一种接触式平行板三维力压力传感器
阅读：682发布：2020-07-14
专利汇可以提供一种接触式平行板三维力压力传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 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。，下面是一种接触式平行板三维力压力传感器专利的具体信息内容。
1.一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。
2.根据权利要求1所述的接触式平行板三维力压力传感器，其特征在于,所述电容单元模块包括由两个以上宽度a0长度b0的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ka0长度b0的条状电容单元组成的第二条状电容单元组。
3.根据权利要求1所述的接触式平行板三维力压力传感器，其特征在于,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δ左和右差位δ右，δ0驱＝b0感+δ右+δ左，其中，b0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b0感为条状电容单元的感应电极长度。
4.根据权利要求3所述的接触式平行板三维力压力传感器，其特征在于，所述差位δ左＝δ右，且 其中d0为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τmax为最大应力值。
5.根据权利要求1所述的接触式平行板三维力压力传感器，其特征在于,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aδ。
6.根据权利要求5所述的接触式平行板三维力压力传感器，其特征在于，所述平行板面积S＝M(a0+2aδ+ka0)b0/2，其中，M为条状电容单元数量，b0为条状电容单元的长度，a0条状电容单元的宽度。
7.根据权利要求2所述的接触式平行板三维力压力传感器，其特征在于,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方式连接到控制单元。
8.根据权利要求2所述的接触式平行板三维力压力传感器，其特征在于,所述条状电容单元的宽度 其中，d0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。
9.根据权利要求2所述的接触式平行板三维力压力传感器，其特征在于,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分别设有中间变换器，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。
一种接触式平行板三维力压力传感器
技术领域
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×10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。
发明内容
[0003] 为了克服以上现有技术的不足，本发明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。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：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a0长度b0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ka0长度b0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δ左和右差位δ右，b0驱＝b0感+δ右+δ左，其中，b0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b0感为条状电容单元的感应电极宽度。所述差位δ左＝δ右，且 其中d0为介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τmax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aδ。所述平行板面积S＝M(a0+2aδ+ka0)b0/2，其中，M为条状电容单元数量，b0为条状电容单元的长度，a0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度 其中，d0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。
[0005] 本发明有益效果是：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2
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10×10mm的组合式电容敏感器件。本发明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a0和Ka0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
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10×10mm的组合式电容敏感器件。本发明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a0和Ka0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
[0007] 图1是本发明的具体实施方式的条状电容单元及其坐标系。
[0008] 图2是本发明的具体实施方式的条状电容单元示意图。
[0009] 图3是本发明的具体实施方式的条状电容单元右向偏移示意图。
[0010] 图4是本发明的具体实施方式的条状电容单元左向偏移示意图。
[0011] 图5是本发明的具体实施方式的宽度为a0和ka0的电容对受力偏移图。
[0012] 图6是本发明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是本发明的具体实施方式的平行板电容器剖面结构。
