CN116007821A - 电容式力传感器、检测设备所承受外力的测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种电容式力传感器，以及利用电容式力传感器检测设备所承受外力的测量方法。涉及力传感器技术领域。主要用于提供一种提升测量灵敏度的电容式力传感器。该电容式力传感器包括：相对的第一电极板和第二电极板，第一电极板和第二电极板中的一个与弹性体固定连接，弹性体带动与其固定连接的电极板相对另一个电极板平动和转动；还有，第一电极板上设置有交替排布的多个第一电极和多个第二电极，第二电极板上设置有用于与多个第一电极和多个第二电极构成电容器的多个第三电极。本申请给出的电容器不仅是一种面积变化型电容器，还是一种间距变化型电容器，通过设置多个相并联的可变电容，以提升面积变化量，提升灵敏度。

Description

电容式力传感器、检测设备所承受外力的测量方法

技术领域

本申请实施例涉及力传感器技术领域，尤其涉及一种基于电容变化的、多维力的电容式力传感器，以及采用电容式力传感器检测设备所承受外力的测量方法。

背景技术

多维力传感器能够实现空间力和力矩的测量，被广泛应用在机器人、航空航天、机械加工、汽车制造以及多自由度精密组装等领域中。其中，基于电容变化的多维力传感器因为同时兼顾不易受温度影响、精度和分辨率高、属于非接触测量等特点，从而被广泛采用。

基于电容变化的多维力传感器一般有三种方式，分别为面积变化型、间距变化型和介电常数变化型。目前，常采用的是基于面积变化以及间距变化原理而制得的多维力传感器。

图1示出了电容式多维力传感器的原理结构图，具体的工作原理包括：当有外力作用在该电容式多维力传感器时，弹性体03的形变带动动电极板02产生位移，该位移引起定电极板01和动电极板02之间的有效面积S和间距d中的至少一个参数发生变化，当有效面积S和间距d中的至少一个参数发生变化时，会引起电容变化，通过测量电容变化量来表征该多维力传感器所承受外力的大小。

在一些情况下，多维力传感器受到外力作用引起弹性体03的形变位移量比较小，因此可能会产生至少以下现象：1)有效面积S变化微小，电容量变化非常小，使得该多维力传感器灵敏度较低；2)动电极板02和定电极板01之间的初始间距较大时，间距d变化微小，电容量变化微小，传感器灵敏度也较低。

为了提升该多维力传感器的灵敏度，可以通过增大定电极板01和动电极板02之间的有效面积来提升微小位移情况下的面积变化，这将导致该多维力传感器的整体体积增大；或者，还可以通过减小定电极板01和动电极板02之间的初始间距(例如，初始间距减小到100～200μm)来提升微小间距变化情况下的电容变化，但是，这可能引起该传感器加工和安装难度增大，给制造工艺提出挑战。

基于上述多维力传感器存在的技术问题，需要提出一种可提升测量灵敏度，以提升使用性能的多维力传感器。

发明内容

本申请提供一种电容式力传感器，以及利用电容式力传感器检测设备所承受外力的测量方法。主要目的是为了在不增加传感器体积、不提升工艺难度的前提下，提供一种可提升测量灵敏度的、多维力的电容式力传感器。

为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本申请提供了一种电容式力传感器，该电容式力传感器可以被应用在机器人、航空航天、机械加工、汽车制造等设备中，用于测量这些设备所受的空间外力大小。

