CN114323357B - 螺旋式电容压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种螺旋式电容压力传感器，该传感器包括：第一螺旋式极板结构，具有呈螺旋状的第一电极结构面；第二螺旋式极板结构，具有呈螺旋状的第二电极结构面，所述第二螺旋式极板结构的第二电极结构面与所述第一螺旋式极板结构的第一电极结构面相互嵌入设置并可上下活动；机械耦合组件和传感膜片，所述传感膜片通过机械耦合组件与所述第二螺旋式极板结构连接。通过采用独立设置的传感膜片，一方面实现对按压力的更精确的检测，另一方面将按压力转化为更加线性的位移传递至极板，实现了更加线性的按压力检测，提高了检测精确性；通过采用螺旋式电极，大大增加传感器的电极之间的接触面积，增加了传感器的电容量，提高了传感器的检测灵敏度。

Description

螺旋式电容压力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体地涉及一种螺旋式电容压力传感器。

背景技术

为了感知压力，人们开发出了多种压力传感器，例如电阻式压力传感器、电容式压力传感器等，其中电容式压力传感器是通过受到压力改变自身电介质的介电常数、极板相对面积或者极板间距等参数，以对压力进行检测的。

现有电容式压力传感器采用上下相互平行的两个直板式金属板，其中一个金属板(例如为上面一个)为可移动状态，当受到压力，上面的金属板向下移动以改变两个金属板之间的电容参数，根据该电容参数的变化量能够检测出压力的大小，然而通过上述方式检测压力的电容式压力传感器的初始电容值较小，传感器的灵敏度无法满足实际需求。

基于此，技术人员提出基于直板金属板的梳齿式压力传感器，例如增加若干个相互平行的梳状电极对垂直排列，以增加传感器的初始电容量，并进一步增强传感器的灵敏度。

然而在实际应用过程中，技术人员发现现有的梳齿式电容压力传感器的灵敏度依然无法满足实际需求，且在实际应用中存在非线性问题，导致实际的压力与检测出的压力之间存在偏差，因此无法满足实际的传感精确性的需求。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例提供一种螺旋式电容压力传感器，提高了传感器的灵敏度和线性度。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种螺旋式电容压力传感器，所述螺旋式电容压力传感器包括：第一螺旋式极板结构，具有呈螺旋状的第一电极结构面；第二螺旋式极板结构，具有呈螺旋状的第二电极结构面，所述第二螺旋式极板结构的第二电极结构面与所述第一螺旋式极板结构的第一电极结构面相互嵌入设置并可上下活动；机械耦合组件和传感膜片，所述传感膜片通过所述机械耦合组件与所述第二螺旋式极板结构连接。

优选地，所述第一螺旋式极板结构包括：第一极板以及第一螺旋式电极片，所述第一螺旋式电极片固定于所述第一极板上构成所述第一电极结构面；所述第一螺旋式电极片的圆心与所述第一极板的中心重合；所述第二螺旋式极板结构包括：第二极板以及第二螺旋式电极片，所述第二螺旋式电极片固定于所述第二极板上构成所述第二电极结构面；所述第二螺旋式电极片的圆心与所述第二极板的中心重合；所述第一螺旋式电极片与所述第二螺旋式电极片相互嵌入设置，所述第一极板的中心与所述第二极板的中心位于同一轴线上。