[0015] 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
[0016] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明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发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
[0017] 如图4-6为本发明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a0长度b0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ka0长度b0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δ左和右差位δ右，b0驱＝b0感+δ右+δ左，其中，b0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b0感为条状电容单元的感应电极长度。所述差位δ左＝δ右，且 其中d0为介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τmax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aδ。所述平行板面积S＝M(a0+2aδ+ka0)b0/2，其中，M为条状电容单元数量，b0为条状电容单元的长度，a0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 其中，d0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。
[0018] 1、条状电容单元的转换特性
[0019] (1)激励信号和坐标系
[0020] 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b0、宽度a0、介质厚度d0。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 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σn＝Fn/A，其中A＝a0·b0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τx＝Fx/A，τy＝Fy/A。
[0021] 根据弹性力学中的虎克定律，σn和τx，τy都将使弹性体产生相应的变形。其中，[0022]
[0023]
[0024]2
[0025] 式中，E为弹性介质的杨氏模量(单位：GN/m)，G为弹性介质的抗剪模量(单位：2
GN/m)，δn为弹性介质的法向位移(单位：μm)，而δx和δy为电容器上下两极板的相对错位(单位：μm)，其正负号由坐标轴指向决定。
GN/m)，δn为弹性介质的法向位移(单位：μm)，而δx和δy为电容器上下两极板的相对错位(单位：μm)，其正负号由坐标轴指向决定。
[0026] (2)电容公式及其输入输出特性
[0027] 矩形平行板电容器的初始电容为：
[0028]
[0031] (3)法向应力作用下的线性度和灵敏度
[0032] a、法向线性度
[0033] 在(5)式中Fn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σnmax与介质弹性常数E相比，εn是个很小的量，即分母中εn＜＜1，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：
[0034]
[0035] 可见在Cn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。
[0036] b、灵敏度
[0037] 按法向灵敏度的定义
[0038] 按(6)式可得线性灵敏度，
[0039]
[0040] 而按(5)式则
[0041]
[0042] Sn2随Fn而变，Fn愈大，Sn2愈大，在整个转换特性上呈轻微非线性。
[0043] (4)切向应力τx和τy激励下的电容变化
[0044] 切向应力τx和τy并不改变极板的几何尺寸参数b0和a0，对介质厚度d0也不产生影响。然而τx和τy改变了条状电容单元的空间结构，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τx作用下的错位偏移δx。
[0045] 在图2中当τx为零时，a0上＝a0下是正对的，基板之间有效截面Aτ＝a0·b0；在图3中，在τx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δx，从而使上下极板之间在计算电容时的有效面积Aτ＝(a0-δx)·b0；图4中，当τx为左向时，错位偏移δx则向左，而Aτ＝(a0-δx)·b0，τx在左向和右向时，有效面积的减少量相同，由此产生的电容为：
[0046]
[0047] 根据剪切虎克定律
[0048] τx＝γx·G＝G·δx/d0 (10)
[0049] 将(10)代入(9)可得
[0050]
[0051] (11)式即为切应力下的输入-输出特性，Cτ与τx呈线性关系。
[0052] 而其灵敏度
[0053]
[0054] 公式(9)-(12)类似的分析同样适用与τy与Cτy的特性与技术指标，只不过式中条状电容单元的长边b0应设置于OX轴方向，而其短边a0则在OY方向。
[0055] 2、接触式平行板电容设计
[0056] (1)平行板电容的平面设计
[0057] 设定的原始指标法向最大接触应力σnmax为200Kpa，如果法向受力A为正方形2
10×10mm，则最大法向力FZmax为σnmax·A＝20N。切向最大接触应力τmax为70Kp，切向应
2
力的受力分布面均为10×10mm，则最大切向力分量Fxmax＝Fymax＝τmax·A＝7N。
10×10mm，则最大法向力FZmax为σnmax·A＝20N。切向最大接触应力τmax为70Kp，切向应
2
力的受力分布面均为10×10mm，则最大切向力分量Fxmax＝Fymax＝τmax·A＝7N。
[0058] 图3和图4所示的条状电容单元结构性变化，只说明电容输出与切向应力±τx输入的关系，电容增量都是负的，因此这种初始电容结构不适宜作为对±τx得到增减电容的响应。为此本发明对条状电容单元上下极板的初始结构进行调整，宽度为a0和ka0的条状电容单元构成一对电容单元对(CL与CR)，具体如图5所示。