该电容式力传感器包括第一电极板、第二电极板、弹性体和至少一个电极组；第二电极板与第一电极板相对设置，且第一电极板和第二电极板之间具有间距，第一电极板和第二电极板中的其中一个为定电极板，另一个为动电极板，弹性体与动电极板固定连接，弹性体能够带动动电极板相对定电极板沿平行定电极板的方向和垂直定电极板的方向移动，以及能够带动动电极板相对定电极板沿平行定电极板的轴线和垂直定电极板的轴线转动，也就是说，第一电极板和第二电极板中的其中一个能够相对另一个运动；另外，任一电极组包括：多个相互电连接的第一电极、多个相互电连接的第二电极和多个相互电连接的第三电极，多个第一电极和多个第二电极均设置在第一电极板的相对第二电极板的面上，且多个第一电极和多个第二电极依次交替排布，多个第三电极设置在第二电极板的相对第一电极板的面上，且第一电极、第三电极和第二电极错位设置，任一第三电极与其相邻的第一电极和第二电极形成耦合结构，并且任一第一电极或者任一第二电极属于一个独立的耦合结构，动电极板相对定电极板运动时，多个第一电极和多个第三电极形成第一电容器，多个第二电极和多个第三电极形成第二电容器。

基于上述对本申请给出的电容式力传感器结构的描述，可以看出，该电容式力传感器是一种容栅式的栅状结构。并且，动电极板在弹性体的带动下，可以相对定电极板不仅能够沿平行定电极板的方向和垂直定电极板的方向移动，还能够沿平行定电极板的轴线和垂直定电极板的轴线转动。也就是，该力传感器不仅属于面积变化型传感器，还属于间距变化型传感器。

该力传感器在微小的位移下，属于面积变化型的此传感器的电容变化会明显的高于现有技术的普通平板状传感器结构的电容变化。具体的，比如，当动电极板相对定电极板沿平行于定电极板的方向移动ΔX时，在现有技术中，面积变化为H×ΔX(H为动电极板的与动电极板移动方向相垂直方向的尺寸)，然而，在本申请中，由于位于第一电极板上的第一电极和第二电极均具有多个，位于第二电极板上的第三电极也具有多个，如此的话，当动电极板相对定电极板沿平行于定电极板的方向移动ΔX时，本申请的面积变化为N×H×ΔX(N示为第一电极、第二电极、第三电极个数较小的数量)，从而，由N×H×ΔX相比H×ΔX，可以看出，本申请可以明显的增加面积变化，进而，会明显的提升电容变化，最终会有效的提升灵敏度。

除此之外，在本申请中，是通过在第一电极板和第二电极板上相对应的设置多个第一电极、多个第二电极和多个第三电极，以使得多个第一电极和多个第三电极形成第一电容器，多个第二电极和多个第三电极形成第二电容器的方式，来提升面积变化量，从而提升电容变化量。可以这样理解，可以将现有技术的一个尺寸较大的电极分割成多个电极，这样的话，在增加面积变化量、提升电容变化量的基础上，并未增加整个传感器的尺寸；另外，也并未缩小两个电极板之间的间距来提升灵敏度。所以说，本申请给出的电容式力传感器在不增大传感器体积、提升工艺难度的基础上，就可以提升测量灵敏度。

在第一方面可能的实现方式中，沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向，任一第一电极和任一第二电极的宽度均为W1，每相邻的第一电极和第二电极的宽度为W2，且任一第三电极的宽度为W，每相邻两个第三电极之间的宽度为W，其中，W＝W1+W2。

当第一电极、第二电极和第三电极满足上述尺寸限定时，第一电容器的电容值和第二电容器的电容值呈线性变化，这样，就可以简化模型复杂度和降低解算难度。

上述实现方式中的宽度尺寸可以是线性宽度尺寸，也可能是角度宽度尺寸。

在第一方面可能的实现方式中，至少一个电极组包括第一电极组；在第一电极组中，多个第一电极和多个第二电极沿平行于第一电极板的第一方向呈直线形排布，多个第三电极的排布方向，与多个第一电极和多个第二电极的排布方向一致。也就是说，多个第三电极也沿第一方向呈直线形排布。

若将第一电极组中的多个第一电极和多个第二电极沿第一方向呈直线形排布的话，可以利用形成的第一电容器和第二电容器测量该传感器在X方向的力Fx，其中这里的X方向是平行于第一方向的方向，或者，在设置多组沿第一方向的电极组时，还可以测得绕Y方向的My、以及沿Z方向的力Fz，这里的Y方向和Z方向均是与X方向垂直的方向。

