CN112146693B - 一种电容传感器灵敏度大幅度调节方法 - Google Patents

一种电容传感器灵敏度大幅度调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电容传感器灵敏度大幅度调节方法，所述电容传感器包括弹性基底，动片电极和定片电极，所述动片电极的自由端与弹性基底固定连接，所述定片电极与弹性基底固定连接，所述动片电极与定片电极间存在间隙，通过给所述弹性基底施加拉应变，改变动片电极与定片电极间的初始间隙，实现电容传感器灵敏度的大幅度调节。本发明实现电容传感器灵敏度大幅度调节的方法适用范围广，普适性强，同时实施方式简单并能够实现电容传感器的灵敏度的大幅度调节。

Description

一种电容传感器灵敏度大幅度调节方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体地，涉及一种电容传感器灵敏度大幅度调节方法。
背景技术
电容传感器能够通过三种方式改变电容，分别为改变间隙、改变面积和改变材料的介电常数。其中，改变间隙和改变面积的传感方式最为常用，改变介电常数的传感方式一般用于化学物质的检测。改变面积从而改变电容的传感方式，灵敏度始终保持不变，无法调节。在小位移或者小转角的前提下，改变间隙的电容结构(包含平动和转动，单个电容结构和差分电容结构)灵敏度为常数，无法调节。当改变间隙的电容结构位移或者转角较大时，灵敏度随着间隙变化而变化，间隙越小，灵敏度越高，存在理论上灵敏度调节的可能性。
但通过改变间隙改变电容的方式在实际应用中存在两点不足限制了其实际应用的可行性：(1)在实际应用中，每次测量结束后，动片电极都会回到初始位置。初始间隙是固定的，即初始的灵敏度也是固定的。如果需要在刚开始测试时即具有特定的灵敏度，那么该结构必须有额外的驱动装置，将动片驱动到特定位置并保持住，使其满足灵敏度的需求，这给实际操作带来了困难；(2)更为重要的是，当位移或者转角较大时，电容输出信号与输入载荷不是线性关系，这给后续的信号处理带来了麻烦。因此，现有的所有电容结构和改变电容的方式，都不能在保证输出与输入线性相关的前提下，实现电容传感器灵敏度的大幅度调节。
但是灵敏度可大幅度调节的电容传感器将大大拓宽单个传感器的应用范围，并且有望应用于涉及力学性质大幅度变化的应用场合。例如，鼠肝脏巨噬细胞的骨架在受到化学攻击后，整个细胞的弹性模量会减小7倍。为了测量整个弹性模量减小的连续过程，希望细胞弹性模量较高时，传感器的灵敏度低，保证有足够大的测量量程；细胞弹性模量较低时，传感器的灵敏度高，保证有足够高的灵敏度。此时，具备灵敏度可大幅度调节的传感器将会有极大的优势。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种电容传感器灵敏度大幅度调节方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种电容传感器灵敏度大幅度调节方法，所述电容传感器包括弹性基底，动片电极和定片电极，所述动片电极的自由端与弹性基底固定连接，所述定片电极与弹性基底固定连接，所述动片电极与定片电极间存在初始间隙d0，通过给所述弹性基底施加拉应变，改变动片电极与定片电极间的初始间隙d0，实现电容传感器灵敏度的大幅度调节。
可选地，所述弹性基底的相对面设置夹持件，所述夹持件被配置为固定对所述弹性基底施加作用力的施力件。
可选地，所述动片电极通过键合结点与弹性基底粘接方式或键合方式连接。
可选地，所述动片电极呈拱桥型或呈平面结构。
可选地，所述定片电极的形状为圆形、椭圆形、多边形中至少一种。
可选地，所述动片电极远离定片电极的表面设置基材。
可选地，所述动片电极靠近定片电极的表面和/或所述定片电极靠近动片电极的表面设置绝缘层。
可选地，所述电容传感器通过屈曲组装方式或3D打印技术加工成型。
可选地，所述电容传感器采用平板、扭转式差分电容结构，平板、扭转式单个电容结构，平板、平动式差分电容结构，平板、平动式单个电容结构，梳齿式差分电容结构，梳齿式单个电容结构中的至少一种。
可选地，通过单轴拉伸和/或双轴拉伸和/或多轴拉伸施加拉应变，改变动片电极与定片电极间的初始间隙，实现电容传感器灵敏度的大幅度调节。
本发明的发明人发现，在现有技术中，电容传感器的灵敏度无法实现大幅度的调节。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。