优选地，所述第一螺旋式电极片与所述第二螺旋式电极片相互平行且螺旋式等距排布。

优选地，所述传感膜片为方形传感膜片。

优选地，所述第一极板和所述第二极板的尺寸参数相同，所述第一螺旋式电极片和所述第二螺旋式电极片的尺寸参数相同。

优选地，所述第一极板接地设置，所述第二极板配置为处于预设正电位。

优选地，所述第一螺旋式电极片和所述第二螺旋式电极片的本体由绝缘材料制成，在所述第一螺旋式电极片和所述第二螺旋式电极片的表面均敷设有第一预设金属层。

优选地，所述第一预设金属层为金属金层。

优选地，所述第一极板、所述第二极板以及所述传感膜片由第二预设金属制成。

优选地，所述第二预设金属为金属铝。

通过本发明提供的技术方案，本发明至少具有如下技术效果：

通过采用独立设置的传感膜片，一方面具有更好的挠度特性，从而实现对按压力的更精确的检测，另一方面能够将按压力转化为更加线性的位移传递至极板，从而使极板进行线性的上下活动以检测到线性的电容信息变化，实现了更加线性的按压力检测，提高了检测精确性。

通过采用螺旋式电极，大大增加了传感器的电极之间的接触面积，从而有效增加了传感器的电容量，提高了传感器的检测灵敏度，提高了检测精确性。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明实施例提供的螺旋式电容压力传感器的结构示意图；

图2是本发明另一实施例提供的螺旋式电容压力传感器的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的螺旋式电容压力传感器的剖面示意图；

图4是本发明实施例提供的螺旋式电容压力传感器的压力-挠度特性仿真结果示意图；

图5是本发明实施例提供的螺旋式电容压力传感器的压力-电容特性仿真结果示意图。

附图标记说明

10第一螺旋式极板结构； 11第一极板；

12第一螺旋式电极片； 20第二螺旋式极板结构；

21第二极板； 22第二螺旋式电极片；

30机械耦合组件； 40传感膜片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

本发明实施例中的术语“系统”和“网络”可被互换使用。“多个”是指两个或两个以上，鉴于此，本发明实施例中也可以将“多个”理解为“至少两个”。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，字符“/”，如无特殊说明，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。另外，需要理解的是，在本发明实施例的描述中，“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。

请参见图1，本发明实施例提供一种螺旋式电容压力传感器，所述螺旋式电容压力传感器包括：第一螺旋式极板结构10，具有呈螺旋状的第一电极结构面；第二螺旋式极板结构20，具有呈螺旋状的第二电极结构面，所述第二螺旋式极板结构20的第二电极结构面与所述第一螺旋式极板结构10的第一电极结构面相互嵌入设置并可上下活动；机械耦合组件30和传感膜片40，所述传感膜片40通过所述机械耦合组件30的与所述第二螺旋式极板结构20连接。

在一种可能的实施方式中，第一螺旋式极板结构10固定设置于底部，例如本发明实施例提供的螺旋式电容压力传感器可以包括一外壳(未示出)，第一螺旋式极板结构10设置于该外壳的底部，第一螺旋式极板结构10具有呈螺旋状的第一电极结构面，第二螺旋式极板结构20具有呈螺旋状的第二电极结构面，第二螺旋式极板结构20的第二电极结构面与该第一螺旋式极板结构10的第一电极结构面相互嵌入设置并可上下活动，例如以类似梳齿的结构相互嵌入设置，第二螺旋式极板结构20与机械耦合组件30连接，并通过机械耦合组件30与传感膜片40连接，例如该机械耦合组件30的尺寸设计为半径15μm，高度30μm的圆柱体，以保证自身尺寸较小，从而可以合理地忽略耦合器对传感膜片变形产生的影响，传感膜片40的尺寸可以设计为100μm×100μm×30μm的矩形体，以保证传感膜片40具有足够的厚度，防止出现受压局部变形的情况发生。

在实际应用过程中，传感膜片40受到外界的压力，并发生偏转变形，此时机械耦合组件将该偏转变形线性地传递至第二螺旋式极板结构20的中心，由于第二螺旋式极板结构20的最大挠度在中心，因此上述偏转变形被机械耦合组件以直线位移的方式传递至第二螺旋式极板结构20后，第二螺旋式极板结构20相对于第一螺旋式极板结构10做上下活动。

