一种电容式触觉传感器的制作方法

本发明属于传感器领域，具体涉及一种电容式触觉传感器。

背景技术：

电容式传感器可用于测量声强、液位、含水量、振动、压力、位移等参数，特别可以测量纳米级的微位移值。电容式传感器结构简单、灵敏度高、动态响应高且价格便宜。

电容式传感器在微弱压力检测方面有很大的市场，比如，在机器人触觉、运动分析、可穿戴设备和医疗设备领域里，电容式传感器都有着广泛应用。

电容式传感器检测压力的原理如图1所示。电容传感器由上下两个电极板和中间的弹性介电质组成。假设电容值为c，介电质的介电常数为ε，电极板面积为a，两个电极板之间间距为d，那么电容值满足以下公式：

c＝ε*a/d

当有压力(p)对电极板施压时，两个电极板之间的距离缩短，从而导致电容值发生变化。压力越大，电极板间的距离越小，电容值越大。因此，压力与电容值正相关。电容式压力传感器就是通过检测电容值的变化来检测压力的变化。

图2是一种典型的电容式压力传感器阵列。该阵列由列电极条201、行电极条202以及中间的弹性电介质层组成。列电极条201和行电极条202分别通过导线204和导线203引出并连接至电容检测电路中。任意列电极条201与行电极条202重叠的部分，构成一个电容式压力传感器的感应点。检测阵列中某一点的压力信号，只需要检测该点对应的行电极条与列电极条之间的电容值即可。但这种电容式压力传感器阵列的灵敏度不高，量测范围较小。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种电容式触觉传感器，该电容式触觉传感器在不改变原有压容传感器阵列面积的同时，可以有效地提高的传感器灵敏度，扩大传感器的量程。

本发明提出了如下技术方案：

(1)一种电容式触觉传感器，该电容式触觉传感器包括依次设置的第一a型电极层、第一弹性介质层、第一b型电极层、第二弹性介质层和第二a型电极层；a型电极为正电极时，b型电极为负电极；a型电极为负电极时，b型为正电极；

其中，第一a型电极层和第二a型电极层相互平行，并且均与第一b型电极层垂直交叉设置；第一a型电极层和第二a型电极层的对应列短接并由导线单独引出，第一b型电极层的每行通过导线单独引出；

第一a型电极层、第二a型电极层和第一b型电极层均包括导电物质；

第一弹性介质层和第二弹性介质层的电极为弹性可压缩材料。

(2)在技术方案(1)的基础上，所述电容式触觉传感器还包括第一扩展结构，该第一扩展结构包括依次设置的弹性介质层和b型电极层；

第一扩展结构紧邻第一a型电极层或者第二a型电极层设置。

(3)在技术方案(1)或(2)的基础上，所述电容式触觉传感器还包括第二扩展结构，该第二扩展结构包括依次设置的第三弹性介质层、b型电极层、第四弹性介质层和a型电极层；

第二扩展结构紧邻第一a型电极层、第二a型电极层或者第一扩展结构的a型电极层设置。

(4)在技术方案(3)的基础上，该第二拓展结构为一个或多个；当第二拓展结构为多个时，第二拓展结构中位于外侧的弹性介质层紧邻第一a型电极层、第二a型电极层或者另一第二扩展结构的a型电极层设置。

(5)在技术方案(1)、(2)、(3)或(4)的基础上，各b型电极层单独设置，或者由同一b型电极层弯折形成。

(6)在技术方案(1)、(2)、(3)、(4)或(5)的基础上，各a型电极层单独设置，或者由同一a型电极层弯折形成。

(7)一种电容式触觉传感器，该电容式触觉传感器包括依次设置的第一公共地电极层、第一弹性介质层、第一传感器阵列层、第二弹性介质层和第二公共地电极层；

其中，第一公共地电极层与第二公共地电极层分别从上下两侧覆盖第一传感器阵列层的所有传感器阵列区域，且第一公共地电极层与第二公共地电极层导通；第一公共地电极层和第二公共地电极层均为导电物质；

第一弹性介质层和第二弹性介质层的电极为弹性可压缩材料。

(8)在技术方案(7)的基础上，电容式触觉传感器还包括拓展结构，该拓展结构包括依次设置的弹性介质层、传感器阵列层、弹性介质层以及公共地电极层；拓展结构外侧的弹性介质层紧邻第一公共地电极层设置，或者紧邻第二公共地电极层设置；

其中，各传感器阵列层位于相同位置，各对应的传感器感应点短接。

(9)在技术方案(8)的基础上，该拓展结构为一个或多个；当拓展结构为多个时，拓展结构中位于外侧的弹性介质层紧邻第二公共地电极层、第一公共地电极层或另一拓展结构的公共地电极层设置。

(10)在技术方案(7)、(8)或(9)的基础上，各公共地电极层单独设置，或者由同一公共地电极层弯折形成。

本发明所述触觉传感器的核心在于：不增加传感器的实际面积，一个电极同时作为两个电容的公共正电极或公共负电极，以叠层的形式构成触觉传感器的一个压力感应点。当有压力施压于传感器表面时，这些电容的电极板间距同时发生变化，相当于多个电容并联起来。这一方面提高了传感器的灵敏度，另一方面增加了传感器的可压缩范围，从而扩大了传感器的量程。

