的響應(yīng)。 為此本發(fā)明對(duì)電容器上下極板的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，構(gòu)成一對(duì)差動(dòng)電容對(duì)（(^與C k)，具體 如圖6所示。
[0069] 圖6中，一對(duì)電容Q和Ck電極尺寸a C^Vdci均相同，初始錯(cuò)位偏移δ ^也相同，區(qū) 別在于左邊電容器CJl層δ。尖角的指向?yàn)?〇Χ，而右邊電容器Ck上層δ。尖角指向-0Χ。
[0070] 當(dāng)^=〇時(shí)，
[，即圖中陰影部分所對(duì)應(yīng)的電容， 在此基礎(chǔ)上如在-Fx激勵(lì)下產(chǎn)生± δ χ的錯(cuò)誤偏移，形成如圖7所示的電容增減效果。
(13)
[0072] 圖7中C# C κ差動(dòng)電容對(duì)同一個(gè)τ χ將產(chǎn)生± δ χ和土 Λ C τ的響應(yīng)。
[0073] δ。的大小應(yīng)滿足
可取δ。= 1〇 μπι，由此，公式（11)可 修改為
(14) -為切應(yīng)力為零時(shí)的初始電容，（14)式即為切應(yīng)力輸入 輸出特性，(:^與Fx是線性關(guān)系，而其靈敏度
[0076] 2、接觸式平行板電容設(shè)計(jì)
[0077] (1)平行板電容的平面設(shè)計(jì)
[0078] 參見圖8、圖9和圖10中的電極平面布置，在一個(gè)IOXlOmm2的基板中心作十字分 隔，形成四個(gè)象限I、II、III、IV，其中I、11象限為對(duì)^做出響應(yīng)的差動(dòng)電容單元組合，而 III、IV象限為對(duì)^做出響應(yīng)的差動(dòng)電容單元組合。外圍線為IOX IOmm2的PCB板四根邊緣 線，對(duì)PCB基板應(yīng)精確切割以保證形狀和尺寸上的精準(zhǔn)。影線部分表示失蠟鑄造工藝的外 模截面，其幾何形狀和尺寸也應(yīng)在機(jī)械成型時(shí)保持精準(zhǔn)，為脫模方便并可拼拆，更應(yīng)維持尺 寸精度，最終以保證消除三維力對(duì)電容響應(yīng)的相互干擾。
[0079] 電容單元模塊采用由兩個(gè)以上的條狀電容單元組成的梳齒狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)條狀電容 單元包括上極板的驅(qū)動(dòng)電極和下極板的感應(yīng)電極。由公式愈小，切向應(yīng)力響應(yīng)的 靈敏度越大，故單個(gè)電容均為長條狀。設(shè)每根條狀電容單元寬為％，兩條狀電容單元之間 的槽寬為a s，則每根條狀電容單元的節(jié)距為a(l+as。為了充分利用方形基板的平面空間， 使MfefaJb產(chǎn)1方形基板表面積，M為4個(gè)象限內(nèi)的條狀電容單元數(shù)，則有M(Bfa s)= 2*10mm，式中，槽寬&5不宜過大，否則不利于使用基板上的有效平面空間，也不宜過小，要 受到失蠟鑄造工藝的約束。為使法向靈敏度S n和切向靈敏度S τ相同，按公式（7)和（12)， 令 a。.G = d?！う?，當(dāng) d。= 0· Imm 時(shí)，則 a Q= 0· 15mm，若令 a s = 0· 05mm，則 M = 100,每個(gè)象 限有25個(gè)條狀電容單元。
[0080] 為了實(shí)現(xiàn)τ，τ凋向響應(yīng)之間不相互產(chǎn)生影響，驅(qū)動(dòng)電極長度兩端預(yù)留δ ^ 因此b_ = +2 · δ ^，其中在兩端長度預(yù)留理論上應(yīng)保證
其計(jì)算值為
故在工藝上應(yīng)保證13_ - bQ底彡0· 01mm。這樣 在計(jì)算法向電容輸出響應(yīng)時(shí)已能保證^和τ y不對(duì)法向電容響應(yīng)產(chǎn)生任何影響。
[0081] 為了實(shí)現(xiàn)τ jp τ y不對(duì)法向電容響應(yīng)不產(chǎn)生任何影響，每個(gè)條狀電容單元的驅(qū)動(dòng) 電極與感應(yīng)電極在各象限中的平面布置應(yīng)保證一定的錯(cuò)位偏移，通過差動(dòng)消除影響，取感 應(yīng)電極在下層PCB基板上的位置作為參照，則驅(qū)動(dòng)電極在上層PCB基板上的布置應(yīng)以PCB 基板邊緣線為基準(zhǔn)。圖中四個(gè)虛線方框?yàn)楦袘?yīng)電極在下極板上的基準(zhǔn)。而置他們與幾何基 準(zhǔn)線差距均為δ JO. lmm)，以保證τ ,在I、II象限電容單元產(chǎn)生差動(dòng)電容輸出響應(yīng)，而在 III、IV象限電容單元?jiǎng)t產(chǎn)生對(duì)^的差動(dòng)電容響應(yīng)，設(shè)置一個(gè)初始錯(cuò)位偏移δ χ。，其取值應(yīng) 保證