在第一方面可能的实现方式中，至少一个电极组包括第一电极组；在第一电极组中，多个第一电极和多个第二电极沿第一电极板的周向呈弧形排布，多个第三电极的排布方向，与多个第一电极和多个第二电极的排布方向一致。

若将第一电极组中的多个第一电极和多个第二电极沿第一电极板的周向呈弧形排布的话，可以利用形成第一电容器和第二电容器测量该传感器沿Z方向的力Fz。进一步的，当设置弧形排布的多组电极组时，还可以进一步的测量绕Z方向轴的扭矩Mz，同时也可测量Mx和My。其中，这里的Z方向是与第一电极板相垂直的方向，X方向和Y方向均是与第一电极板相平行的方向，且X方向和Y方向相垂直。

在第一方面可能的实现方式中，第一电极和第二电极在第二电极板上的正投影，在与多个第一电极和多个第二电极排布方向相垂直的方向上覆盖第三电极。

也就是说，沿与多个第一电极和多个第二电极排布方向相垂直的方向上，第一电极和第二电极的尺寸大于第三电极的尺寸，这样的话，当第一电极板相对第二电极板沿第一方向运动时，即使在第二方向(就是与多个第一电极和多个第二电极排布方向相垂直的方向)上也具有较小的位移量，也不会因为在第二方向的较小位移量导致第一电极板和第二电极板之间的有效面积的变化量可变，因此，这样设计可以保障测量的准确性。

在第一方面可能的实现方式中，第三电极在第一电极板上的正投影，在与多个第一电极和多个第二电极排布方向相垂直的方向上覆盖第一电极和第二电极。

可以这样理解，沿与多个第一电极和多个第二电极排布方向相垂直的方向上，第一电极的尺寸和第三电极的尺寸可以不相等，以及，第二电极的尺寸与第三电极的尺寸不相等。

在第一方面可能的实现方式中，至少一个电极组还包括第二电极组；第一电极组中的多个第一电极和多个第二电极，与第二电极组中的多个第一电极和多个第二电极，设置在第一电极板的中心的两侧；在第二电极组中，沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向，任一第一电极和任一第二电极的宽度均为W1，每相邻的第一电极和第二电极的宽度为W2，且任一第三电极的宽度为W，每相邻两个第三电极之间的宽度为W，其中，W＝W1+W2。

也就是说，该传感器除设置第一电极组之外，还设置第二电极组，由于第一电极组和第二电极组相对设置在第一电极板和第二电极板的中心的两侧，这样的话，可以进一步的增加面积变化，进一步提升电容变化量，从而可以进一步的提升灵敏度。

同样的，在上述的第二电极组中，宽度可以是线性宽度，或者可以是角度宽度。

在第一方面可能的实现方式中，在第一电极组中，沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向，第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，第一侧边在第一电极板上的正投影与第一电极的中心线重合；在第二电极组中，沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向，第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，第一侧边在第一电极板上的正投影与第一电极的中心线重合；其中，第一电极的中心线为第一电极的沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向的中心线。

可以这样理解本申请给出的第一电极、第二电极和第三电极的布设方式，沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向，第一电极具有中心线，第二电极也具有中心线，并且，第三电极的相对的两侧边分别与第一电极的中心线和第二电极的中心线相重合。也就是说，在任一耦合结构中，第三电极对称设置在第一电极和第二电极之间，如此设计的话，当将第一电容器的电容值与第二电容器的电容值差分时，差分信号大小变化是第一电容器电容值大小变化或第二电容器电容值大小变化的两倍，由此，可以进一步的提升电容变化大小。

