一种接触式平行板差动三维力压力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于压力传感器技术领域，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。
【背景技术】
[0002] 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。 【实用新型内容】
[0003] 为了克服以上现有技术的不足，本实用新型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。
[0004] 为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：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Ss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，b0感为条状电容
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a5。所述平行板面积S=M(a(]+a5)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
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。
[0005] 本实用新型有益效果是：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IOXlOmm2的组合式电容敏感器件。本实用新型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】
[0006] 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：
[0007]图1是本实用新型的【具体实施方式】的条状电容单元及其坐标系。
[0008]图2是本实用新型的【具体实施方式】的条状电容单元示意图。
[0009] 图3是本实用新型的【具体实施方式】的条状电容单元右向偏移示意图。
[0010] 图4是本实用新型的【具体实施方式】的条状电容单元左向偏移示意图。
[0011]图5是本实用新型的【具体实施方式】的条状电容单元对的初始错位图。
[0012]图6是本实用新型的【具体实施方式】的条状电容单元对受力后偏移图。
[0013] 图7是本实用新型的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器结构图。
[0014] 图8是本实用新型的【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。
[0015] 图9是本实用新型的【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。
[0016] 图10是本实用新型的【具体实施方式】的通过相同传递系数K实现输出响应求和。
[0017]图11是本实用新型的【具体实施方式】的单元电容对的信号差动示意图。
[0018] 图12是本实用新型的【具体实施方式】的平行板电容器剖面结构。
[0019] 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】
[0020] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本实用新型的【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实用新型的实用 新型构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
[0021] -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+5右+ 5左，其中，b0驱为条状 电容单元的驱动电极长度，Wig为条状电容单元的感应电极长度。所述差位Ss= ，且
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a5。 所述平行板面积S=M(a(]+a5)b。，其中，M为所有条状电容单元数量，b。为条状电容单元的 长度，a。条状电容单元的宽度。所述电容单元模块的每个条状电容单元的引线通过并联或
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。
[0022] 1、条状电容单元的转换特性
[0023] (1)激励信号和坐标系
[0024] 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。、弹性介 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g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的响应；法向应力〇 n=Fn/A， 其中A=a。^b。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 TX=Fx/A，Ty=Fy/A〇
[0025] 根据弹性力学中的虎克定律，〇"和Tx，Ty都将使弹性体产生相应的变形。其中，
[0029]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)，Sn为弹性介质的法向位移（单位：ym)，而SX和Sy为条状电容单元上下两极 板的相对错位（单位：ym)，其正负号由坐标轴指向决定。
[0030] (2)电容公式及其输入输出特性
[0031] 矩形平行板电容器的初始电容为：
[0033] 式中，￡。真空介质电常数为8.85PF/m，er= 2. 5为电介质的相对介电常数。d。 受〇n的激励产生相对变形en=Sn/d。= 〇n/E，代入⑷得到输入输出特性
[0035] (3)法向应力作用下的线性度和灵敏度
[0036] a、法向线性度
[0037] 在（5)式中？"在分母中，故Cn=f(Fn)的关系是非线性的，因转换量程中的最大 值〇n_与介质弹性常数E相比，en是个很小的量，即分母中en〈〈l，将（5)按级数展开并 略去二次方以上的高阶无穷小，（5)式可简化为：
[0039] 可见在(；与Fn的转换特性中的法向线性度的最大相对误差接近于零。
[0040] b、灵敏度
[0046] Sn2? Fn而变，Fn愈大，Sn2愈大，在整个转换特性上呈轻微非线性。
[0047] (4)切向应力TjPTy激励下的电容变化
[0048] 切向应力TjPT￥并不改变极板的几何尺寸参数b。和a。，对介质厚度d。也不产 生影响。然而TJPTy改变了平行板电容器的空间结构，正向面对的上下极板之间发生了 错位偏移。现以OX方向为例，极板在Tx作用下的错位偏移Sx。
[0049] 在图2中当T零时，a。上=a。下是正对的，基板之间有效截面At= a。?b。;在 图3中，在Tx右向的作用下，上极板相对于下极板产生了向右的错位偏移Sx，从而使上下 极板之间在计算电容时的有效面积At = (a。_ 5 x) ?b。;图4中，当T 左向时，错位偏移 SJlJ向左，而At=(afSJ*b。，有效面积的减少量相同，由此产生的电容为：
[0058]公式（9)-(12)类似的分析同样适用与T#CTy的特性与技术指标，只不