电容检测器及该电容检测器的制备方法与流程

本发明涉及用于药片称重装置中的电容检测器，属于称重设备领域。

背景技术：

在药房，通常使用电子天平进行分药装瓶。对于家庭或医院中的单个病人，或者仅仅是参加医学测试的志愿者，每人配备一个电子天平不但不方便，也不经济，且电子天平无服药数量记录功能。此外，采用现有的其他电子称重装置进行药片称重，装置存在精度差、体积大、价格昂贵且无记录服药数量功能的缺陷。

技术实现要素：

本发明的设计旨在解决现有称重装置精度差、体积大和价格贵的问题。现提供一种电容检测器及该电容检测器的制备方法。

本发明所述的电容检测器是一个多极板电容传感器，所述电容检测器包括至少两个圆形金属极板1，所有极板1依次沿竖直方向等间距同轴设置，且编号依次为一至n，一号极板1与n号极板1尺寸相同，二号极板1与n-1号极板1尺寸相同，三号极板1与n-2号极板1的尺寸相同，以此类推；位于中间的极板1尺寸最小，从中间向两侧极板1尺寸逐渐增大；所有编号为奇数的极板1采用导线相连接，并作为所述电容检测器的一个信号输出端；所有编号为偶数的极板1采用导线相连接，并作为所述电容检测器的另一个信号输出端；每相邻的两个极板1之间设置有一组硅胶柱2，且每组硅胶柱2中的个体均倾斜且等间距平行设置，同一组硅胶柱2的个体倾斜方向相同，相邻两组硅胶柱2的倾斜方向相反；所述多极板电容传感器用于根据药片施加在极板1上力的不同而产生变化的电容信号。

上述电容检测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选取多个圆形的金属极板1；

步骤二、配制混合液：将聚二甲基硅氧烷与硬化剂按10：1比例混合均匀，得到混合液；

步骤三、制作模板：在一块聚四氟乙烯板上均匀钻孔，作为模板待用，孔的轴线与聚四氟乙烯板板面的夹角为45度；

步骤四、制作硅胶柱2：将模板放入培养皿中，同时在模板表面涂抹脱模剂，将混合液倒入培养皿中的模板上，使混合液均匀流入孔内，且混合液要覆盖模板表面，将培养皿放入真空干燥箱内抽真空，取出后水平放置在加热台上加热一小时后脱模，得到一组硅胶柱2，重复该过程n-1次得到n-1组硅胶柱2；

步骤五、极板1与硅胶柱2结合：将n-1组硅胶柱2与步骤一中的n-1个极板1表面同时处理干净，并一同放入等离子设备中进行表面处理，然后将每组硅胶柱2与一个极板1表面紧密结合，形成n-1个极板1与硅胶柱2的结合体；

步骤六、两个极板1的叠加：将一个极板1放入培养皿中，在该极板1没有硅胶柱2的表面均匀滴上混合液，取出一个极板1与硅胶柱2的结合体，将该结合体中的硅胶柱2放置在滴有混合液的极板1表面，将该培养皿置于加热台上加热，完成两个极板1的叠加，采用同样的方法完成n个极板1的叠加，得到所述电容检测器。

有益效果：

上述电容检测器位于顶层的极板1和位于底层的极板1直径相同，上数第二层极板1和下数第二个极板1的直径相同，上数第三层极板1和下数第三个极板1的直径相同……，并且顶层极板1的直径大于上数第二层极板1的直径，上数第二层极板1的直径大于上数第三层极板1的直径……，即从中间向两侧，极板1直径呈递增变化。采用这种尺寸及结构进行排列，在电容检测器进行称重工作时，编号为奇数的极板1不会出现相对水平位移。此外，编号为偶数的极板1在水平方向也不会超出上下面积最大的极板1，其动作不会因接触周围物体而受限。在该多极板电容传感器中，硅胶柱2的功能相当于弹簧，每层硅胶柱2中的所有个体均与极板成一定夹角且等间距平行设置，相邻两层的硅胶柱2倾角方向相反。因此，本发明的结构既保证了称重时药瓶无横向位移，又避免了垂直弹簧易引起刚性突变的缺点。采用本申请的电容检测器的结构进行称重记录，具有灵敏度高、检测准确性强、成本低廉等优点。经验证，采用五极板的电容检测器，平均灵敏度能够达到23.06mV/g。