在第一方面可能的实现方式中，电容式力传感器还包括处理器；处理器根据差分公式C₁ ^-＝C₁-C₂求得C₁ ^-，根据差分公式C₂ ^-＝C₃-C₄求得C₂ ^-；以及，根据求和公式C₁ ⁺＝C₁+C₂求得C₁ ⁺，根据求和公式C₂ ⁺＝C₃+C₄求得C₂ ⁺；处理器还根据C₁ ^-、C₂ ^-、C₁ ⁺和C₂ ⁺，计算电容式力传感器所承受的外力F；其中，C₁为第一电极组中的第一电容器输出的电容值；C₂为第一电极组中的第二电容器输出的电容值；C₃为第二电极组中的第一电容器输出的电容值；C₄为第二电极组中的第二电容器输出的电容值。

在第一方面可能的实现方式中，在第一电极组中，沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向，第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，第一侧边在第一电极板上的正投影与第一电极的中心线重合；在第二电极组中，沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向，第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，第一侧边在第一电极板上的正投影与第一电极和第二电极之间的间隙的中心线重合；其中，第一电极的中心线为第一电极的沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向的中心线。

在该实施中，第一电极组中第一电极、第二电极和第三电极的布设方式，和第二电极组中第一电极、第二电极和第三电极的布设方式是不一样的。

在第一方面可能的实现方式中，电容式力传感器还包括处理器；处理器根据差分公式C₁ ^-＝C₁-C₂求得C₁ ^-，以及根据差分公式C₂ ^-＝C₃-C₄求得C₂ ^-；处理器还根据C₁ ^-和C₂ ^-，计算电容式力传感器所承受的外力F；其中，C₁为第一电极组中的第一电容器输出的电容值；C₂为第一电极组中的第二电容器输出的电容值；C₃为第二电极组中的第一电容器输出的电容值；C₄为第二电极组中的第二电容器输出的电容值。

由于第一电极组中第一电极、第二电极和第三电极的布设方式，和第二电极组中第一电极、第二电极和第三电极的布设方式是不一样的，那么，在计算传感器所承受的外力时，仅采用了差分处理方法，这样的话，可以降低计算复杂度，提高信号处理速率。

在第一方面可能的实现方式中，电容式力传感器还包括第三电极板，第三电极板设置在第二电极板的背离第一电极板的一侧；至少一个电极组还包括第三电极组；在第三电极组中，多个第一电极和多个第二电极设置在第三电极板的相对第二电极板的面，多个第三电极设置在第二电极板的相对第三电极板的面上；且第三电极组和第一电极组关于第二电极板对称布设。也就是说，在第三电极组中，沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向，第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，第一侧边在第三电极板上的正投影与第一电极的中心线重合。

可以这样讲，本实施例给出的电容式力传感器包括依次层叠的第一电极板、第二电极板和第三电极板，且第二电极板的相对第一电极板和第三电极板的面上均设置有第三电极。这样设计，可以进一步加倍了面积变化型电容的灵敏度，另外，还可以增加间距变化型电容的灵敏度。

在第一方面可能的实现方式中，电容式力传感器还包括处理器；处理器根据差分公式C₁ ^U-＝C₁-C₂求得C₁ ^U-，根据差分公式C₁ ^D-＝C₅-C₆求得C₁ ^D-；以及，根据求和公式C₁ ^U+＝C₁+C₂求得C₁ ^U+，根据求和公式C₁ ^D+＝C₅+C₆求得C₁ ^D+；处理器还根据C₁ ^-＝C₁ ^U-+C₁ ^D-和C₁ ⁺＝C₁ ^U+-C₁ ^D+，计算电容式力传感器所承受的外力F；其中，C₁为第一电极组中的第一电容器输出的电容值；C₂为第一电极组中的第二电容器输出的电容值；C₅为第三电极组中的第一电容器输出的电容值；C₆为第三电极组中的第二电容器输出的电容值。

当力传感器不仅包括第一电极板和第二电极板，还包括第三电极板时，且第三电极对称设置在第一电极和第二电极之间时，可以利用差分信号处理和加和信号处理方法，算得空间外力的大小值。

