一種圓環(huán)式接觸式平行板三維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 圓環(huán)式接觸式平行板三維壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 電容式觸覺傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低、靈敏度高以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)， 尤其是對(duì)高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性比較強(qiáng)。但是，該類型的傳感器輸出一般 會(huì)表現(xiàn)為非線性，并且固有的寄生電容和分布電容均會(huì)對(duì)傳感器的靈敏度和測(cè)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(cè)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(diǎn)。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(gè)對(duì)應(yīng)腳底壓力 分布點(diǎn)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(jìn)行三維力計(jì)算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種圓環(huán)式接觸式平行板三維壓力傳感 器，通過差動(dòng)電容組合，解決了電容式壓力傳感器主要用于豎直壓力測(cè)試的問題，具有線性 度高，靈敏度高的有益效果。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種圓環(huán)式接觸式平行板三維壓 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圓環(huán)電容單元組和條狀電容 單元組，所述圓環(huán)電容單元組用于測(cè)切向力和法向力的大小，所條狀電容單元組用于測(cè)量 切向力的方向，所述條狀電容單元組設(shè)置在基板圓環(huán)電容單元組外的四角。圓環(huán)電容單元 組包括兩組以上圓環(huán)電容單元對(duì)，所述圓環(huán)電容單元對(duì)包括兩個(gè)圓環(huán)電容單元，所述條狀 電容單元組包括X方向差動(dòng)電容單元組和Y方向差動(dòng)電容單元組，X方向差動(dòng)電容單元組 和Y方向差動(dòng)電容單元組均包括兩個(gè)以上相互形成差動(dòng)的電容單元模塊，所述電容單元模 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)圓環(huán)電容單元和條狀電容單元 均包括上極板的驅(qū)動(dòng)電極和下極板的感應(yīng)電極。所述每個(gè)圓環(huán)電容單元的感應(yīng)電極和驅(qū) 動(dòng)電極正對(duì)且形狀相同，所述每個(gè)條狀電容單元的驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)電極寬度相同，條狀電 容單元的驅(qū)動(dòng)電極長度大于感應(yīng)電極長度，條狀電容單元的驅(qū)動(dòng)電極長度兩端分別預(yù)留左 差位S左和右差位5右，b0驅(qū)=b0感+5右+5左，其中b0驅(qū)為條狀電容單元的驅(qū)動(dòng)電極長度， bQS為條狀電容單元的感應(yīng)電極長度。所述條狀電容單元的左差位右差位，且 其中d。為介質(zhì)厚度，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量，ty_為最大應(yīng)力值。所述 兩組相互形成差動(dòng)的電容單元模塊的條狀電容單元的驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)電極沿寬度方向設(shè) 有初始錯(cuò)位偏移，錯(cuò)位偏移大小相同、方向相反。所述圓環(huán)電容單元組包括n個(gè)同心圓環(huán)電 容單元，其中n=2ff .二...卩其中，aT為平行板的長度，r0為圓環(huán)電容單元圓環(huán)的寬度，a5 0 人..圖..3圓^ 相鄰兩圓環(huán)電容電容之間的電極間距。所述電容單元模塊采用梳齒狀結(jié)構(gòu)，X方向差動(dòng)電 容單元組和Y方向差動(dòng)電容單元組均包括m個(gè)條狀電容單元，m~（V2-l)a平/(aQ+a5條）， 其中，aT為平行板的長度，a5#為相鄰兩條狀電容單元之間的電極間距，a。條狀電容單元的 寬度。所述同心圓環(huán)電容單元的寬度10和條狀電容單元的寬度a。相等；條狀電容單元電 極間距a5 #和圓環(huán)電容單元電極間距a5 0相等，所述條狀電容單元的寬度aQ = ^，其中， d。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。所述圓環(huán)電容單元組 和條狀電容單元組的驅(qū)動(dòng)電極通過一個(gè)引出線與控制單元連接，所述圓環(huán)電容單元組的每 個(gè)圓環(huán)電容單元的感應(yīng)電極單獨(dú)引線與控制單元連接，所述X方向差動(dòng)電容單元組和Y方 向差動(dòng)電容單元組的電容單元模塊感應(yīng)電極分別各自通過一個(gè)引出線引出與控制單元連 接。所述圓環(huán)電容單元、電容單元模塊和控制單元之間分別設(shè)有中間變換器，變換器用于設(shè) 置電壓或頻率對(duì)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 機(jī)器人觸覺傳感系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)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(cè)量三維力的 基礎(chǔ)上，有效使用平板單用的使用面積，并且通過差動(dòng)等方法有效解決三維力相互影響，從 而使法向與切向轉(zhuǎn)換都達(dá)到較高的線性、精度與靈敏度。設(shè)計(jì)指標(biāo)中，電容轉(zhuǎn)換的法向靈敏 度和切向靈敏度可達(dá)到810fF/N，為機(jī)器人觸覺傳感器系統(tǒng)提供了一種新型方便靈活的器 件選擇。