本发明提出了一种电容传感器灵敏度大幅度调节的方法，该方法通过给弹性基底施加拉应变，从而改变电容传感器动片电极与定片电极的初始间隙，最终实现电容传感器灵敏度的大幅度调节。灵敏度可大幅度调节这一特性是以往传感器所不具有的，极大地扩大了单个传感器的应用范围。本发明实现电容传感器灵敏度大幅度调节的方法适用范围广，普适性强，同时实施方式简单并能够实现电容传感器的灵敏度的大幅度调节。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1所示为本发明实现灵敏度大幅度调节的原理示意图。
图2所示为本发明灵敏度可大幅度调节的电容传感器的加工原理图。
图3所示为本发明电容传感器中定片电极的图案化处理加工原理图。
图4所示为本发明电容传感器采用其他方式进行加工的加工原理图。
图5所示为本发明第二实施例的电容传感器的动片结构原理图。
图6所示为本发明第三实施例的电容传感器的动片结构原理图。
图7所示为本发明第四实施例的电容传感器的定片结构原理图。
图8所示为本发明第五实施例的电容传感器的结构原理图。
图9所示为本发明第六实施例的电容传感器的结构原理图。
图10所示为本发明第七实施例的电容传感器的结构原理图。
图11所示为本发明第八实施例的电容传感器的结构原理图。
图12所示为本发明第九实施例的电容传感器的结构原理图。
图13所示为本发明第十实施例的电容传感器的结构原理图。
图14所示为本发明第十一实施例的电容传感器的结构原理图。
图15a所示为本发明一种实施例的电容传感器的结构示意图。
图15b所示为图15a所示的电容传感器的拉应变与间隙关系曲线图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
根据本发明的一个实施例，提供一种电容传感器灵敏度大幅度调节方法，所述电容传感器包括弹性基底01，动片电极02和定片电极03，如图1所示，所述动片电极02的自由端与弹性基底01固定连接，所述定片电极03与所述弹性基底01固定连接，所述动片电极02与定片电极01设置初始间隙d0；动片电极02与定片电极03之间形成电容，其中空气作为介电材料。通过对所述弹性基底施加拉应变，改变动片电极与定片电极03的初始间隙d0，实现所述电容传感器灵敏度的大幅度调节。
在实际应用中，可以通过对弹性基底01施加拉应变，改变动片电极02与定片电极03的初始间隙d0，实现所述电容传感器灵敏度的大幅度调节。本发明沿着图1所示方向，对弹性基底01施加拉应变时，动片电极02与定片电极01之间的间隙变为d，其中d<d0。此时，电容传感器的灵敏度取决于d，灵敏度变高。不断增加拉应变，动片电极02和定片电极01之间的间隙将持续减小，电容传感器的灵敏度也将持续提高。
当所述电容传感器应用到精密仪器，本发明人发现，动片电极02和定片电极03之间的间隙可以做到很小，达到纳米甚至亚纳米量级，此时电容传感器的灵敏度将会非常高。考虑到动片电极的不平整度、支撑悬臂梁的非对称性、动片电极与定片电极之间的绝缘层等因素，动片电极和定片电极之间的间隙不可能做到特别小。尽管如此，该方法还是能够实现灵敏度的大幅度调节。例如，当初始间隙由d0变为d0/10，电容传感器的灵敏度将提高100倍，灵敏度调节范围为2个量级。
图2所示为本发明灵敏度可大幅度调节的电容传感器的加工原理图，如图2所示，采用屈曲组装方法加工微小化的电容传感器，具体的加工方法包括以下步骤：
步骤01：制备弹性基底01，设置图案化的定片电极03。
步骤02：定义键合结点，在动片电极02的键合结点处形成粘附层05，用于和弹性基底01键合。
步骤03：将动片电极02转接到处于拉伸状态的弹性基底01上，使得两者能够在键合结点处形成可靠粘接。
步骤04：释放弹性基底01的预应变，让其恢复到初始位置。此时，动片电极的键合结点与弹性基底之间由于化学键的作用紧密地粘接在一起，而其它区域与弹性基底之间只有微弱的范德华力作用，将会相互分离。这样，动片电极在弹性基底压应力的作用下，屈曲组装成预先设计的三维结构。
所示步骤01中，弹性基底01指的是杨氏模量较小的基底，在外界拉应力作用下能够产生较大的拉应变。弹性基底01是实现动片电极02和定片电极03间隙改变的关键因素之一。弹性基底的材料一般为聚合物，比如聚二甲基硅氧烷(PDMS)，Ecoflex，dragon skin等。其中为了使得弹性基底发生形变之后能够保持所述形变状态，弹性基底采用可塑性较强的材质或在与所述弹性基底相对的位置设置夹持件，所述夹持件用于固定实现弹性基底发生形变的施力件。
所述定片电极03可以通过若干方式加工而成，比如电子束蒸发、磁控溅射、热蒸镀等。为了让定片电极03和弹性基底01能够更好地粘附在一起，可以在弹性基底和定片电极之间添加粘附层材料，比如金属铬或者钛。