在第一方面可能的实现方式中，电容式力传感器还包括第三电极板，第三电极板设置在第二电极板的背离第一电极板的一侧；至少一个电极组还包括第三电极组；在第三电极组中，多个第一电极和多个第二电极设置在第三电极板的相对第二电极板的面，多个第三电极设置在第二电极板的相对第三电极板的面上；且第三电极组和第一电极组关于第二电极板对称布设，也就是说，在第三电极组中，沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向，第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，第一侧边在第一电极板上的正投影与第一电极和第二电极之间的间隙的中心线重合。

同样的，通过增加第三电极板，可以进一步加倍了面积变化型电容的灵敏度，另外，还可以增加间距变化型电容的灵敏度。

在第一方面可能的实现方式中，电容式力传感器还包括处理器；处理器根据差分公式C₁ ^U-＝C₁-C₂求得C₁ ^U-，根据差分公式C₁ ^D-＝C₅-C₆求得C₁ ^D-；处理器还根据C₁ ^-＝C₁ ^U-+C₁ ^D-，计算电容式力传感器所承受的外力F；其中，C₁为第一电极组中的第一电容器输出的电容值；C₂为第一电极组中的第二电容器输出的电容值；C₅为第三电极组中的第一电容器输出的电容值；C₆为第三电极组中的第二电容器输出的电容值。

在该可实现的方式中，由于第三电极的侧边与第一电极和第二电极之间的间距的中心线重合，进而，只需要采用差分信号处理方式，计算得到空间外力大小，并且，不仅对面积变化型电容器，对于间距变化型电容器，通过差分都可以提升测量灵敏度。

在第一方面可能的实现方式中，至少一个电极组还包括第五电极组；在第五电极组中，多个第一电极和多个第二电极沿第二方向排布在第一电极板的相对第二电极板的面上，多个第三电极设置在第二电极板的相对第三电极板的面上；第二方向与第一方向相垂直。

这样的话，可以对相垂直的第一方向和第二方向的力进行测量。比如，不仅对X方向的力Fx、绕Y方向轴的扭矩My、以及Z方向的力Fz，还可以测得Y方向的力Fy、绕X方向轴的扭矩Mx、以及Z方向的力Fz。

在第一方面可能的实现方式中，相对的第一电极板和第二电极板上设置八组电极组，且八组电极组沿着第一电极板和第二电极板的周向间隔布设。

比如，八组电极组中的两组沿X方向布设，另两组沿Y方向布设，再另两组沿+45°方向布设，剩下的两组沿-45°方向布设。如此的话，形成的该传感器可以被称为六维力传感器。

在第一方面可能的实现方式中，电容式力传感器还包括：主体和受力板，主体内形成有容纳腔；弹性体设置在容纳腔内，弹性体包括连接部和多个沿连接部周向布设的弹性臂，且弹性臂的远离连接部的一端与主体固定连接；第一电极板和第二电极板均设置在容纳腔内，第二电极板与弹性体相对设置，且与连接部固定连接，第一电极板设置在第二电极板的背离弹性体的一侧并与主体固定连接；受力板设置在容纳腔外，且与第二电极板固定连接。

该实施例提供的电容式力传感器在使用时，当外力作用在受力板上时，弹性臂会在受力板的带动下运动，进而带动第二电极板相对第一电极板运动，从而通过设置在第一电极板和第二电极板上的电极组测得所受外力大小。

在第一方面可能的实现方式中，电容式力传感器还包括电路板，电路板设置在容纳腔内，且和第二电极板相对设置在弹性体的两侧。用于对电容值进行处理的处理器可以位于该电路板上。

在第一方面可能的实现方式中，电容式力传感器还包括底座，且底座、主体和受力板可以围城密封的容纳腔，第一电极板、第二电极板和电路板可以设置在该密封的容纳腔内，以对这些电子元器件起到保护的作用。