在本发明实施例中，通过采用独立的受压部件，将电容压力传感器的受压部件(传感膜片)与极板分开设置，从而使外界对电容压力传感器的压力能够转换成更加线性的位移变化传递至极板，从而使极板产生更加线性的电容参数变化，相比于现有直接对极板进行按压并生成变形以检测压力的方式(离按压点越远其形变量越大)，能够有效提高电容压力传感器的线性度，提高压力检测精确性。另一方面，通过采用螺旋式极板结构，能够有效增加电容极板之间的接触面积，大大提高电容压力传感器的初始电容值以及灵敏度，从而进一步提高电容压力传感器的压力检测精确性。

请参见图2，在本发明实施例中，所述第一螺旋式极板结构10包括：第一极板11和第一螺旋式电极片12，所述第一螺旋式电极片12固定于所述第一极板11上构成所述第一电极结构面；所述第一螺旋式电极片12的圆心与所述第一极板11的中心重合；所述第二螺旋式极板结构20包括：第二极板21和第二螺旋式电极片22，所述第二螺旋式电极片22固定于所述第二极板21上构成所述第二电极结构面；所述第二螺旋式电极片22的圆心与所述第二极板21的中心重合；所述第一螺旋式电极片12和所述第二螺旋式电极片22相互嵌入设置，所述第一极板11的中心与所述第二极板21的中心位于同一轴线上。

在一种可能的实施方式中，为了进一步提高第一螺旋式极板结构10和第二螺旋式极板结构20的挠度，分别为第一螺旋式极板结构10配置第一极板11以及为第二螺旋式极板结构20配置第二极板21，传感膜片40在受到压力并通过机械耦合组件30将该压力以线性位移的方式传递至第一螺旋式极板结构10时，首先传递至第一极板11上，由于第一极板具有更好的挠度，因此能够产生更加均匀和稳定的线性位移，从而在带动第一螺旋式极板结构10上下活动的过程中以更稳定和更线性的方式位移，从而提高了电容参数的变化稳定性和线性度，提高了最终压力检测结果的精确性。

优选地，在本发明实施例中，所述第一螺旋式电极片10与所述第二螺旋式电极片20相互平行、且螺旋式等距排布。

为了进一步提高螺旋式电容压力传感器的初始电容量，将第一螺旋式电极片10与所述第二螺旋式电极片20相互平行、且螺旋式等距排布，实现了初始电容量的最大化设置，提高了检测灵敏度。

同时在本发明实施例中，通过将第一螺旋式电极10与所述第二螺旋式电极20相互平行且螺旋式等距排布，电容压力传感器在受压变形的过程中，电容极板之间的电容参数变化能够更加稳定和线性，使得电容检测结果更加稳定和线性，从而进一步提高电容压力传感器的线性度和稳定性，提高检测精确性。

在具体的实施过程中，在按压本发明实施例提供的螺旋式电容压力传感器后，第二螺旋式电极片22向下活动并改变第一螺旋式电极片12和第二螺旋式电极片22之间的相对覆盖面积，从而导致电容压力传感器的总电容量发生变化，电容压力传感器的电容量可以表征为

其中L为第一螺旋式电极片12与所述第二螺旋式电极片22的总重叠长度，d为第一螺旋式电极片12与所述第二螺旋式电极片22的最短间隙，l为第一螺旋式电极片12与所述第二螺旋式电极片22的相对重叠长度，w为传感膜片40受力后产生的挠度变化，ε₀为真空中的介电常数，ε₀＝8.85×10-12F/m；ε_r为电容极板间电介质的相对介电常数。

优选地，在本发明实施例中，所述传感膜片40为方形传感膜片。

在本发明实施例中，所述传感膜片40可以采用圆形、方形等形状的传感膜片，为了提高在施加压力传感膜片的灵敏度以及产生更小的偏差，在一种可能的实施方式中，采用方形传感膜片作为本发明实施例的传感膜片40，例如可以选取具有较大的杨氏模量和抗弯刚度的材料作为传感膜片40的构成材料，以使传感膜片的挠度远小于膜片厚度。