基于上述电容检测器的药片称重装置，以电容检测器作为核心器件，具有灵敏度高、检测准确性强、成本低廉等优点。

上述电容检测器的制备方法简单、快速且成本低。

附图说明

图1为实施方式一中多极板电容传感器的结构示意图；

图2为实施方式一中药片称重装置的剖面结构示意图，图中3表示转换器，用于将电容检测器产生的电容信号转化为电压信号；

图3为实施方式一中容值与极板间初始距离的关系曲线；

图4为实施方式二中的五种电容检测器的电压-重量曲线，其中4为铜极板细弹簧，5为四极板铜粗弹簧，6为铜极板粗弹簧，7表示铝极板细疏弹簧，8表示铜极板细短弹簧；

图5为实施方式二中的五极板铜电容与四极板铜电容的灵敏度对比图，图中9表示五极板铜电容，10表示四极板铜电容；

图6为实施方式三中药片称重装置的原理框图；

图7为实施方式三中的转换器的电路图；

图8为实施方式三中用于单个药瓶称重的药片称重装置的俯视结构示意图；

图9为实施方式三中用于多个药瓶称重的药片称重装置的俯视结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的电容检测器应用于药片称重装置中，所述电容检测器是一个多极板电容传感器，所述电容检测器包括至少两个圆形金属极板1，所有极板1依次沿竖直方向等间距同轴设置，且编号依次为一至n，一号极板1与n号极板1尺寸相同，二号极板1与n-1号极板1尺寸相同，三号极板1与n-2号极板1的尺寸相同，以此类推；位于中间的极板1尺寸最小，从中间向两侧极板1尺寸逐渐增大；所有编号为奇数的极板1采用导线相连接，并作为所述电容检测器的一个信号输出端；所有编号为偶数的极板1采用导线相连接，并作为所述电容检测器的另一个信号输出端；每相邻的两个极板1之间设置有一组硅胶柱2，且每组硅胶柱2中的个体均倾斜且等间距平行设置，同一组硅胶柱2的个体倾斜方向相同，相邻两组硅胶柱2的倾斜方向相反；所述多极板电容传感器用于根据药片施加在极板1上力的不同而产生变化的电容信号。

1、极板1的选择

电容传感器的极板1的材料应当具有重量轻、强度高、导电率高以及廉价等特性。对各种金属进行比较，铜是首选材料。与铜相比，铝材料除导电率稍低外，具有强度更高、重量更轻的优点，也可作为一种选择。由于板厚度不影响容值，我们将极板设计得尽量薄，只要强度满足要求即可。事实上，将来的产品甚至可以使用重量更轻的塑料或者玻璃制作极板，仅将导电材料电镀于其表面上。

此外，为了减弱正对面积变化对容值的影响，如图1所示，我们对极板的结构进行特殊设计，使得相邻极板半径之差为当电容传感器工作时，任何板的水平移动范围都不会超出相邻板的边缘。这种结构有两个优点，一方面电容不会受正对面积变化影响太多，另一方面第一、三、五极板不会出现相对位移。此外，第二、四极板也不会超出上下最大面积的极板，其动作不会因接触周围物体而受限。

2、极板间弹簧的选择

极板间的弹性柱材料应具有诸如好的弹性、可重复性、长寿命、体积小和廉价等优点。由于金属弹簧易引起短路且易导致介电常数变化，因而不选择使用。

为避免在相邻铜板间使用垂直弹性柱，易引起刚性突变的缺点，我们采用45度角倾斜的弹性柱作为极板间的弹簧。采用多极板电容传感器实现称重工作时，相邻极板间会出现相对移动。采用如图1所示的相邻两组弹性柱弹簧方向相反设置，隔层弹簧方向相同的排列结构，可令称重装置工作时，编号为奇数的极板1间无相对位移。此结构既保证了称重时药瓶无横向位移，又避免了采用垂直弹性柱易引起刚性突变的缺点。

3、极板数量选择

电容传感器的灵敏度分析：

电容传感器电容值C可以用几何参数和介电常数表示如下：

$C={\mathrm{\ϵ}}_r\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{d}---\left(1\right)$

此处电容值C的单位为法拉(F)。ε_r是极板间材料的介电常数，ε₀是真空介电常数。A是极板的正对面积，单位是平方米。d是两极板间的距离，单位是米。

一个传感器的灵敏度反映了输出值随测量参数的变化量。我们把电容传感器的灵敏度定义为这里△G是称重重量，△C是电容值的相应变化量，灵敏度S的单位是F/g。

对于称重传感器，除了极板间距距离d以外，假定所有其他参数恒定。电容容值表示如下：

$C_0+\mathrm{\Δ}C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{d_0-\mathrm{\Δ}d}=\frac{C_0}{1-\frac{\mathrm{\Δ}d}{d_0}}---\left(2\right)$