其中，所述设置图案化的定片电极，具体地，通过微加工中的金属剥离工艺加工而成，如图3所示，首先，在弹性基底01上表面光刻出光刻胶06图案。然后，在所述弹性基底01的上表面沉积金属07。最后，采用金属剥离工艺去除光刻胶06，即可形成图案化的定片电极。
具体地，首先采用光刻方法在弹性基底上表面的a，c两处形成光刻胶06图案，其中b处为实际需要设置的定片电极的位置；然后采用金属沉积技术在弹性基底01的上表面沉积金属层07，其中a，b，c处都设置金属层07；最后采用金属剥离工艺将a，c处的光刻胶剔除，与此同时，a，b处的光刻胶上面喷涂的金属层也被剔除，弹性基底的上表面形成图案化的定片电极。
所述步骤02中，定义键合结点，具体地，动片电极02和弹性基底01之间的粘接通过在键合结点处生成化学键实现。此时，动片电极02的键合结点处需要沉积二氧化硅，本实施例中，弹性基底采用硅橡胶材料，比如PDMS，dragon skin等。将动片电极02和弹性基底01同时置于紫外烘箱中，在紫外线的作用下，紫外烘箱中的空气一部分转化为臭氧分子。臭氧分子将弹性基底01表面未被改性的疏水表面(由-OSi(CH3)2O-基团主导)转变为高极性的活化表面(由-OnSi(OH)4-n基团主导)。同时，臭氧分子也将SiO2表面转变为活化表面(由-Si-OH基团主导)。当改性后的SiO2表面和弹性基底表面紧密挤压在一起，并辅助一定高温时，-OnSi(OH)4-n基团与-Si-OH发生缩合反应(脱水)，生成硅氧烷键(-O-Si-O-)，从而将SiO2表面和PDMS表面紧密地粘连在一起。
可选地，动片电极和弹性基底之间的粘接也可以通过PDMS和PDMS键合的方式实现。这种键合方式在微流体领域较为常见，在此不多赘述。
其中，当电容传感器的动片电极结构较大时，采用屈曲组装方法加工所述电容传感器，具体的加工方法包括以下步骤：
步骤101：制备弹性基底，设置图案化的定片电极。
步骤102：通过粘接方式实现动片电极与弹性基底的固定连接。
其中本实施例所述步骤102中，对键合处的厚度和均匀性要求不高时，通过胶水实现动片电极和弹性基底之间的粘接。
可选地，灵敏度可大幅度调节的电容传感器也可以利用其它三维结构成型方法加工而成。例如，利用3D打印技术一体成型的方式，加工出动片电极02的三维结构，然后将动片电极02通过粘附层与弹性基底粘接在一起，即可形成灵敏度可大幅度调节的电容传感器。如图4所示，所述动片电极为一体成型，所述动片电极包括拱桥型的动片电极和设置于所述动片电极自由端的连接面，所述连接面通过粘胶方式与弹性基底固定连接。
动片电极02是该灵敏度可大幅度调节的电容传感器的核心部件，直接关系到传感器性能的好坏。可选地，当对传感器的性能要求较高时，动片电极可以通过微加工的方法加工而成。当对传感器的性能要求不是很高时，动片电极可以通过宏观加工的方法加工而成。当然，也可以购买柔性电路板作为动片电极。
图5所示为本发明第二实施例的电容传感器的结构原理图，如图5所示，动片电极02位于基材08上，即在动片电极02远离定片电极的表面上设置基材08，动片电极02上沉积有粘附层05，所述基材08用于支撑所述动片电极02，即当所述动片电极02厚度很薄时，所述动片电极02依托在所述基材08上，方便微小型电容传感器的制作。
图6所示为本发明第三实施例的电容传感器的结构原理图，其中第三实施例与第二实施例的区别在于，在动片电极02的下表面设置绝缘层09，即在动片电极02靠近定片电极的表面上设置绝缘层09，所述绝缘层09避免动片电极02和定片电极的直接接触，防止在电路中发生短路现象。
图7所示为本发明第四实施例的电容传感器的结构原理图，其中第四实施例与第三实施例的区别在于，在定片电极03的上表面设置绝缘层09，即在定片电极03靠近动片电极的表面上设置绝缘层09，所述绝缘层09避免动片电极和定片电极03的直接接触，防止在电路中发生短路现象。
图8所示为本发明第五实施例的电容传感器的俯视图结构，其中灵敏度可大幅度调节的电容传感器可以是平板、扭转式差分电容结构，如图8所示。该结构由弹性基底01、两个定片电极03和一个动片电极02组成，所述弹性基底01呈矩形立体式结构，两个定片电极03固定于所述弹性基底01的上表面，动片电极02的自由端开设在沿其横向中轴线上，在所述动片电极02的自由端设置支撑悬臂梁10，所述支撑悬臂梁10一端与动片电极的自由端固定连接，另一端通过键合结点04与弹性基底01固定连接，所述动片电极02设置于定片电极03的上方。
本实施例中所述支撑悬臂梁10为直梁结构。
