[发明专利]一种接触式平行板三维力压力传感器

说明书

技术领域

本发明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三维力压力传感器。

背景技术

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

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。

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，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0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，τ_max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a_δ。所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+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。

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10×10mm²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

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：

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。

图2是本发明的具体实施方式的条状电容单元示意图。

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。

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。

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。