这里d₀是初始距离，△d是随载荷增加距离变化的变化量。这样，电容的相对变化量为：如果(△d/d₀)<<1，可以泰勒展开成：

$\frac{\mathrm{\&Delta;}C}{C_0}=\frac{\mathrm{\&Delta;}d}{d_0}(1+\frac{\mathrm{\&Delta;}d}{d_0}+{\left(\frac{\mathrm{\&Delta;}d}{d_0}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\&Delta;}d}{d_0}\right)}^3+...)---\left(3\right)$

若省略高次项，可得到公式(4)，

$\frac{\mathrm{\&Delta;}C}{C_0}=\frac{\mathrm{\&Delta;}d}{d_0}---\left(4\right)$

若△G为一粒药片的重量，K为极板间材料的弹性系数，△d是极板间距离随放在极板上的一粒药的变化，则△G＝K△d。从而电容随药片重量变化的灵敏度可定义为：

$S=\frac{\mathrm{\&Delta;}C}{\mathrm{\&Delta;}G}=\frac{\mathrm{\&Delta;}C}{Kd}=\frac{C_0}{{\mathrm{Kd}}_0}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&epsiv;}}_{r}A}{{\mathrm{Kd}}_0^2}---\left(5\right)$

假定A和ε_r保持恒定，则灵敏度S与弹性系数K及初始距离成反比。

若仅保留泰勒展开式中的一次项和二次项，则可得到公式(6)：

$\frac{\mathrm{\&Delta;}C}{C_0}=\frac{\mathrm{\&Delta;}d}{d_0}(1+\frac{\mathrm{\&Delta;}d}{d_0})---\left(6\right)$

因而，若等式(5)用于计算灵敏度，则相对非线性误差e_f为：

$e_f=\frac{\left|{\left(\frac{\mathrm{\&Delta;}d}{d_0}\right)}^2\right|}{\left|\frac{\mathrm{\&Delta;}d}{d_0}\right|}\&times;100\%=\left|\frac{\mathrm{\&Delta;}d}{d_0}\right|\&times;100\%$

如图3(a)所示，当K保持不变时，越小，电容越敏感。由图(b)可以看出，仅当△d/d₀较小时，△d/d₀和△C/C₀之间才存在近似的线性关系，这将有利于称重。从而意味着弹性系数K不应该设计得太小。

由上面的讨论可知，极板初始间距d₀越小，电容越敏感。但是，若距离过小，则导致量程变小，同时易发生短路。因此，一方面，为了增加灵敏度，极板初始距离应设计得尽量小，另一方面，极板间距要满足称重量程要求。

由上面的讨论可知，弹性系数K与灵敏度S成反比，从而，减小弹性系数K可增加测量灵敏度S，但同时也会引起量程减小，另外，还会引起△C与△d之间非常明显的非线性关系。因此应选择适当的弹性系数。

为解决灵敏度与测量量程之间的矛盾，以及尽量保持好的线性关系，我们选择使用多极板电容传感器。多极板电容计算公式为：

$C=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\mathrm{\&epsiv;}}_0(n-1)A}{d}---\left(7\right)$

这里n是极板数。从而在不改变初始距离、极板正对面积和极板间弹性材料弹性系数的情况下，多极板电容的容值为两极板电容容值的(n-1)倍。因此，多极板电容的灵敏度也变为两极板电容灵敏度的(n-1)倍。

具体实施方式二：结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的电容检测器作进一步说明，本实施方式中，所述的电容检测器为五极板电容传感器。五极板电容传感器极板由上到下编号依次为1、2、3、4和5，其中，1和5的尺寸相同，均为2和4尺寸相同，均为3号极板的尺寸为其尺寸关系如图1所示，若板间距为h，则相邻极板半径差为采用该尺寸搭配是为了减少传感器工作时因极板正对面积发生变化而对容值造成的影响。

经过反复实验比较，选择五种典型的电容传感器进行药片数量的测量比较。表1列出了五种电容传感器的参数及测量灵敏度。如图4所示，其中曲线5为四极板电容，其他曲线均为二极板电容。五种电容测量时药片数量与输出电压之间的关系曲线各不相同，测量时最大药片数量是100片，每片药片重1.35g，输出电压信号变化范围-2.5-2.5V，我们用MATLAB将其范围调至0-5V。从图中可以看出，铜板细短弹簧电容检测器的斜率最小，铜极板粗弹簧电容检测器斜率稍大，铜极板细弹簧电容检测器的斜率最大，但该曲线迅速到达测量电压范围的上限。四极板铜粗弹簧电容检测器的曲线最好，不但斜率较大，而且其末端不会超过测量电压范围的上限。由于弹簧过细过少，铝极板细疏弹簧电容检测器的效果最差。