所述动片电极02和两个定片电极03构成一组差分电容。该电容结构可以作为测力传感器，当垂直于动片电极02表面的外力作用于动片电极02时，例如一个垂直于动片电极02向内的外力作用于动片电极02的下半部，动片电极02绕着支撑悬臂梁10扭转，导致动片电极与两个定片电极之间的初始间隙分布发生改变，具体地，动片电极下半部与定片电极的间隙变小，动片电极上半部与定片电极的间隙变大，进而导致下半部的电容增大、上半部的电容减小。最终，通过计算两个电容信号的差值，即可推断出施加外力的大小。其中所述外力为使得被测参数(即位移)等发生变化的作用力。
当沿着两个键合结点方向施加拉应变时，动片电极与两个定片电极的初始间隙将会发生改变，该电容传感器对施加外力的灵敏度也会发生改变。
图9所示为本发明第六实施例的电容传感器的俯视图结构。如图9所示，本发明第六实施例与第五实施例的区别在于，本实施例中动片电极02的自由端开设在沿其横向中轴线上，在所述动片电极02的自由端设置支撑悬臂梁10，所述支撑悬臂梁10为曲梁结构，减小了支撑悬臂梁的扭转刚度，提高了电容传感器的灵敏度。
图10所示为本发明第七实施例的电容传感器的俯视图结构，如图10所示，本发明第七实施例与第五实施例的区别在于，所述动片电极02的自由端并非沿着其横向中轴线设置，所述支撑悬臂梁10设置在动片电极的自由端，本实施例中，所述支撑悬臂梁设置于横向中轴线的上方，本实施例的电容传感器可用于制作加速度计，当垂直于动片电极02表面的加速度作用时，动片电极02将按照图示方向扭转，改变动片电极与两定片电极之间的间隙分布，进而改变差分电容值的大小。
图11所示为本发明第八实施例的电容传感器的俯视图结构，如图11所示，本发明第八实施例与第五实施例的区别在于，当动片电极02的密度分布不均匀或者厚度分布不均匀时，该平板、扭转式差分电容结构也可以作为灵敏度可大幅度调节的加速度计，如图11所示，动片电极02下半部分的密度更大或者厚度更大，那么动片电极02下半部分的质量也会更大。从图11中可以看出，动片电极02的下半部分突出于动片电极02的上半部分，当垂直于动片电极表面的加速度作用时，由于动片电极上半部的质量小于动片电极下半部的质量，当相同的加速度作用在动片电极的表面时，作用于动片电极上半部的作用力小于作用于动片电极下半部的作用力，使得动片电极将按照图示方向扭转，改变动片电极与两定片电极之间的初始间隙分布，进而改变差分电容值的大小。
图12所示为本发明第九实施例的电容传感器的俯视图结构，灵敏度可大幅度调节的电容传感器是平板、扭转式单个电容结构，如图12所示。该结构由弹性基底01、一个定片电极03和一个动片电极02组成，动片电极一端面为自由端，在自由端设置两个支撑悬臂梁支撑10，动片电极02和定片电极03构成单个电容。所述弹性基底01呈矩形立体式结构，定片电极03固定于所述弹性基底01的上表面，所述支撑悬臂梁10一端与动片电极02固定连接，另一端通过键合结点04与弹性基底01固定连接，所述动片电极02设置于定片电极03的上方。
该结构可以作为测力传感器或者加速度计，当垂直于动片表面的外力或者加速度作用于动片时，动片电极02绕着支撑悬臂梁扭转，导致动片电极02与定片电极03之间的间隙分布发生改变，进而改变电容值的大小。最终，通过计算单个电容信号的变化量，即可推断出施加外力或者加速度的大小。
当沿着两个键合结点方向施加拉应变时，动片电极与定片电极的初始间隙将会发生改变，该电容传感器对外力或者加速度的灵敏度也会发生改变。
当沿着垂直于动片电极02表面方向施加压应变时，动片电极02与定片电极03的初始间隙将会发生改变，该电容传感器对外力或者加速度的灵敏度也会发生改变。
图13所示为本发明第十实施例的电容传感器的俯视图结构。该灵敏度可大幅度调节的电容传感器是平板、平动式电容结构，如图13所示。该结构由弹性基底01、一个定片电极03和一个动片电极02组成，动片电极02由4个支撑悬臂梁支撑，动片电极02和定片电极03构成单个电容。所述弹性基底呈矩形立体式结构，定片电极固定于所述弹性基底的上表面，动片电极的四个端点上设置支撑悬臂梁10，所述支撑悬臂梁10一端与动片电极固定连接，另一端通过键合结点与弹性基底固定连接，所述动片电极设置于定片电极的上方。其中本实施例中键合结点沿着支撑悬臂梁的端点均匀分布。
该结构可以作为压力传感器或者加速度计，当垂直于动片电极表面的压力或者加速度作用于动片电极时，支撑悬臂梁10弯曲，导致动片电极02与定片电极03之间的间隙分布发生改变，进而改变电容值的大小。最终，通过计算单个电容信号的变化量，即可推断出施加压力或者加速度的大小。
