[實用新型]一種接觸式平行板差動三維力壓力傳感器

有效

• 申請號: 201520564554.4
• 申請日: 2015-07-28
• 公開（公告）號: CN204788762U
• 公開（公告）日: 2015-11-18
• 發明（設計）人: 王軍;何森崗;李心源;趙全
• 申請（專利權）人: 安徽工程大學
• 主分類號: G01L5/16
• 分類號: G01L5/16
• 代理公司: 蕪湖安匯知識產權代理有限公司 34107
• 代理人: 馬榮

技術領域

本實用新型屬于壓力傳感器技術領域，涉及電容式三維力壓力傳感器，具體涉及一種接觸式平行板差動三維力壓力傳感器。

背景技術

電容式觸覺傳感器具有結構簡單、造價較低、靈敏度高以及動態響應好等優點,尤其是對高溫、輻射、強振等惡劣條件的適應性比較強。但是,該類型的傳感器輸出一般會表現為非線性,并且固有的寄生電容和分布電容均會對傳感器的靈敏度和測量精度產生影響。上世紀70年代以來,隨著集成電路技術的發展,出現了與微型測量儀表封裝在一起的電容式傳感器,這種新型的傳感器能夠大大減小分布電容的影響,克服了其固有的缺點。電容式觸覺傳感器是一種用途極廣,很有發展潛力的傳感器。壓力傳感器都只是采集豎直方向上的壓力：如中國專利CN201110074892.6采用的是10個對應腳底壓力分布點的薄膜壓力傳感器；CN201010230489.3采用的是8列×10行的矩陣壓力傳感器，CN2012102984097采用的40乘以40壓敏電阻矩陣，不能進行三維力計算。

實用新型內容

為了克服以上現有技術的不足，本實用新型提出一種接觸式平行板差動三維力壓力傳感器，通過差動電容組合，解決了電容式壓力傳感器主要用于豎直壓力測試的問題，具有線性度高，靈敏度高的有益效果。

為了實現上述目的，本實用新型采取的技術方案為：一種接觸式平行板差動三維力壓力傳感器，所述傳感器包括控制單元、與控制單元分別連接的X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合，所述X方向差動電容單元組合通過電容值相減計算X方向的切向力且消除Y方向切向力影響，所述Y方向差動電容單元組合通過電容值相減計算Y方向的切向力且消除X方向切向力影響，所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合的電容值求和計算電容傳感器的法向力且消除切向力影響。所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合均包括兩個以上相互形成差動的電容單元模塊，所述電容單元模塊是由兩個以上的條狀電容單元組成的梳齒狀結構，每個條狀電容單元包括上極板的驅動電極和下極板的感應電極。所述每個條狀電容單元的驅動電極和感應電極寬度相同，驅動電極的長度大于感應電極長度，驅動電極長度兩端分別預留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驅＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驅為條狀電容單元的驅動電極長度，b_0感為條狀電容單元的感應電極長度。所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀為彈性介質厚度，G為彈性介質的抗剪模量，τ_max為最大應力值。所述兩組相互形成差動的電容單元模塊的條狀電容單元的驅動電極和感應電極沿寬度方向設有初始錯位偏移，錯位偏移大小相同、方向相反。所述梳齒狀結構包括20個以上條狀電容單元、與條狀電容單元一一對應連接的引線，相鄰兩條狀電容單元之間設有電極間距a_δ。所述平行板面積S＝M(a₀+a_δ)b₀，其中，M為條狀電容單元數量，b₀為條狀電容單元的長度，a₀條狀電容單元的寬度。所述電容單元模塊的每個條狀電容單元的引線通過并聯或者獨立連接到控制單元。所述條狀電容單元的寬度其中，d₀為彈性介質厚度，E為彈性介質的楊氏模量，G為彈性介質的抗剪模量。所述控制單元和電容單元模塊之間設有中間變換器，中間變換器用于設置電壓對電容或頻率對電容的傳輸系數。

本實用新型有益效果是:為了提高接觸式電容三維力傳感器的靈敏度，轉換精度以及觸覺傳感系統的可靠性與穩定性，設計出了以PCB板為平行板電極和PDMS為基材的介質層，平面尺寸為10×10mm²的組合式電容敏感器件。本實用新型在通過電容測量三維力的基礎上，有效使用平板面積，并且通過差動等方法有效解決三維力間耦合，從而使法向與切向轉換都達到較高的線性、精度與靈敏度。

附圖說明

下面對本說明書附圖所表達的內容及圖中的標記作簡要說明：

圖1是本實用新型的具體實施方式的條狀電容單元及其坐標系。

圖2是本實用新型的具體實施方式的條狀電容單元示意圖。

圖3是本實用新型的具體實施方式的條狀電容單元右向偏移示意圖。

圖4是本實用新型的具體實施方式的條狀電容單元左向偏移示意圖。