在此基础上，上述传感膜片40上任意一点的小挠度可以表征为：

其中b为传感膜片40的边长，D为传感膜片40的抗弯刚度，D表征为

其中E为传感膜片40的杨氏模量，h为传感膜片40的厚度，v为传感膜片40的泊松比。根据上述表达式可知，传感膜片40的最大挠度处于传感膜片40的中心(x＝0,y＝0)处，即可得到传感膜片40的最大挠度表征为

因此根据上述分析可知，传感膜片40的挠度与施加的载荷成正比例关系，由于电容压力传感器的电容变化与挠度变化呈正线性关系，因此电容压力传感器的电容变化与施加的载荷也为线性关系。

在本发明实施例中，所述第一极板11和所述第二极板21的尺寸参数相同，所述第一螺旋式电极片12和所述第二螺旋式电极片22的尺寸参数相同。

在本发明实施例中，所述第一极板11接地设置，即第一极板11处于0V的电位，所述第二极板21配置为处于预设正电位，例如该预设正电位为1V的正电位。

在本发明实施例中，所述第一螺旋式电极片12和所述第二螺旋式电极片22的本体由绝缘材料制成，在所述第一螺旋式电极片12和所述第二螺旋式电极片22的表面均敷设有第一预设金属层。

优选地，所述第一预设金属层为金属金层。

由于金属金具有良好的导热性和导电性，同时能够保证材料的一致性以消除残余应力，因此通过将第一螺旋式电极片12和第二螺旋式电极片22的本体由绝缘材料制成，同时表面敷设金层，从而能够有效提高螺旋式电容压力传感器的导热性和导电性，进一步提高螺旋式电容压力传感器的压力检测灵敏度。

在本发明实施例中，所述第一极板11、所述第二极板21以及所述传感膜片40由第二预设金属制成。

优选地，所述第二预设金属为金属铝。

由于金属铝相对于其他的材料，在受压时具有较高的变化量，因此在本发明实施例中，采用金属铝作为第一极板11、第二极板21和传感膜片40的制作材料，能够进一步提高螺旋式电容压力传感器对压力的响应灵敏度，提高对压力检测的灵敏度。

在本发明实施例中，为了确定螺旋式电容压力传感器的最佳检测灵敏度和最佳线性度，可以基于小挠度理论确定螺旋式电容压力传感器的相关尺寸参数。请参见图3，为本发明实施例提供的螺旋式电容压力传感器的剖面图，根据小挠度理论以及上述分析可以确定，应该采用厚度小、面积大的极板，以提高电容压力传感器的整体性能，例如在本发明实施例中，采用厚度小、高度高以及相邻电极对之间的重叠长度尽量小的尺寸参数，例如a为第一螺旋式电极片12和第二螺旋式电极片22的高度，t₀为第一螺旋式电极片12和第二螺旋式电极片22的厚度，l₀为第一螺旋式电极片12和第二螺旋式电极片22之间的重叠长度，d₀为第一螺旋式电极片12和第二螺旋式电极片22之间的间距，在本发明实施例中，第一极板11和第二极板21的边长可以为500μm，厚度可以为10μm，第一螺旋式电极片12和第二螺旋式电极片22的高度a为10μm≤a≤110μm，优选地可以为60μm，厚度t₀为1μm≤t₀≤5μm，优选地可以为3μm，相邻电极对的重叠长度l₀为10μm≤l₀≤50μm，优选地可以为30μm，相邻电极对的间距d₀为1μm≤d₀≤3μm，优选地可以为2μm。

