Y方向電容單元組均包括電容單元模塊，所述電容單元模塊 采用由兩個W上的條狀電容單元組成的梳齒狀結(jié)構(gòu)，每個條狀電容單元包括上極板的驅(qū)動 電極和下極板的感應(yīng)電極。所述電容單元模塊包括由兩個W上寬度a。長度b。條狀電容單 元組成的第一條狀電容單元組和兩個W上寬度ka。長度b。條狀電容單元組成的第二條狀電 容單元組。所述每個條狀電容單元的驅(qū)動電極和感應(yīng)電極寬度相同，驅(qū)動電極的長度大于 感應(yīng)電極長度，驅(qū)動電極長度兩端分別預(yù)留左差位Sg和右差位5右，b〇驅(qū)=b〇感+5右+ 5 t，其中，為條狀電容單元的驅(qū)動電極長度，為條狀電容單元的感應(yīng)電極寬度。所述 差位5左=5右，且S',.. >d【)? 其中d〇為介質(zhì)厚度，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量，Tmax為 最大應(yīng)力值。所述梳齒狀結(jié)構(gòu)包括20個W上條狀電容單元、與條狀電容單元一一對應(yīng)連接 的引線，相鄰兩條狀電容單元之間設(shè)有電極間距as。所述平行板面積S=M(au+2as+ka。） ba/2,其中，M為條狀電容單元數(shù)量，b。為條狀電容單元的長度，a。條狀電容單元的寬度。所 述第一條狀電容單元組和第二條狀電容單元組的條狀電容單元引線通過并聯(lián)方式或者獨 立連接到控制單元。所述條狀電容單元的寬度a〇 =^，其中，d。為條狀電容單元介質(zhì)厚 度，E為彈性介質(zhì)的楊氏模量，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量。所述控制單元和電容單元之間設(shè) 有中間變換器，中間變換器用于設(shè)置電壓對電容或頻率對電容的傳輸系數(shù)。
[0005] 本發(fā)明有益效果是；為了提高接觸式電容=維力傳感器的靈敏度、可靠性和穩(wěn)定 性，設(shè)計出了WPCB板為平行板電極和PDMS為基材的介質(zhì)層，平面尺寸為10XIOmm2的組合 式電容敏感器件。本發(fā)明在通過電容測量=維力的基礎(chǔ)上，有效使用平板單用的使用面積， 并且通過設(shè)置預(yù)留差位、設(shè)置兩組寬度為a。和Ka。的條狀電容單元等方法有效解決S維力 間相互影響，使法向與切向轉(zhuǎn)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(nèi)容及圖中的標(biāo)記作簡要說明：
[0007] 圖1是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元及其坐標(biāo)系。
[0008] 圖2是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元示意圖。
[0009] 圖3是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元右向偏移示意圖。
[0010] 圖4是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元左向偏移示意圖。
[0011] 圖5是本發(fā)明的【具體實施方式】的寬度為a。和ka。的電容對受力偏移圖。
[0012] 圖6是本發(fā)明的【具體實施方式】的平行板=維力壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。
[0013] 圖7是本發(fā)明的【具體實施方式】的單元電容對的信號示意圖。
[0014] 圖8是本發(fā)明的【具體實施方式】的平行板電容器剖面結(jié)構(gòu)。
[00巧]其中，1、上PCB基板，2、下PCB基板，3、驅(qū)動電極，4、感應(yīng)電極，5、彈性介質(zhì)。
【具體實施方式】
[0016] 下面對照附圖，通過對實施例的描述，本發(fā)明的【具體實施方式】如所設(shè)及的各構(gòu)件 的形狀、構(gòu)造、各部分之間的相互位置及連接關(guān)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(xì)的說明，W幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思、技術(shù) 方案有更完整、準(zhǔn)確和深入的理解。
