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(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[0002] 電容式觸覺傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、靈敏度高以及動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點， 尤其是對高溫、輻射、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年代以來，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，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(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅?。壓力傳感器都?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乘以40壓敏電阻矩陣，不能進行三維力計算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明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(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(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8&和右差位6$， b〇?=h感+ 5右+Ss，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6;&，且5，|.:2(1 ()_^，其中d(l為彈性介質(zhì)厚度，G為彈性介 質(zhì)的抗剪模量，為最大應(yīng)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(qū)動電極和感應(yīng)電極沿寬度方向設(shè)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(jié)構(gòu)包括20個以上條狀電容單元、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= 其中，M為條狀電容 單元數(shù)量，h為條狀電容單元的長度，a(l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(lián)或者獨立連接到控制單元。所述條狀電容單元的寬度aQ =#， Li 其中，屯為彈性介質(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 單元和電容單元模塊之間設(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三維力傳感器的靈敏度，轉(zhuǎn)換精度以及 觸覺傳感系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，設(shè)計出了以PCB板為平行板電極和PDMS為基材的介質(zhì) 層，平面尺寸為lOXIOmm2的組合式電容敏感器件。本發(fā)明在通過電容測量三維力的基礎(chǔ) 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(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】的條狀電容單元對的初始錯位圖。
[0012] 圖6是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元對受力后偏移圖。
[0013] 圖7是本發(fā)明的【具體實施方式】的平行板三維力壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。
[0014] 圖8是本發(fā)明的【具體實施方式】的平行板三維力壓力傳感器驅(qū)動電極結(jié)構(gòu)圖。
[0015] 圖9是本發(fā)明的【具體實施方式】的平行板三維力壓力傳感器感應(yīng)電極結(jié)構(gòu)圖。
[0016] 圖10是本發(fā)明的【具體實施方式】的通過相同傳遞系數(shù)K實現(xiàn)輸出響應(yīng)求和。
[0017] 圖11是本發(fā)明的【具體實施方式】的單元電容對的信號差動示意圖。
[0018] 圖12是本發(fā)明的【具體實施方式】的平行板電容器剖面結(jié)構(gòu)。
[0019] 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】
[0020] 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】如所涉及的各構(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，以幫助本領(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。
[0021] 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，所述電容單元模塊采用由兩個以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S左和右差位S右，b0驅(qū)=b0感+S右+S左，其中，b0驅(qū)為條狀 電容單元的驅(qū)動電極長度，bg為條狀電容單元的感應(yīng)電極長度。所述差位，且 5A._ 2 其中d(1為彈性介質(zhì)厚度，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量，t_為最大應(yīng)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(qū)動電極和感應(yīng)電極沿寬度方向 設(shè)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(jié)構(gòu)包括20個以上條狀電 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=Mfefajlv其中，M為所有條狀電容單元數(shù)量，h為條狀電容單元的 長度，％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(lián)或 者獨立連接到控制單元。所述條狀電容單元的寬度:知=$，其中，士為介質(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。所述控制單元和電容單元模塊之間設(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)。
[0022] 1、條狀電容單元的轉(zhuǎn)換特性<