T y得到增減電容的響應(yīng)。 為此本實(shí)用新型對(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)（旬與C U)， 具體如圖7所示。
[007U 圖7中，一對(duì)電容C神Ck電極尺寸曰。、6。、(1。均相同，初始錯(cuò)位偏移5池相同，區(qū) 別在于左邊電容器CJ：層5。尖角的指向?yàn)?0X，而右邊電容器CJ：層5。尖角指向-0X。
[007引當(dāng)Ty=0時(shí)，Cl=Cr=Gt。=Co-
，即圖中陰影部分所對(duì)應(yīng)的電容， 在此基礎(chǔ)上如在-Fjt勵(lì)下產(chǎn)生± 5 y的錯(cuò)誤偏移，形成如圖8所示的電容增減效果。
[0073]
(巧）
[0074]圖8中C神C送動(dòng)電容對(duì)同一個(gè)XX將產(chǎn)生± 5X和± A CT的響應(yīng)。 ±6、=
-
[00巧]8。的大小應(yīng)滿足
~ 'do,可取5。= lOym，由此，公式（11)可 修改為
[007引
―― （1 斗)
[0077] 式中，
為切應(yīng)力為零時(shí)的初始電容，（14)式即為切應(yīng)力輸入 一 U 輸出特性，Ciy與Fy是線性關(guān)系，而其靈敏度
[0078] 2、接觸式平行板電容設(shè)計(jì)
[0079] (1)平行板電容的平面設(shè)計(jì)
[0080] 參見圖9、圖10和圖11中的電極平面布置，在一個(gè)10X10mm2的基板中屯、作十字 分隔，形成四個(gè)象限1、11、111、1￥，其中1、11象限為對(duì)1、做出響應(yīng)的差動(dòng)電容單元組合， 而m、IV象限為對(duì)Ty做出響應(yīng)的差動(dòng)電容單元組合。外圍線為lOXlOmm2的PCB板四根邊 緣線，對(duì)PCB基板應(yīng)精確切割W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W保證消除=維力對(duì)電容響應(yīng)的相互干擾。
[0081] 電容單元模塊采用由兩個(gè)W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（12)a。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(zhǎng)條狀。設(shè)每根條狀電容單元寬為a。，兩條狀電容單元之間 的槽寬為as，則每根條狀電容單元的節(jié)距為曰。+曰6。為了充分利用方形基板的平面空間， 使1(曰。+曰6化。> 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1(曰。+曰6)= 2*10mm，式中，槽寬as不宜過(guò)大，否則不利于使用基板上的有效平面空間，也不宜過(guò)小，要 受到失蠟鑄造工藝的約束。為使法向靈敏度S。和切向靈敏度SI相同，按公式（7)和（12)， 令a〇.G=d〇 .E，當(dāng)d〇= 0. 1mm時(shí)，則a0= 0.ISmm，若令a5= 0.OSmm，則M= 100,每個(gè)象 限有25個(gè)條狀電容單元。
[0082] 為了實(shí)現(xiàn)Ty和Iy之間切向響應(yīng)不相互產(chǎn)生影響，驅(qū)動(dòng)電極長(zhǎng)度兩端預(yù)留5。， 因此begg=beg巧?S。，其中在begg兩端長(zhǎng)度預(yù)留理論上應(yīng)?；?br>其計(jì)算值為
=2.9x10-掃m=l〇-2um《lum，故在工藝上應(yīng)保證b〇驅(qū)_b〇底> 0. 01mm。運(yùn)樣 在計(jì)算法向電容輸出響應(yīng)時(shí)已能保證Ty和Iy不對(duì)法向電容響應(yīng)產(chǎn)生任何影響。
[0083] 為了實(shí)現(xiàn)Ty和Iy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(guò)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)WPCB 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8。(〇.1111111)，^保證1、在1、11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)Ty的差動(dòng)電容響應(yīng)，設(shè)置一個(gè)初始錯(cuò)位偏移5W，其取值應(yīng) 保證Sx〇=d〇I
';其計(jì)算值與S。類似，其初始錯(cuò)位偏移均設(shè)置5w= 5 ,。= 0. 01mm，W保 證四個(gè)象限中的電容單元在Ty和Iy切向激勵(lì)下能產(chǎn)生兩組差動(dòng)電容對(duì)。在圖8中Ciyi=Cr和CTXII=Cl為轉(zhuǎn)換TX的差動(dòng)電容化而C。111=Cl和CTxiv=Cr則為轉(zhuǎn)換Xy的差 動(dòng)電容對(duì)。