药片数量与输出电压之间的一一映射关系是复杂的。对于一个特定电容，随着药片数量变化，电容极板间距发生相应变化，容值的变化大小与弹性系数K、极板间材料的介电常数ε_r和极板的正对面积A都相关。此外，将电容信号转化为电压信号的过程也是复杂的。因此，在药片数量和输出电压之间没有绝对的线性关系存在，这也就解释了图4和图5中的曲线形状。然而，好的一一对应关系和大斜率将有利于称重。

从图4还可以看到，灵敏度S′随药片数量变化而变化。在表1中，我们用S′来表示平均灵敏度。可以看到，表1中最敏感的是四极板电容传感器。其平均灵敏度19.63mV/g。从图4和图5我们可以看出，整个电压变化范围应当充分利用来测量药片数量。当药片质量确定时，我们可以通过减少极板间PDMS弹簧的数量或尺寸来增加电容数值的变化范围。

表1不同电容传感器的平均灵敏度

从图4还可以了解到，弹簧越硬电容传感器的灵敏度越差，而且曲线斜率越小，尽管此时量程较大。相反，弹簧越软，电容传感器越敏感，曲线斜率越大。因此，铝极板细疏弹簧电容曲线最差，而铜极板粗弹簧电容较好，而四极板铜粗弹簧电容曲线最好。

对于电容传感器，短的极板初始间距、细的且少的弹簧、大的极板面积以及大的板间材料介电常数将会增加灵敏度。而对于后续电路，大的放大倍数将会令输出信号对药片数量变化更敏感。然而，越敏感的电容越容易达到测量极限，而电路放大倍数越大，输出电压越容易达到上限。

因此，在敏感性和大量程之间应该进行折中。一种理想状态是，电容在满足量程要求时，其容值变化范围与电路的输出电压范围一致，即同时达到最大值和最小值。

图5所示为五极板铜电容与四极板铜电容的电压-重量曲线图，可以看到，在灵敏度方面，五极板电容要略优于四极板电容。使用五极板铜电容传感器，重复一组实验。表2为五极板铜电容测量药片时的电压与药量关系，药片数量范围为1-100，电压变化范围为57mV-3170mV。使用五极板铜电容传感器测量，其平均灵敏度达到23.06mV/g。

表2电压与药片数量的对应关系

具体实施方式三：结合图6至图9说明本实施方式，本实施方式是基于实施方式一所述的电容检测器的药片称重装置，该药片称重装置包括电容检测器、转换器、计算模块和显示器，转换器用于将电容检测器产生的电容信号转化为电压信号，计算模块用于根据电压与重量的关系将所述电压信号计算成药片的重量，并将重量信号发送至显示器进行显示。

所述转换器包括±2.5V电源、变压器T、参考电容C₀、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、滑动变阻器R_f1、滑动变阻器R_f2、滑动变阻器R_f3、运算放大器v₀、运算放大器v₁、运算放大器v₂、运算放大器v₃、二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄、稳压电容C₁和稳压电容C₂，±2.5V电源同时连接电容检测器C_x的一个输出端和参考电容C₀的一端，电容检测器C_x的另一个输出端同时连接电阻R₁的一端和运算放大器v₀的反相输入端连接，运算放大器v₀的正相输入端连接电源地，运算放大器v₀的输出端同时连接电阻R₁的另一端和电阻R₃的一端，电阻R₃的另一端同时连接滑动变阻器R_f1的一端和运算放大器v₂的正相输入端，运算放大器v₂的输出端同时连接变压器T的初级线圈的一端、滑动变阻器R_f2的一端和滑动变阻器R_f2的滑动端，变压器T的初级线圈的另一端连接电源地，滑动变阻器R_f2的另一端同时连接运算放大器v₂的反相输入端和电阻R₄的一端，电阻R₄的另一端同时连接电阻R₂的一端和运算放大器v₁的输出端，运算放大器v₁的正向输入端连接电源地，运算放大器v₁的反向输入端同时连接电阻R₂的另一端和参考电容C₀的另一端，运算放大器v₃的输出端作为电压信号输出端。