[0017] 如圖4-6為本發(fā)明壓力傳感器的極板結(jié)構(gòu)圖，一種接觸式平行板=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方向電容單元組和Y方向電容單元 組，所述X方向電容單元組和Y方向電容單元組均包括電容單元模塊，所述電容單元模塊采 用由兩個W上的條狀電容單元組成的梳齒狀結(jié)構(gòu)，每個條狀電容單元包括上極板的驅(qū)動電 極和下極板的感應(yīng)電極。所述電容單元模塊包括由兩個W上寬度a。長度b。條狀電容單元 組成的第一條狀電容單元組和兩個W上寬度ka。長度b。條狀電容單元組成的第二條狀電容 單元組。所述每個條狀電容單元的驅(qū)動電極和感應(yīng)電極寬度相同，驅(qū)動電極的長度大于感 應(yīng)電極長度，驅(qū)動電極長度兩端分別預(yù)留左差位5左和右差位5右，b〇驅(qū)=b〇感+5右+ 5左， 其中，為條狀電容單元的驅(qū)動電極長度，為條狀電容單元的感應(yīng)電極長度。所述差 位5左=5右，且S',.. >d()'：^，庚中do為介質(zhì)厚度，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量，Tmax為最大 應(yīng)力值。所述梳齒狀結(jié)構(gòu)包括20個W上條狀電容單元、與條狀電容單元一一對應(yīng)連接的引 線，相鄰兩條狀電容單元之間設(shè)有電極間距as。所述平行板面積S=M(au+2as+kau)by2， 其中，M為條狀電容單元數(shù)量，b。為條狀電容單元的長度，a。條狀電容單元的寬度。所述第 一條狀電容單元組和第二條狀電容單元組的條狀電容單元引線通過并聯(lián)或者獨立連接到 控制單元。所述條狀電容單元的寬度a〇 =^，其中，d。為介質(zhì)厚度，E為彈性介質(zhì)的楊氏模 量，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量。所述第一條狀電容單元組和第二條狀電容單元組與控制單 元之間設(shè)有中間變換器，中間變換器用于設(shè)置電壓對電容或頻率對電容的傳輸系數(shù)。
[001引1、條狀電容單元的轉(zhuǎn)換特性
[0019] (1)激勵信號和坐標(biāo)系
[0020] 將條狀電容單元置于圖1所示的直角坐標(biāo)系中，極板平面長度b。、寬度a。、介質(zhì)厚 度d。。S維激勵施加于電容極板的外表面，產(chǎn)生的接觸式作用力具有Fx、巧和Fz S個方 向分量，F(xiàn)x和巧的作用方向沿X軸和Y軸，F(xiàn)z的作用方向沿OZ軸即S方向，法向和切向應(yīng) 力均為一種應(yīng)力張量，從電極的引線間即可輸出電容響應(yīng)；法向應(yīng)力0。=Fn/A，其中A= a。'b。為極板法向受力面，化=Fz為法向分量；兩側(cè)表面上產(chǎn)生成對的切向應(yīng)力TX=Fx/ A，Ty=Fy/A。
[0021] 根據(jù)彈性力學(xué)中的虎克定律，O。和Ty，Ty都將使彈性體產(chǎn)生相應(yīng)的變形。其中，
[002引式中，E為彈性介質(zhì)的楊氏模量（單位；GN/i。，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量（單位；GN/m2)，Sn為彈性介質(zhì)的法向位移（單位：ym)，而Sx和Sy為電容器上下兩極板的相 對錯位（單位：ym)，其正負(fù)號由坐標(biāo)軸指向決定。
[0026] (2)電容公式及其輸入輸出特性
[0027] 矩形平行板電容器的初始電容為：
[0028]
[002引式中，e0真空介質(zhì)電常數(shù)為8. 85PF/m，et= 2. 5為電介質(zhì)的相對介電常數(shù)。d。 受。。的激勵產(chǎn)生相對變形e。二5。/屯=。。/6,代入（4)得到輸入輸出特性
[0030]
[0031] (3)法向應(yīng)力作用下的線性度和靈敏度
[0032] a、法向線性度
[003引在妨式中F。在分母中，故C"=f(F。）的關(guān)系是非線性的，因轉(zhuǎn)換量程中的最大 值0n"x與介質(zhì)彈性常數(shù)E相比，e。是個很小的量，即分母中e。<< 1，將妨按級數(shù)展 開并略去二次方W上的高階無窮小，（5)式可簡化為：
[0034]
(6)
[0035] 可見在C。與F。的轉(zhuǎn)換特性中的法向線性度的最大相對誤差接近于零。
[003引 b、靈敏度
[0042] 隨F。而變，F(xiàn)。愈大，S"2愈大，在整個轉(zhuǎn)換特性上呈輕微非線性。
[0043] (4)切向應(yīng)力Tx和Ty激勵下的電容變化
[0044] 切向應(yīng)力TX和Ty并不改變極板的幾何尺寸參數(shù)b。和a。，對介質(zhì)厚度d。也不產(chǎn) 生影響。然而Ty和Ty改變了條狀電容單元的空間結(jié)構(gòu)，正向面對的上下極板之間發(fā)生了 錯位偏移。現(xiàn)WOX方向為例，極板在Ty作用下的錯位偏移5y。
[004引在圖2中當(dāng)TX為零時，a0上=a0下是正對的，基板之間有效截面At=a0'b0;在圖 3中，在Ty右向的作用下，上極板相對于下極板產(chǎn)生了向右的錯位偏移5y，從而使上下極 板之間在計算電容時的有效面積At= (3。-5,) .b。;圖4中，當(dāng)TX為左向時，錯位偏移5X 則向左，而At= (a。-5J.b。，Ty在左向和右向時，有效面積的減少量相同，由此產(chǎn)生的電 容為：
[005。 （11)式即為切應(yīng)力下的輸入-輸出特性，Ct與TX呈