一种接触式平行板三维力压力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于压力传感器技术领域，设及电容式=维力压力传感器，具体设及一种 接触式平行板=维力压力传感器。
【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W及动态响应好等优点，尤 其是对高温、福射、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W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，该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X10行的矩阵压力传感器，CN2012102984097 采用的40乘W40压敏电阻矩阵，不能进行S维力计算。
【发明内容】
[0003] 为了克服W上现有技术的不足，本发明提出一种接触式平行板=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。
[0004] 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=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W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W上宽度a。长度b。条状电容单 元组成的第一条状电容单元组和两个W上宽度ka。长度b。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Sg和右差位5右，b〇驱=b〇感+5右+ 5 t，其中，为条状电容单元的驱动电极长度，为条状电容单元的感应电极宽度。所述 差位5左=5右，且S',.. >d【)? 其中d〇为介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，Tmax为 最大应力值。所述梳齿状结构包括20个W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as。所述平行板面积S=M(au+2as+ka。） ba/2,其中，M为条状电容单元数量，b。为条状电容单元的长度，a。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a〇 =^，其中，d。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。
[0005] 本发明有益效果是；为了提高接触式电容=维力传感器的灵敏度、可靠性和稳定 性，设计出了WPCB板为平行板电极和PDMS为基材的介质层，平面尺寸为10XIOmm2的组合 式电容敏感器件。本发明在通过电容测量=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a。和Ka。的条状电容单元等方法有效解决S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】
[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是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元及其坐标系。
[0008] 图2是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元示意图。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 图5是本发明的【具体实施方式】的宽度为a。和ka。的电容对受力偏移图。
[0012] 图6是本发明的【具体实施方式】的平行板=维力压力传感器结构图。
[0013] 图7是本发明的【具体实施方式】的单元电容对的信号示意图。
[0014] 图8是本发明的【具体实施方式】的平行板电容器剖面结构。
[00巧]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】
[0016] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的【具体实施方式】如所设及的各构件 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，W帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术 方案有更完整、准确和深入的理解。
[0017] 如图4-6为本发明压力传感器的极板结构图，一种接触式平行板=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W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W上宽度a。长度b。条状电容单元 组成的第一条状电容单元组和两个W上宽度ka。长度b。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5左和右差位5右，b〇驱=b〇感+5右+ 5左， 其中，为条状电容单元的驱动电极长度，为条状电容单元的感应电极长度。所述差 位5左=5右，且S',.. >d()'：^，庚中do为介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，Tmax为最大 应力值。所述梳齿状结构包括20个W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as。所述平行板面积S=M(au+2as+kau)by2， 其中，M为条状电容单元数量，b。为条状电容单元的长度，a。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或者独立连接到 控制单元。所述条状电容单元的宽度a〇 =^，其中，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。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组与控制单 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。
[001引1、条状电容单元的转换特性
[0019] (1)激励信号和坐标系
[0020] 将条状电容单元置于图1所示的直角坐标系中，极板平面长度b。、宽度a。、介质厚 度d。。S维激励施加于电容极板的外表面，产生的接触式作用力具有Fx、巧和Fz S个方 向分量，Fx和巧的作用方向沿X轴和Y轴，Fz的作用方向沿OZ轴即S方向，法向和切向应 力均为一种应力张量，从电极的引线间即可输出电容响应；法向应力0。=Fn/A，其中A= a。'b。为极板法向受力面，化=Fz为法向分量；两侧表面上产生成对的切向应力TX=Fx/ A，Ty=Fy/A。
[0021] 根据弹性力学中的虎克定律，O。和Ty，Ty都将使弹性体产生相应的变形。其中，
[002引式中，E为弹性介质的杨氏模量（单位；GN/i。，G为弹性介质的抗剪模量（单位；GN/m2)，Sn为弹性介质的法向位移（单位：ym)，而Sx和Sy为电容器上下两极板的相 对错位（单位：ym)，其正负号由坐标轴指向决定。
[0026] (2)电容公式及其输入输出特性
[0027] 矩形平行板电容器的初始电容为：
[0028]
[002引式中，e0真空介质电常数为8. 85PF/m，et= 2. 5为电介质的相对介电常数。d。 受。。的激励产生相对变形e。二5。/屯=。。/6,代入（4)得到输入输出特性
[0030]
[0031] (3)法向应力作用下的线性度和灵敏度
[0032] a、法向线性度
[003引在妨式中F。在分母中，故C"=f(F。）的关系是非线性的，因转换量程中的最大 值0n"x与介质弹性常数E相比，e。是个很小的量，即分母中e。<< 1，将妨按级数展 开并略去二次方W上的高阶无穷小，（5)式可简化为：
[0034]
(6)
[0035] 可见在C。与F。的转换特性中的法向线性度的最大相对误差接近于零。
[003引 b、灵敏度
[0042] 随F。而变，F。愈大，S"2愈大，在整个转换特性上呈轻微非线性。
[0043] (4)切向应力Tx和Ty激励下的电容变化
[0044] 切向应力TX和Ty并不改变极板的几何尺寸参数b。和a。，对介质厚度d。也不产 生影响。然而Ty和Ty改变了条状电容单元的空间结构，正向面对的上下极板之间发生了 错位偏移。现WOX方向为例，极板在Ty作用下的错位偏移5y。
[004引在图2中当TX为零时，a0上=a0下是正对的，基板之间有效截面At=a0'b0;在图 3中，在Ty右向的作用下，上极板相对于下极板产生了向右的错位偏移5y，从而使上下极 板之间在计算电容时的有效面积At= (3。-5,) .b。;图4中，当TX为左向时，错位偏移5X 则向左，而At= (a。-5J.b。，Ty在左向和右向时，有效面积的减少量相同，由此产生的电 容为：
[005。 （11)式即为切应力下的输入-输出特性，Ct与TX呈