基于上述尺寸参数，将本发明实施例提供的螺旋式电容压力传感器与传统的直板式电极传感器进行仿真比较，获得对应的仿真结果如图4，为本发明实施例提供的压力-挠度特性仿真结果图，可以看到本发明实施例提供的螺旋式电容压力传感器具有更大的挠度，因此其机械灵敏度优于常规的直板式电极传感器。请参见图5，为本发明实施例提供的压力-电容特性仿真结果图，可以看到本发明实施例提供的螺旋式电容压力传感器具有更好的电容特性，进一步可以计算出本发明实施例提供的螺旋式电容压力传感器的灵敏度为1.10aF/Pa，而现有的直板式电极传感器的灵敏度为0.25aF/Pa，显然的，本发明实施例提供的螺旋式电容压力传感器具有更高的灵敏度，同时本发明实施例提供的螺旋式电容压力传感器的非线性误差也大大降低，例如在0-30kPa压力的作用范围内时，本发明实施例提供的螺旋式电容压力传感器的非线性误差降低至3.63％，远远低于现有直板式电极传感器的>5％的非线性误差。

需要说明的是，上述尺寸参数仅为本发明实施例的一种可能的实施方式，而并不应视为对本发明实施例提供的螺旋式电容压力传感器的尺寸限制，本领域技术人员可以在本发明实施例的基础上，基于实际需求在小挠度理论的基础上对上述尺寸进行适应性修改，都应该属于本发明实施例的保护范围，在此不做过多赘述。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (9)

1.一种螺旋式电容压力传感器，其特征在于，所述螺旋式电容压力传感器包括：

第一螺旋式极板结构，包括第一极板以及第一螺旋式电极片，所述第一螺旋式电极片固定于所述第一极板上构成第一电极结构面；所述第一螺旋式电极片的圆心与所述第一极板的中心重合，所述第一螺旋式极板结构具有呈螺旋状的第一电极结构面；

第二螺旋式极板结构，包括第二极板以及第二螺旋式电极片，所述第二螺旋式电极片固定于所述第二极板上构成第二电极结构面；所述第二螺旋式电极片的圆心与所述第二极板的中心重合，所述第二螺旋式极板结构具有呈螺旋状的第二电极结构面，所述第二螺旋式极板结构的第二电极结构面与所述第一螺旋式极板结构的第一电极结构面相互嵌入设置并可上下活动；其中，

所述第一螺旋式电极片与所述第二螺旋式电极片相互嵌入设置，所述第一极板的中心与所述第二极板的中心位于同一轴线上；

所述第二螺旋式电极片能够向下活动改变与所述第一螺旋式电极片之间的相对覆盖面积，以使得电容压力传感器的总电容量发生变化；

机械耦合组件和传感膜片，所述传感膜片通过所述机械耦合组件与所述第二螺旋式极板结构连接。

2.根据权利要求1所述的螺旋式电容压力传感器，其特征在于，所述第一螺旋式电极片与所述第二螺旋式电极片相互平行且螺旋式等距排布。

3.根据权利要求1所述的螺旋式电容压力传感器，其特征在于，所述传感膜片为方形传感膜片。

4.根据权利要求1所述的螺旋式电容压力传感器，其特征在于，所述第一极板和所述第二极板的尺寸参数相同，所述第一螺旋式电极片和所述第二螺旋式电极片的尺寸参数相同。

5.根据权利要求1所述的螺旋式电容压力传感器，其特征在于，所述第一极板接地设置，所述第二极板配置为处于预设正电位。

6.根据权利要求1所述的螺旋式电容压力传感器，其特征在于，所述第一螺旋式电极片和所述第二螺旋式电极片的本体由绝缘材料制成，在所述第一螺旋式电极片和所述第二螺旋式电极片的表面均敷设有第一预设金属层。

7.根据权利要求6所述的螺旋式电容压力传感器，其特征在于，所述第一预设金属层为金属金层。

8.根据权利要求1所述的螺旋式电容压力传感器，其特征在于，所述第一极板、所述第二极板以及所述传感膜片由第二预设金属制成。

9.根据权利要求8所述的螺旋式电容压力传感器，其特征在于，所述第二预设金属为金属铝。

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