[0084] 似法向應(yīng)力計(jì)算
[00財(cái)由公式（6)可改寫單個(gè)電容器的法向響應(yīng)電容[008引
U5)
[0087]其中，i=I、II、m、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。
[008引如再將其求和，可得
，
[0089]上式即為0。的電容總響應(yīng)。
[0090] 盡管單個(gè)電容的求和可通過(guò)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(guò)中間變換器的輸出再求和，見圖10,求和的信號(hào)流 程框圖
[0091] 圖中，中間變換器K可w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。
[0092]
(16)
[009引 做切向應(yīng)力計(jì)算
[0094] Cl對(duì)Cn和Cni對(duì)Cw可W實(shí)現(xiàn)兩對(duì)差動(dòng)組合，見圖13,經(jīng)差動(dòng)技術(shù)處理，差動(dòng)輸出 的總響應(yīng)
[0095]
(17)
[009引上式中，無(wú)論是法向激勵(lì)F?；蚯邢蚣?lì)Fy均不對(duì)0。產(chǎn)生影響。即自動(dòng)消除了 曰。和T y對(duì)X X的總輸出的禪合或干擾，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Fy和Fy對(duì)0。的干擾可通過(guò)上層電極在b。方向增加幾何長(zhǎng)度 2 5。消除，0 TY同理可求。
[0097] (4)主要材料選擇及其特性參數(shù)
[0098] 梳齒狀平行板電容器的結(jié)構(gòu)剖面圖類似于圖14所示的S明治結(jié)構(gòu)。圖14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。
[009引極板距屯二0.1mm，上下基板內(nèi)側(cè)空間除銅錐電極外，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 = 4.1MPa，介質(zhì)極化時(shí)相對(duì)介電常數(shù)￡^=2.5。由于介質(zhì)的E和 G遠(yuǎn)小于銅的彈性模量E?= 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。
[0100] 巧）電極引線設(shè)計(jì)
[0101] 無(wú)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，W便整 個(gè)組件頂部與底部外表面能方便地與測(cè)量對(duì)象接觸。
[0102] 本實(shí)用新型在新材料和新工藝的支撐下，完成了一種新型=維力敏感電容組合的 設(shè)計(jì)，在lOXlOmm 2的受力面上，無(wú)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。的信息，即整個(gè)電極板都對(duì)求F。做出貢獻(xiàn)，同時(shí)將 兩對(duì)電容組合組成差動(dòng)系統(tǒng)，又可獲得Fy和F y的信息，從而完整描述一個(gè)=維力。運(yùn)4個(gè) 單元電容組合既要完成其基本功能，又要互不干擾，運(yùn)是靠巧妙的設(shè)計(jì)構(gòu)思才得W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。
[0103] 所W由于差分電容對(duì)的應(yīng)用，壓力測(cè)量過(guò)程中，每個(gè)電容單元均連接在中間變換 器上，可W通過(guò)分別計(jì)算消除切向力對(duì)法向力的影響，提高測(cè)量準(zhǔn)確性。處理器可W根據(jù)傳 感器測(cè)量得到的壓力值計(jì)算出傳感器驅(qū)動(dòng)極板的偏移量，通過(guò)對(duì)比=個(gè)傳感器的受壓值和 便宜量結(jié)果，輸出需要移動(dòng)距離。
[0104] 為了方便使用者查看輸出結(jié)果，本實(shí)用新型中設(shè)置了顯示屏，本實(shí)用新型中在每 個(gè)支腿2的上端部靠近機(jī)座的位置安裝了一個(gè)顯示屏7。顯示屏7連接到處理器，每個(gè)支腿 2上均安裝一個(gè)顯示屏7,也不會(huì)出現(xiàn)支腿2重量不同，容易翻倒的情況，處理器的輸出結(jié)果 顯示在顯示屏7上，每個(gè)傳感器和對(duì)應(yīng)的支腿都是有標(biāo)記的，所W顯示屏上的結(jié)果很是清