其計(jì)算值與S C1類似，其初始錯(cuò)位偏移均設(shè)置S χ。= δ y。= 〇. 01mm，以保 證四個(gè)象限中的電容單元在TjP τ y切向激勵(lì)下能產(chǎn)生兩組差動(dòng)電容對(duì)。在圖6中Ctx1 二心和^也二^為轉(zhuǎn)換^的差動(dòng)電容對(duì)^^^二^和^^二^則為轉(zhuǎn)換^的差 動(dòng)電容對(duì)。
[0082] (2)法向應(yīng)力計(jì)算
[0083] 由公式（6)可改寫單個(gè)電容器的法向響應(yīng)電容
[0085] 其中，i = I、II、III、IV，因每個(gè)象限中，N是每個(gè)象限的條狀電容單元數(shù)量。
[0086] 如再將其求和，可得
[0087] 上式即為〇"的電容總響應(yīng)。
[0088] 盡管單個(gè)電容的求和可通過電極引線的并聯(lián)連接實(shí)現(xiàn)。但一旦并接好，就不再能 實(shí)現(xiàn)求差組合，故實(shí)際的求和組合要通過中間變換器的輸出再求和，見圖10,求和的信號(hào)流 程框圖
[0089] 圖中，中間變換器K可以是電壓對(duì)電容或頻率對(duì)電容的傳輸系數(shù)，從而完成對(duì)法 向響應(yīng)的合成。
[0091] (3)切向應(yīng)力計(jì)算
[0092] C1對(duì)C11和C111對(duì)Civ可以實(shí)現(xiàn)兩對(duì)差動(dòng)組合，見圖12,經(jīng)差動(dòng)技術(shù)處理，差動(dòng)輸出 的總響應(yīng)
[0094] 上式中，無論是法向激勵(lì)Fn或切向激勵(lì)Fy均不對(duì)0 ^產(chǎn)生影響。即自動(dòng)消除了 〇"和τ，寸τ ^勺總輸出的耦合或干擾，因?yàn)榉彩窃谛盘?hào)包含相減的運(yùn)算中，等量和同符合 的電容變化都自動(dòng)消除。而FjPFx對(duì)。η的干擾可通過上層電極在Idci方向增加幾何長度 2 δ。消除，0 Ty同理可求。
[0095] (4)主要材料選擇及其特性參數(shù)
[0096] 梳齒狀平行板電容器的結(jié)構(gòu)剖面圖類似于圖13所示的三明治結(jié)構(gòu)。圖13中，1 為上PCB基板，2為下PCB基板，3為驅(qū)動(dòng)電極，4為感應(yīng)電極。
[0097] 極板距Cltl= 0. 1mm，上下基板內(nèi)側(cè)空間除銅箔電極外，均為用失蠟鑄造法充填的 PDMS (聚二甲基硅氧烷）超彈絕緣介質(zhì)。其機(jī)械和物理特性參數(shù)為楊氏模量E = 6. 2MPa， 而其抗剪彈性模量為G = 4. IMPa，介質(zhì)極化時(shí)相對(duì)介電常數(shù)ε γ = 2. 5。由于介質(zhì)的E和 G遠(yuǎn)小于銅的彈性模量Ew= 103GPa。故電容器內(nèi)部介質(zhì)在應(yīng)力狀態(tài)下的變形遠(yuǎn)大于極板 的變形。
[0098] (5)電極引線設(shè)計(jì)
[0099] 無論是驅(qū)動(dòng)電極或感應(yīng)電極都需備有引出線，考慮各個(gè)驅(qū)動(dòng)電極在信號(hào)電平上都 是接地的，故四組驅(qū)動(dòng)電極只需共用同一個(gè)引出線。而四個(gè)電容單元模塊感應(yīng)電極則需用 各自獨(dú)立的引出線，于是整個(gè)電容組件共有至少5個(gè)管腳從平面封裝的側(cè)面引出，以便整 個(gè)組件頂部與底部外表面能方便地與測量對(duì)象接觸。
[0100] 本發(fā)明在新材料和新工藝的支撐下，完成了一種新型三維力敏感電容組合的設(shè) 計(jì)，在IOX IOmm2的受力面上，無論是法向或切向，都可向介質(zhì)較均勻的傳遞應(yīng)力。文中四個(gè) 單元電容呈兩對(duì)組合分布。在空間力與傳感器表面的接觸中外力只有1個(gè)，電容響應(yīng)卻有4 個(gè)，對(duì)4個(gè)電容求和可得到法向F n的信息，即整個(gè)電極板都對(duì)求FJt出貢獻(xiàn)，同時(shí)將兩對(duì)電 容組合組成差動(dòng)系統(tǒng)，又可獲得FdP F y的信息，從而完整描述一個(gè)三維力。這4個(gè)單元電 容組合既要完成其基本功能，又要互不干擾，這是靠巧妙的設(shè)計(jì)構(gòu)思才得以實(shí)現(xiàn)，按設(shè)計(jì)參 數(shù)一次轉(zhuǎn)換的法向靈敏度和切向靈敏度和最大線性誤差，借此可為同行研發(fā)者提供借鑒。 [0101] 為了更