一种圆环式接触式平行板三维压力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型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 一种圆环式接触式平行板三维压力传感器。
【背景技术】
[0002] 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XlO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。 【实用新型内容】
[0003]根据以上现有技术的不足，本实用新型提出一种圆环式接触式平行板三维压力传 感器，通过差动电容组合，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。
[0004]为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：一种圆环式接触式平行板三 维压力传感器，所述传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的圆环电容单元组和条状 电容单元组，所述圆环电容单元组用于测切向力和法向力的大小，所条状电容单元组用于 测量切向力的方向，所述条状电容单元组设置在基板圆环电容单元组外的四角。圆环电容 单元组包括两组以上圆环电容单元对，所述圆环电容单元对包括两个圆环电容单元，所述 条状电容单元组包括X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组，X方向差动电容单 元组和Y方向差动电容单元组均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，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，每个圆环电容单元和条状电容 单元均包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。所述每个圆环电容单元的感应电极 和驱动电极正对且形状相同，所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，条 状电容单元的驱动电极长度大于感应电极长度，条状电容单元的驱动电极长度两端分别预 留左差位S左和右差位S右，b0驱=b0感+5右+ 5左，其中b0驱为条状电容单元的驱动电极长 度，Wig为条状电容单元的感应电极长度。所述条状电容单元的左差位Ss=右差位S$，
述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向 设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。所述圆环电容单元组包括n个同心圆环
0相邻两圆环电容电容之间的电极间距。所述电容单元模块采用梳齿状结构，X方向差动电
#)，其中，aT为平行板的长度，a5 #为相邻两条状电容单元之间的电极间距，a。条状电容单 元的宽度。所述同心圆环电容单元的宽度10和条状电容单元的宽度a。相等；条状电容单
中，d。为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述圆环电容单 元组和条状电容单元组的驱动电极通过一个引出线与控制单元连接，所述圆环电容单元组 的每个圆环电容单元的感应电极单独引线与控制单元连接，所述X方向差动电容单元组和 Y方向差动电容单元组的电容单元模块感应电极分别各自通过一个引出线引出与控制单元 连接。所述圆环电容单元、电容单元模块和控制单元之间分别设有中间变换器，变换器用于 设置电压或频率对电容的传输系数。
[0005] 本实用新型有益效果是：为了提高接触式电容三维力传感器的灵敏度，转换精度 以及机器人触觉传感系统的可靠性与稳定性，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IOXIOmm2的组合式电容敏感器件。本实用新型在通过电容测量 三维力的基础上，有效使用平板单用的使用面积，并且通过差动等方法有效解决三维力相 互影响，从而使法向与切向转换都达到较高的线性、精度与灵敏度。设计指标中，电容转换 的法向灵敏度和切向灵敏度可达到810fF/N，为机器人触觉传感器系统提供了一种新型方 便灵活的器件选择。
【附图说明】
[0006] 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：
[0007] 图1是本实用新型的【具体实施方式】的同心圆环偏移错位面积分析图。
[0008] 图2是本实用新型的【具体实施方式】的为外同心圆环错位对外径圆分析图。
[0009] 图3是本实用新型的【具体实施方式】的平行板电容的平面设计图。
[0010] 图4是本实用新型的【具体实施方式】的驱动电极的结构图。
[0011] 图5是本实用新型的【具体实施方式】的平板电容板的直角坐标系。
[0012] 图6是本实用新型的【具体实施方式】的两组圆环电容组结构图。
[0013]图7是本实用新型的【具体实施方式】的差动条状电容单元的初始错位图。
[0014] 图8是本实用新型的【具体实施方式】的差动条状电容单元受力后偏移图。
[0015] 图9是本实用新型的【具体实施方式】的单元电容对的信号差动示意图。
[0016] 图10是本实用新型的【具体实施方式】的平行板电容器剖面结构。
[0017] 其中，1、上PCB基板，2、下PCB基板，3、驱动电极，4、感应电极，5、弹性介质。
【具体实施方式】
[0018] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本实用新型的【具体实施方式】如所涉及的各 构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工 艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本实用新型的实用 新型构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
[0019] -种圆环式接触式平行板三维压力传感器，所述传感器包括控制单元、与控制单 元分别连接的圆环电容单元组和条状电容单元组，所述圆环电容单元组用于测切向力和法 向力的大小，所条状电容单元组用于测量切向力的方向，所述条状电容单元组设置在基板 圆环电容单元组外的四角。圆环电容单元组包括两组以上圆环电容单元对，所述圆环电容 单元对包括两个圆环电容单元，所述条状电容单元组包括X方向差动电容单元组和Y方向 差动电容单元组，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括两个以上相互形 成差动的电容单元模块，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，每个圆环电容单元和条状电容单元均包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。 所述每个圆环电容单元的感应电极和驱动电极正对且形状相同，所述每个条状电容单元的 驱动电极和感应电极宽度相同，条状电容单元的驱动电极长度大于感应电极长度，条状电 容单元的驱动电极长度两端分别预留左差位8&和右差位+ 其中 为条状电容单元的驱动电极长度，Wig为条状电容单元的感应电极长度。所述条状电容
剪模量，Tyniax为最大应力值。所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱 动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。所述圆环
圆环电容单元圆环的宽度，a50相邻两圆环电容电容之间的电极间距。所述电容单元模块 采用梳齿状结构，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括m个条状电容单
之间的电极间距，a。条状电容单元的宽度。所述同心圆环电容单元的宽度和条状电容单 元的宽度a。相等；条状电容单元电极间距a5 #和圆环电容单元电极间距a5 0相等，所述条
的抗剪模量。所述圆环电容单元组和条状电容单元组的驱动电极通过一个引出线与控制单 元连接，所述圆环电容单元组的每个圆环电容单元的感应电极单