一种基于电容器边缘场效应的接近传感器及其设计方法

本发明属于传感器，具体涉及一种基于电容器边缘场效应的接近传感器及其设计方法。

背景技术：

1、电容传感器是以电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换为电容量变化的一种转换装置，具有结构简单、重量轻、能耗低等优点，被广泛应用于测量位移、角度、振动、速度、压力等领域。

2、接近感测，无需直接接触检测对象，就能将检测对象的移动信息和存在信息转化为电学响应。接近感测，作为压力感测的一种互补功能，可以扩展普通单功能触觉传感器的检测模式，实现对接近对象精确位置的识别与快速响应。而基于电容测量的接近传感器易于制作和集成，并且可以在不受颜色和纹理影响的情况下检测接近的物体。

3、根据电极设置，电容传感器可分为自电容传感器和互电容传感器。自电容传感器由单个发射电极组成，被测物体接地，并被用作虚拟电极，电场线从发射电极开始，终止与被测对象的接地边界。互电容传感器由发射电极与接收电极组成，当物体靠近时，物体干扰并破坏边缘电场并捕获两电极间部分电荷，从而降低了两电极间的电容值。本发明采用的是互电容传感器。

4、高信号强度和高灵敏度的接近传感器可以实现更精确和可靠的检测，对靠近的物体做出快速响应。为提高接近传感器的信号强度和灵敏度，有必要研发设计了一种基于电容器边缘场效应的新型接近传感器。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是提供了一种基于电容器边缘场效应的接近传感器及其设计方法，该接近传感器具有高信号强度和高灵敏度，能够较好地用于非接触式物体检测。

2、本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种基于电容器边缘场效应的接近传感器，其特征在于包括正方形介质基板、同时印制于介质基板一侧的发射电极和接收电极及印制于介质基板另一侧的正方形屏蔽电极，其中接收电极包括长方形接收电极公共端及均匀分布且垂直连接于接收电极公共端一侧的主干电极一，右端的主干电极一左侧均匀连接有正方形锯齿电极且在邻近接收电极公共端的左侧位置设有与接收电极公共端连接的长方形锯齿电极一，左端的主干电极一右侧均匀连接有正方形锯齿电极且在邻近接收电极公共端的右侧位置设有与接收电极公共端连接的长方形锯齿电极二，中部的主干电极一左右两侧均匀连接有错位交替设置的正方形锯齿电极且在邻近接收电极公共端的左侧位置设有与接收电极公共端连接的长方形锯齿电极一以及在邻近接收电极公共端的右侧位置设有与接收电极公共端连接的长方形锯齿电极二，发射电极包括与接收电极公共端平行相对设置的长方形发射电极公共端及均匀分布且垂直连接于发射电极公共端一侧的主干电极二，该主干电极二设置于相邻主干电极一之间的缝隙中，主干电极二左右两侧均匀连接有错位交替设置的正方形锯齿电极且在邻近发射电极公共端的左侧位置设有与发射电极公共端连接的长方形锯齿电极一以及在邻近发射电极公共端的右侧位置设有与发射电极公共端连接的长方形锯齿电极二，当外界物体靠近该接近传感器时，接近传感器的电场强度降低，电容值减小，反映出外界物体的存在；所述接近传感器的电容变化量与外界物体距离接近传感器的间距呈现非线性负相关关系，即外界物体距离接近传感器的间距越小，电容变化量越大。

3、进一步限定，所述介质基板的边长为70mm，厚度为1.6mm，该介质基板的材质为fr4，介电常数为4.4；所述屏蔽电极的边长为65mm，厚度为0.035mm，该屏蔽电极的材质为铜；所述发射电极与接收电极的厚度均为0.035mm，且该发射电极和接收电极的材质均为铜。