本发明的有益效果：本发明首次提出叠层式的压容式触觉传感器设计，提高了压容式触觉传感器的灵敏度，扩大了传感器的量程范围。另外，本发明可以普遍适用于需要在小面积内密集分布感应点的触觉传感器的设计。

附图说明

图1是现有的电容式传感器检测压力的原理示意图。

图2是现有的电容式压力传感器阵列的结构示意图。

图3(a)是本发明提出的实施例1的电容式触觉传感器的俯视图。

图3(b)是本发明提出的实施例1的电容式触觉传感器的剖视图。

图4(a)是本发明提出的实施例2的电容式触觉传感器的俯视图。

图4(b)是本发明提出的实施例2的电容式触觉传感器的剖视图。

图5(a)为本发明提出的基于实施例1的第一种扩展方式的剖视图。

图5(b)为本发明提出的基于实施例1的第二种扩展方式的剖视图。

图6(a)为本发明提出的基于实施例2的扩展方式的剖视图。

图6(b)本发明提出的基于实施例2的该扩展方式的引线连接示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。

本发明提供了一种电容式触觉传感器，该传感器可以有效提高压容式传感器的灵敏度，扩大量程，尤其适用于在有限面积内需要密布多个压力感应点的应用场景。

实施例1：

如图3(a)和3(b)所示分别为本发明提出的电容式触觉传感器的俯视图和剖面图。该电容式触觉传感器包括依次设置的第一负电极层301、第一弹性介质层302、正电极层303、第二弹性介质层304和第二负电极层305。

其中，第一负电极层、第二负电极层和正电极层为条状，第一负电极层和第二负电极层平行设置，第一负电极层和第二负电极层分别与正电极层垂直交叉摆放，图3(a)和图3(b)示出了一负电极层和第二负电极层均为列电极条，正电极层303为行电极条的示例；第一负电极层和第二负电极层的对应列短接并由导线306单独引出，正电极层303的每行通过导线307单独引出。

第一负电极层301、第二负电极层305和正电极层303均包括导电物质，例如铜箔、导电布料、导电硅胶或柔性电路板等，优选柔性电路板。其中，第一负电极层301和第二负电极层305可以采用相同材料，也可以采用不同材料。当采用不同材料时，材料的硬度也可以不同，例如与人体皮肤贴合的电极层可以为导电布或导电硅胶，这样易于与人体皮肤贴合，而最外侧的电极层可以是薄铜片，由于薄铜片硬度较好，能够起到支撑作用。当采用相同材料时，第一负电极层301和第二负电极层305可以单独设置，也可以由同一负电极层弯折而成(可参考图5(a))。

第一弹性介质层302和第二弹性介质层304电极为弹性可压缩高分子材料，例如泡沫聚合物、聚氨酯、硅橡胶、热塑性弹性体等。第一弹性介质层302和第二弹性介质层304一般采用相同材料，但不排除采用不同材料的情况。

本实施例从结构上对传统的压容传感器进行了改造，由原来的双电极层、单介质层的单电容结构，改造成三电极层、双介质层的双电容叠层结构。本实施例中，两个电容中共用正电极层，本领域技术人员知晓，本实施例中两个电容也可以共用负电极层。

压容式传感器主要通过检测电容的变化值来衡量施加于传感器表面的压力值，电容变化主要取决于极板间距的变化。每个单电容结构的电容变化值的计算公式如下：

其中，ε为介电质的介电常数，a为电极板面积，c0为电容的初始值，d0为电容的初始极板间距，δd为极板间距变化值。

经过本发明的电容叠层结构改造后，对于双电容叠层结构，电容变化值的计算公式如下：

其中，c0为第一层电容的初始值，d0为第一层电容的初始极板间距，δd0为第一层电容极板间距变化值，c1为第二层电容的初始值，d1为第二层电容的初始极板间距，δd1为第二层电容极板间距变化值。

当第一层电容和第二层电容的初始值相等，初始极板间距相等，且δd0＝δd1＝δd时：

因此，当弹性介质材料的介电和物理特性不变时，本发明提出的压容传感器在相同压力下的形变是单传感器的两倍，此时，灵敏度相应提高到原来的两倍。同时，由于传感器的整体可压缩空间增大，这在一定程度上扩大了传感器的量程。

实施例2：

如图4(a)和4(b)所示分别为本发明提出的另一种电容式触觉传感器的俯视图和剖面图。该电容式触觉传感器包括依次设置的下述各层：第一公共地电极层401、第一弹性介质层402、传感器阵列层403、第二弹性介质层404和第二公共地电极层405。

其中，第一公共地电极层401与第二公共地电极层405分别从图4(b)所示的上下两侧覆盖传感器阵列层403的所有传感器阵列区域，且第一公共地电极层401与第二公共地电极层405导通。第一公共地电极层401和第二公共地电极层405包括导电物质，例如铜箔、导电布料、导电硅胶或柔性电路等材料。