如图6所示，采用转换器将变化的电容信号转化为变化的电压信号，然后，输出的电压信号发送至显示器，同时还可以通过蓝牙传送到手机或电脑终端上。

本实施方式中，电容传感器的容值只有几个皮法，而随药片数量变化所引起的电容变化会更小，且易受环境干扰。此外，一个非常小的变化很难通过普通的LCR表的测量得到，而高灵敏度的仪表只能用于实验室。从而，我们只能用高灵敏度的接口电路作为替代。如图5所示，为检测象征药瓶中药片数量的电容变化，我们设计了一个基于可调参考电容的接口电路，这里，C_x和C₀分别代表被测电容(即电容检测器输出的电容值)和参考电容。使用电压变化范围为±2.5V、频率为100kHz的输入信号V_in。前端两个微分器将电容值转化为信号幅值，进一步使用一个差分放大器提取并放大两信号之差。当药瓶中无药片时，C₀可作为电容传感器的初始值，因而当药瓶中无药时V_out1等于0。为了测量方便，通常用普通桥式整流器将交流信号V_out1转换成为直流。

药片称重装置可以只包含一个电容检测器(如图8所示)，用于测量单个药瓶，也可以包含多个电容检测器(如图9所示)，用于测量多个药瓶。当包含多个电容检测器时，每个电容检测器配备一个转换器。

本实施方式所述的药片称重装置采用电容检测器作为核心器件，具有灵敏度高、检测准确性强、成本低廉等优点。

具体实施方式四：本实施方式是实施方式一所述的电容检测器的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、选取多个圆形的金属极板1；

步骤二、配制混合液：将聚二甲基硅氧烷与硬化剂按10∶1比例混合均匀，得到混合液；

步骤三、制作模板：在一块聚四氟乙烯板上均匀钻孔，作为模板待用，孔的轴线与聚四氟乙烯板板面的夹角为45度；

步骤四、制作硅胶柱2：将模板放入培养皿中，同时在模板表面涂抹脱模剂，将混合液倒入培养皿中的模板上，使混合液均匀流入孔内，且混合液要覆盖模板表面，将培养皿放入真空干燥箱内抽真空，取出后水平放置在加热台上加热一小时后脱模，得到一组硅胶柱2，重复该过程n-1次得到n-1组硅胶柱2；

步骤五、极板1与硅胶柱2结合：将n-1组硅胶柱2与步骤一中的n-1个极板1表面同时处理干净，并一同放入等离子设备中进行表面处理，然后将每组硅胶柱2与一个极板1表面紧密结合，形成n-1个极板1与硅胶柱2的结合体；

步骤六、两个极板1的叠加：将一个极板1放入培养皿中，在该极板1没有硅胶柱2的表面均匀滴上混合液，取出一个极板1与硅胶柱2的结合体，将该结合体中的硅胶柱2放置在滴有混合液的极板1表面，将该培养皿置于加热台上加热，完成两个极板1的叠加，采用同样的方法完成n个极板1的叠加，得到所述电容检测器。

极板间弹性材料应具有好的弹性、可重复性、长寿命、体积小和廉价等优点。我们选则使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)来制作弹簧。液态的PDMS是一种无色、无味、无毒的粘稠液体，同时具有稳定不易燃的惰性液体，经常被称之为硅油。固态时，PDMS是一种呈透明的弹性硅脂，具有无毒、疏水、防水及惰性等特性。此外，固态的PDMS不易燃、相容性好、光学清晰，易与各种材料结合。由于杨氏模量较低，固态PDMS具有高弹特性。

PDMS的应用领域涉及密封、润滑、触摸屏以及胸部植入体等，其低收缩率和可重用性使其适合于软光刻工艺。

本实施方式提出的制作电容检测器的工艺流程简单、快速且成本低。

在该工艺流程中，主剂和固化剂按10：1混合。通过抽真空，空气气泡浮到混合液表面破裂。使用加热台或烘箱将混合液加热到摄氏120度，并保温一小时，就得到了固态的PDMS。

等离子体(Plasma)是一种物质状态，主要由自由电子和带电离子构成，广泛存在于宇宙空间中，常被认为是物质的第四种状态。Plasma的导电率非常高，其本身是既包含物理又包含化学活动粒子的电中性混合物。这些自由活动的粒子可以做化学功。而带电原子和粒子可以通过做溅射做物理功。通过物理轰击和化学反应，Plasma工艺可实现各种材料的表面修改，包括表面激活、污染物去除、等离子体刻蚀等。

使用Plasma装置处理表面时，电容极板及PDMS弹性材料可以被紧紧地粘在一起。