4、进一步限定，所述发射电极和接收电极共同设置于介质基板一侧的正方形区域内且发射电极和接收电极的外包络线分别与该正方形区域的四个边缘线重合，正方形区域的四个边缘线分别与介质基板四个边平行，且正方形区域的中心点与介质基板的中心点重合，正方形区域的边长为60mm，将介质基板垂直放置在水平面上，则正对介质基板正面，发射电极公共端位于下方，接收电极公共端位于上方，定义长为上下方向，宽为左右方向，接收电极公共端和发射电极公共端的长宽分别为4mm和60mm，发射电极公共端上沿与接收电极公共端下沿间距为52mm，接收电极的主干电极一个数为四个，发射电极的主干电极二个数为三个，发射电极的三个主干电极二依次设置于接收电极的四个主干电极一相邻的缝隙中且相邻的主干电极一与主干电极二之间的间距为5mm，接收电极的四个主干电极一中位于两端的两个主干电极一的长宽分别为51mm和2.5mm，位于中间的两个主干电极的长宽分别为51mm和5mm，发射电极的三个主干电极二的长宽分别为51mm和5mm，发射电极各主干电极二与发射电极公共端连接处左侧设置长方形锯齿电极一，该长方形锯齿电极一右侧边缘与其右边邻近的主干电极二紧密相连，长方形锯齿电极一下侧边缘与发射电极公共端紧密相连，长方形锯齿电极一在上下方向的边长为1mm，左右方向的边长为2mm，发射电极中在长方形锯齿电极一正上方每间隔2mm设置一个边长为2mm的正方形锯齿电极，共十二个，该正方形锯齿电极右侧边缘与其右边邻近的主干电极二紧密相连，发射电极各主干电极二与发射电极公共端连接处右侧设置长方形锯齿电极二，该长方形锯齿电极二左侧边缘与其左边邻近的主干电极二紧密相连，长方形锯齿电极二下侧边缘与发射电极公共端紧密相连，长方形锯齿电极二在上下方向的边长为3mm，左右方向的边长为2mm，发射电极中在长方形锯齿电极二正上方每间隔2mm设置一个边长为2mm的正方形锯齿电极，共十二个，该正方形锯齿电极左侧边缘与其左边邻近的主干电极二紧密相连；在除去最右端的其余接收电极的主干电极一与公共端连接处右侧分别设置一个长方形锯齿电极二，该长方形锯齿电极二左侧边缘与其左边邻近的主干电极一紧密相连，长方形锯齿电极二上侧边缘与接收电极公共端紧密相连，长方形锯齿电极二在上下方向的边长为3mm，左右方向的边长为2mm，接收电极中在长方形锯齿电极正下方每间隔2mm设置一个边长为2mm的正方形锯齿电极，共十二个，该正方形锯齿电极左侧边缘与其左边邻近的主干电极一紧密相连；在除去最左端的其余接收电极的主干电极一与公共端连接处左侧分别设置一个长方形锯齿电极一，该长方形锯齿电极一右侧边缘与接收电极的主干电极紧密相连，长方形锯齿电极一上侧边缘与接收电极公共端紧密相连，长方形锯齿电极一在上下方向的边长为1mm，左右方向的边长为2mm，接收电极中在长方形锯齿电极一正下方每间隔2mm设置一个边长为2mm的正方形锯齿电极，共十二个，该正方形锯齿电极右侧边缘与主干电极一紧密相连。

5、本发明所述基于电容器边缘场效应的接近传感器的设计方法，其特征在于所述发射电极与接收电极的具体设计过程为：将介质基板垂直放置在水平面上，以介质基板的几何中心点为原点，设与水平面平行的轴为x轴，与水平面垂直的轴为y轴，建立直角坐标系；正对直角坐标系，定义x轴上原点向右为x正半轴、y轴上原点向上为y正半轴；设介质基板的几何中心为原点，即定位点z（0，0），发射电极设计：以中心坐标为起点向y轴负半轴方向平移2.5mm得到定位点t（0，-2.5），t为发射电极中心，首先以t为中心绘制一个长宽分别为55mm和60mm的矩形t1，定义x轴方向为宽，y轴为长；以（-27.25，-0.5）为中心绘制一个长宽分别为51mm和5.5mm的矩形t2；以（-11，-0.5）为中心绘制一个长宽分别为51mm和5.5mm的矩形t3；以（-23.5，-24）为中心绘制一个边长为2mm的正方形，接着，沿y轴正方向，每间隔2mm，绘制一个边长为2mm正方形，共13个，设该13个正方形为t4；以（-16.5，-22）为中心绘制一个边长为2mm的正方形t5，接着，沿y轴正方向，每间隔2mm，绘制一个边长为2mm正方形，共12个，设该12个正方形为t5，保持t2，t3，t4，t5位置不变，将t2，t3，t4，t5沿着x轴正方向平移20mm，得到t2’，t3’，t4’，t5’；保持t2’，t3’，t4’，t5’位置不变，将t2’，t3’，t4’，t5’沿着x轴正方向平移20mm，得到t2’’，t3’’，t4’’，t5’’，最后，用t1减去t2，t3，t4，t5，t2’，t3’，t4’，t5’，t2’’，t3’’，t4’’和t5’’即可得到所述发射电极；接收电极设计：以中心坐标为起点向y轴正半轴方向平移2.5mm得到定位点r（0，2.5），r为接收电极中心，首先以r为中心绘制一个长宽分别为55mm和60mm的矩形r1；以（-20，0.5）为中心绘制一个长宽分别为51mm和11mm的矩形r2；以（-26.5，-22）为中心绘制一个边长为2mm的正方形，接着，沿着y轴正方向，每间隔2mm，绘制一个边长为2mm正方形，共12个，设该12个正方形为r3；以（-13.5，-24）为中心绘制一个边长为2mm的正方形，接着，沿着y轴正方向，每间隔2mm，绘制一个边长为2mm正方形，共13个，设该13个正方形为r4，保持r2，r3，r4位置不变，将r2，r3，r4沿着x轴正方向平移20mm，得到r2’，r3’，r4’；保持r2’，r3’，r4’位置不变，将r2’，r3’，r4’沿着x轴正方向平移20mm，得到r2’’，r3’’，r4’’，最后，用r1减去r2，r3，r4，r2’，r3’，r4’，r2’’，r3’’和r4’’即可得到所述接收电极。

6、本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：本发明设计的基于电容器边缘场效应的接近传感器具有更高的信号强度和更高的灵敏度。