【附圖說明】
[0006] 下面對(duì)本說明書附圖所表達(dá)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(shí)施方式】的同心圓環(huán)偏移錯(cuò)位面積分析圖。
[0008] 圖2是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的為外同心圓環(huán)錯(cuò)位對(duì)外徑圓分析圖。
[0009]圖3是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的平行板電容的平面設(shè)計(jì)圖。
[0010] 圖4是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的驅(qū)動(dòng)電極的結(jié)構(gòu)圖。
[0011] 圖5是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的平板電容板的直角坐標(biāo)系。
[0012] 圖6是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的兩組圓環(huán)電容組結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖7是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的差動(dòng)條狀電容單元的初始錯(cuò)位圖。
[0014] 圖8是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的差動(dòng)條狀電容單元受力后偏移圖。
[0015] 圖9是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的單元電容對(duì)的信號(hào)差動(dòng)示意圖。
[0016] 圖10是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的平行板電容器剖面結(jié)構(gòu)。
[0017] 其中，1、上PCB基板，2、下PCB基板，3、驅(qū)動(dòng)電極，4、感應(yīng)電極，5、彈性介質(zhì)。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面對(duì)照附圖，通過對(duì)實(shí)施例的描述，本發(fā)明的【具體實(shí)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(jìn)一步詳細(xì)的說明，以幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)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。
[0019] -種圓環(huán)式接觸式平行板三維壓力傳感器，所述傳感器包括控制單元、與控制單 元分別連接的圓環(huán)電容單元組和條狀電容單元組，所述圓環(huán)電容單元組用于測(cè)切向力和法 向力的大小，所條狀電容單元組用于測(cè)量切向力的方向，所述條狀電容單元組設(shè)置在基板 圓環(huán)電容單元組外的四角。圓環(huán)電容單元組包括兩組以上圓環(huán)電容單元對(duì)，所述圓環(huán)電容 單元對(duì)包括兩個(gè)圓環(huán)電容單元，所述條狀電容單元組包括X方向差動(dòng)電容單元組和Y方向 差動(dòng)電容單元組，X方向差動(dòng)電容單元組和Y方向差動(dòng)電容單元組均包括兩個(gè)以上相互形 成差動(dòng)的電容單元模塊，所述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)圓環(huán)電容單元和條狀電容單元均包括上極板的驅(qū)動(dòng)電極和下極板的感應(yīng)電極。 所述每個(gè)圓環(huán)電容單元的感應(yīng)電極和驅(qū)動(dòng)電極正對(duì)且形狀相同，所述每個(gè)條狀電容單元的 驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)電極寬度相同，條狀電容單元的驅(qū)動(dòng)電極長度大于感應(yīng)電極長度，條狀電 容單元的驅(qū)動(dòng)電極長度兩端分別預(yù)留左差位和右差位 為條狀電容單元的驅(qū)動(dòng)電極長度，b。^為條狀電容單元的感應(yīng)電極長度。所述條狀電容 單元的左差位右差位，且2知-^，其中d。為介質(zhì)厚度，G為彈性介質(zhì)的抗 剪模量，Ty_為最大應(yīng)力值。所述兩組相互形成差動(dòng)的電容單元模塊的條狀電容單元的驅(qū) 動(dòng)電極和感應(yīng)電極沿寬度方向設(shè)有初始錯(cuò)位偏移，錯(cuò)位偏移大小相同、方向相反。所述圓環(huán) 電容單元組包括n個(gè)同心圓環(huán)電容單元，其中
其中，aT為平行板的長度， 圓環(huán)電容單元圓環(huán)的寬度，a50相鄰兩圓環(huán)電容電容之間的電極間距。所述電容單元模塊采 用梳齒狀結(jié)構(gòu)，X方向差動(dòng)電容單元組和Y方向差動(dòng)電容單元組均包括m個(gè)條狀電容單元， (在-13aT.y(a〇+as條)，其中，叫為平行板的長度，a5#為相鄰兩條狀電容單元之間 的電極間距，a。條狀電容單元的寬度。所述同心圓環(huán)電容單元的寬度和條狀電容單元的 寬度a。相等；條狀電容單元電極間距a5 #和圓環(huán)電容單元電極間距a5 0相等，所述條狀電 容單元的寬度％ = 其中，d。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。所述圓環(huán)電容單元組和條狀電容單元組的驅(qū)動(dòng)電極通過一個(gè)引出線與控制單元連 接，所述圓環(huán)電容單元組的每個(gè)圓環(huán)電容單元的感應(yīng)電極單獨(dú)引線與控制單元連接，所述X 方向差動(dòng)電容單元組和Y方向差動(dòng)電容單元組的電容單元模塊感應(yīng)電極分別各自通過一 個(gè)引出線引出與控制單元連接。所述圓環(huán)電容單元、電容單元模塊和控