为了改变动片电极02与定片电极03的初始间隙，进而调节灵敏度，该电容结构需要进行双轴拉伸，如图13所示，在弹性基底的四个表面分别设置拉应变。
图14所示为本发明第十一实施例的电容传感器的结构原理图，该灵敏度可大幅度调节的电容传感器是梳齿电容结构，如图14所示，该结构由弹性基底01、两组定片电极包括定片电极031和定片电极032，和一组动片电极02组成，所述定片电极固定在所述弹性基底01上方，其中两组定片电极的长度不同，所述动片电极设置于两组定片电极的中间，所述动片电极的长度不同于两组定片电极的长度。
本发明动片电极02由4个支撑悬臂梁支撑，动片电极和定片电极构成差分电容。该结构可以作为测力传感器或者加速度计，当沿着图示方向的外力或者加速度计作用于动片时，支撑悬臂梁弯曲，导致动片电极与定片电极之间的间隙分布发生改变，进而改变电容值的大小。最终，通过计算差分电容信号的变化量，即可推断出施加外力或者加速度的大小。
当沿着图示方向施加拉应变时，动片电极与定片电极的初始间隙将会发生改变，该电容传感器对外力或者加速度的灵敏度也会发生改变。
图15a所示为本发明一种实施例的电容传感器的结构示意图。图15b所示为图15a所示的电容传感器的拉应变与间隙关系曲线图，其中表1为本实施例中电容传感的结构参数表。
表1：电容传感器的结构参数
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本发明人发现：弹性基底受到拉应变作用时，间隙与拉应变的理论公式较为复杂，但是通过数值模拟有限元分析能够得到间隙与拉应变的关系。如图15a所示，当动片电极和弹性基底具有表1所示参数时，间隙与拉应变的关系如图15b所示，即随着拉应变变大，间隙变小，电容传感器的灵敏度变高。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分相互参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，而且各个实施例可以根据需要单独使用或者相互结合使用。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种电容传感器灵敏度大幅度调节方法，其特征在于，所述电容传感器包括弹性基底，动片电极和定片电极，所述动片电极的自由端与弹性基底固定连接，所述定片电极与弹性基底固定连接，所述动片电极与定片电极间存在初始间隙d0，通过给所述弹性基底施加拉应变，改变动片电极与定片电极间的初始间隙d0，实现电容传感器灵敏度的大幅度调节。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述弹性基底的相对面设置夹持件，所述夹持件被配置为固定对所述弹性基底施加作用力的施力件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动片电极的自由端设置键合结点，所述动片电极通过键合结点与弹性基底粘接方式或键合方式连接。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动片电极呈拱桥型或呈平面结构。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定片电极的形状为圆形、椭圆形、多边形中至少一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动片电极远离定片电极的表面设置基材。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动片电极靠近定片电极的表面和/或所述定片电极靠近动片电极的表面设置绝缘层。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电容传感器通过屈曲组装方式或3D打印技术加工成型。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电容传感器采用平板、扭转式差分电容结构，平板、扭转式单个电容结构，平板、平动式差分电容结构，平板、平动式单个电容结构，梳齿式差分电容结构，梳齿式单个电容结构中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过单轴拉伸或多轴拉伸施加拉应变，改变动片电极与定片电极间的初始间隙d0，实现电容传感器灵敏度的大幅度调节。
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