[0059] 图5中，电容单元CL和CR电极尺寸b0、d0均相同，宽度一个为a0，一个为ka0，其中k为常数，优选大于1的整数。当τx＝0时，CL＝C0，CR＝kC0，在此基础上如在Fx激励下产生δx的错误偏移，将会形成如图3或4所示的偏移效果。
[0060]
[0061]
[0062] CL和CR电容单元对在同一个τx将产生δx和ΔCτ的响应。
[0064]
[0065] 式中， 为切应力为零时的初始电容，上式即为切应力输入输出特性，Cτx与Fx是线性关系，而其灵敏度2
[0066] 参见图6的电极平面布置，在一个10×10mm的基板中心作十字分隔，形成四个象限，右上第一象限I、左上第二象限II、左下第三象限III、右下第四象限IV，其中I、III象限为对τx做出响应的电容单元组合，而II、IV象限为对τy做出响应的电容单元组合。外2
围线为10×10mm的PCB板四根边缘线，影线部分表示失蜡铸造工艺的外模截面。将感应电极在下层PCB基板上的位置作为参照，则驱动电极在上层PCB基板上的布置应以PCB基板边缘线为基准。图中四个虚线方框为感应电极在下极板上的基准，置他们与几何基准线差距均为δ0(0.1mm)。
围线为10×10mm的PCB板四根边缘线，影线部分表示失蜡铸造工艺的外模截面。将感应电极在下层PCB基板上的位置作为参照，则驱动电极在上层PCB基板上的布置应以PCB基板边缘线为基准。图中四个虚线方框为感应电极在下极板上的基准，置他们与几何基准线差距均为δ0(0.1mm)。
[0067] 电容单元模块采用梳齿结构，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。由公式(12)a0愈小，切向应力响应的灵敏度越大，故单个电容单元均为长条状。设每根条状电容单元宽为a0，两条状电容之间的槽宽为aδ，则每根条状电容单元的节距为ka0+a0+2aδ。为了充分利用方形基板的平面空间，M(ka0+a0+2aδ)b0/2≈1方形基板面积，M为条状电容数量，则有M(ka0+a0+2aδ)＝20mm，式中，槽宽aδ不宜过大，否则不利于使用基板上的有效平面空间，也不宜过小，要受到失蜡铸造工艺的约束。为使法向灵敏度Sn和切向灵敏度Sτ相等，按公式(7)和(12)，令a0·G＝d0·E，当d0＝0.1mm，k＝1.5时，从而可以求出M。
[0068] 为了实现τx和τy切向响应之间不相互产生影响，条状电容单元的驱动电极长度两端预留差位δ0，因此b0驱＝b0底+2·δ0，其中在b0驱两端长度预留差位理论上应保证其计算值为 故在工艺上应保证b0驱-b0底≥0.01mm。这样在计算法向电容输出响应时，保证τx和τy不对法向电容响应产生任何影响。
[0069] 为了实现τx和τy不对法向电容响应产生任何影响，宽度为a0和ka0的条状电容单元构成一对电容单元对(CL与CR)进行公示推算消除相互之间的影响。保证τx在I、III象限电容单元产生对τx的电容响应，而在II、IV象限电容单元则产生对τy的电容响应，以保证四个象限中的电容单元在τx和τy切向激励下能产生两组差动电容对。
[0070] (2)法向应力和切向力的计算
[0071] 设图5中宽度为a0的条状电容单元在受到切向力τx，产生一个切向位移dx后的输出电容值为C1，宽度为ka0的条状电容单元在受到切向力τx，产生一个切向位移dx后的输出电容值为C2，则有：
[0072]
[0073]
[0074] 由(15)-(16)得到：
[0075] 计算得到：
[0076]
[0077] 由(15)*k-(16)得到：
[0078] 将(17)代入上式，可以得到：
[0079]
[0080] 根据
[0081] 可知：
[0082] 由 所以
[0083] 上式中，无论是法向激励Fn或切向激励Fy均不对Oτ产生影响。即自动消除了σn和τy对τx的总输出的耦合或干扰，因为凡是在信号包含相减的运算中，等量和同符号的电容变化都自动消除。而Fy和Fx对σn的干扰可通过上层电极在b0方向增加几何长度2δ0消除。同理可以求出Fτy。
[0084] (4)主要材料选择及其特性参数
[0085] 梳齿状平行板电容器的结构剖面图类似于图8所示的三明治结构，图8中1为上PCB基板，2为下PCB基板，3为驱动电极，4为感应电极，5为弹性介质。极板距d0＝0.1mm，上下基板内侧空间除铜箔电极外，均为用失蜡铸造法充填的PDMS(聚二甲基硅氧烷)超弹绝缘介质。其机械和物理特性参数为杨氏模量E＝6.2MPa，而其抗剪弹性模量为G＝4.1MPa，介质极化时相对介电常数εγ＝2.5。由于介质的E和G远小于铜的弹性模量E铜＝103GPa，故电容器内部介质在应力状态下的变形远大于极板的变形。
[0086] (5)电极引线设计
[0087] 无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线，考虑各个驱动电极在信号电平上都是接地的，故四组驱动电极只需共用同一个引出线。而四个第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的感应电极则需用各自独立的引出线，于是整个电容组件共有至少5个管脚从平面封装的侧面引出，四个感应电极是指X方向宽度为a0的感应电极和宽度为ka0的感应电极，以及Y方向宽度为a0的感应电极和宽度为ka0的感应电极，以便整个组件顶部与底部外表面能方便地与测量对象接触。本发明在新材料和新工艺的支撑下，完成了一种新型2
三维力敏感电容组合的设计，在10×10mm的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较均匀的传递应力。文中四个单元电容呈两对组合分布。在空间力与传感器表面的接触中外力只有1个，电容响应却有4个，整个电极板都对求Fn做出贡献，同时将两对电容组合组成系统，又可获得Fx和Fy的信息，从而完整描述一个三维力。
三维力敏感电容组合的设计，在10×10mm的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较均匀的传递应力。文中四个单元电容呈两对组合分布。在空间力与传感器表面的接触中外力只有1个，电容响应却有4个，整个电极板都对求Fn做出贡献，同时将两对电容组合组成系统，又可获得Fx和Fy的信息，从而完整描述一个三维力。
[0088] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