传感器阵列层403的每一个传感器感应点通过各自的导线406引出到接插件407，最终连接到电容检测芯片引脚。也可以传感器感应点直接在柔性电路板上与电容检测芯片连接，不需要引出到接插件。传感器阵列层403的实现方式可以是柔性电路，可以是涂有导电墨的柔性薄膜，甚至可以是由导电纤维和正常布料一起编织的布料。其中，传感器阵列层的每一个阵元也是导电物质，如铜片、导电墨或柔性电路板的焊盘等。

第一弹性介质层402和第二弹性介质层404电极为弹性可压缩高分子材料，如泡沫聚合物、聚氨酯、硅橡胶和热塑性弹性体等。

本实施例的触觉传感器也是三电极层、双介质层的叠层电容结构，通过以叠层的形式构成触觉传感器的一个压力感应点，当有压力施压于传感器表面时，两个电容的电极板间距同时发生变化，相当于两个电容并联起来。本实施例与实施例1提出的触觉传感器具有同样的技术效果。与实施例1不同的是，本实施例的触觉传感器结构更适合与单电极电容传感芯片搭配使用，能够降低电路成本，并且更容易制作和生产。

实施例3：

如图5(a)和图5(b)所示为基于实施例1的两种扩展方式的剖面图。

图5(a)所示电容式触觉传感器包括依次设置的第一负电极层501、第一弹性介质层502、公共正电极层503、第二弹性介质层504、第二负电极层505、第三弹性介质层506、公共正电极层503以及公共负极导线507和公共正极导线508。在这种扩展方式中，两层公共正电极层503是由同一公共正电极层弯折而成。

图5(b)所示电容式触觉传感器包括依次设置的公共负电极层509、第一弹性介质层510、第一正电极层511、第二弹性介质层512、公共负电极层509、第三弹性介质层513、第二正电极层514、第四弹性介质层515、公共负电极层509以及公共负极导线517和公共正极导线516。在这种扩展方式中，三层公共负电极层509是由同一公共负电极层多次弯折而成。

本实施例中只示例性地提供了两种增加叠层的方式，主要为了清楚阐述本发明的叠层结构不限于三电极、双介质层的双电容叠层结构，也可以继续增加叠层数目，例如为图5(a)所示的三电容叠层结构、图5(b)所示的四电容叠层结构。对于n层电容的电容变化值的计算公式如下：

其中，ci为第i层电容的初始值，di为第i层电容的初始极板间距，δdi为第i层电容极板间距变化值，n为电容的层数。

叠层的方式推荐以外层接负极(或地极)、内层接正极为准，因为外层通常接触人体，将人体与电路共地可以起到屏蔽电磁干扰的作用，但是并不排除外层接正极、内层接负极(或地级)的情形，只是外层接正极时，需增加防护措施或屏蔽手段。

与前述相同的内容在本实施例中不再赘述。

实施例4：

如图6(a)和图6(b)所示为基于实施例2的一种扩展方式的示意图。

图6(a)中所示的电容式触觉传感器包括依次设置的公共地电极层601、第一弹性介质层602、第一传感器阵列层603、第二弹性介质层604、公共地电极层601、第三弹性介质层605、第二传感器阵列层606、第四弹性介质层607和公共地电极层601。

其中，第一传感器阵列层603和第二传感器阵列层606位于相同位置、上下对应的传感器感应点两两短接，如图6(b)所示。短接线608在传感器边缘处连接或者在集成有电容检测芯片的电路板上短接。公共地电极层601是一整块柔性导电材料，如导电布、铜箔或导电硅胶等。本实施例示出了公共地电极层共用同一地电极层的实例，也可以如前述的单独设置。

本实施例的扩展方式与实施例3的扩展方式不同之处在于，本实施例再扩展出的电容层数为2n，n为大于1的正整数，例如图6所示的4层；而实施例3再扩展出的电容层数为m，m为大于2的正整数，例如图5(a)所示的3层，图5(b)所示的4层。其他与前述相同的内容在本实施例中不再赘述。

实施例5：

本实施例在实施例4的基础上增加了拓展结构，该拓展结构包括依次设置的弹性介质层、传感器阵列层、弹性介质层以及公共地电极层；拓展结构外侧的弹性介质层紧邻第一公共地电极层设置，或者紧邻第二公共地电极层设置。

该拓展结构可以在上述结构的基础上再增加，增加的拓展结构中位于外侧的弹性介质层紧邻目前的传感器结构的最外侧的公共地电极层设置。

其他与前述相同的内容在本实施例中不再赘述。

另外，上述各实施例中的电容式触觉传感器的最外层也可设置屏蔽层或绝缘层。

需要指出的是，本发明所述实施例仅为示意性说明，并不限制传感器的数量、材料、布局形式和电路实现。任何电容式触觉传感器，但凡是采用了叠层式电容检测思想的，均在本发明保护的范围之列。