第二方面，本申请提供了一种利用电容式力传感器检测设备所承受外力的测量方法，电容式力传感器安装在检测设备上，该电容式力传感器包括第一电极板、第二电极板、弹性体和至少一个电极组；第二电极板与第一电极板相对设置，且第一电极板和第二电极板之间具有间距，第一电极板和第二电极板中的其中一个为定电极板，另一个为动电极板，弹性体与动电极板固定连接，弹性体能够带动动电极板相对定电极板沿平行定电极板的方向和垂直定电极板的方向移动，以及能够带动动电极板相对定电极板沿平行定电极板的轴线和垂直定电极板的轴线转动；另外，任一电极组包括：多个相互电连接的第一电极、多个相互电连接的第二电极和多个相互电连接的第三电极，多个第一电极和多个第二电极均设置在第一电极板的相对第二电极板的面上，且多个第一电极和多个第二电极依次交替排布，多个第三电极设置在第二电极板的相对第一电极板的面上，且第一电极、第三电极和第二电极错位设置，任一第三电极与其相邻的第一电极和第二电极形成耦合结构，并且任一第一电极或者任一第二电极属于一个独立的耦合结构，动电极板相对定电极板运动时，多个第一电极和多个第三电极形成第一电容器，多个第二电极和多个第三电极形成第二电容器；

本实施例提供的测量方法包括：采集第一电容器的电容值，以及采集第二电容器的电容值；根据第一电容器的电容值和第二电容器的电容值，测得检测设备所承受外力F。

在本申请实施例提供的测量方法中，采用了上述实施例提供的电容式力传感器，由于在该传感器中，包括了设置在第一电极板上的多个第一电极和多个第二电极，以及设置在第二电极板上的多个第三电极，这样的话，相比现有技术的传感器，可以明显的增加面积变化，进而，会明显的提升电容变化，最终会有效的提升测量灵敏度。

在第二方面可能的实现方式中，沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向，任一第一电极和任一第二电极的宽度均为W1，每相邻的第一电极和第二电极的宽度为W2，且任一第三电极的宽度为W，每相邻两个第三电极之间的宽度为W，其中，W＝W1+W2；至少一个电极组包括第一电极组和第二电极组，第一电极组中的多个第一电极和多个第二电极，与第二电极组中的多个第一电极和多个第二电极，设置在第一电极板的中心的两侧；

采集第一电容器的电容值，以及采集第二电容器的电容值，包括：

采集第一电极组中的第一电容器输出的电容值C₁，采集第一电极组中的第二电容器输出的电容值C₂，采集第二电极组中的第一电容器输出的电容值C₃，采集第一电极组中的第二电容器输出的电容值C₄。

也就是，当包括关于第一电极板和第二电极板的中心相对设置的第一电极组和第二电极组时，需要对这两个电极组分别形成的电容值进行采用，再采用相对应的信号处理方法进行处理。

在第二方面可能的实现方式中，在第一电极组和第二电极组中的任一电极组中，沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向，第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，第一侧边在第一电极板上的正投影与第一电极的中心线重合；

利用第一电容器的电容值和第二电容器的电容值，测得检测设备所承受外力F，包括：

根据差分公式C₁ ^-＝C₁-C₂求得C₁ ^-，根据差分公式C₂ ^-＝C₃-C₄求得C₂ ^-；以及，根据求和公式C₁ ⁺＝C₁+C₂求得C₁ ⁺，根据求和公式C₂ ⁺＝C₃+C₄求得C₂ ⁺；

再根据C₁ ^-、C₂ ^-、C₁ ⁺和C₂ ⁺，计算检测设备所承受外力F。

这里采用可差分信号处理，和加和信号处理，以计算得到F大小。

可以这样讲，不仅电容面积变化增多，可以提升力测量的灵敏度，通过差分方法，也可以使得电容信号变化加倍，进一步的提升测量灵敏度。

在第二方面可能的实现方式中，电容式力传感器还包括第三电极板，第三电极板设置在第二电极板的背离第一电极板的一侧；至少一个电极组还包括第三电极组，在第三电极组中，多个第一电极和多个第二电极设置在第三电极板的相对第二电极板的面，多个第三电极设置在第二电极板的相对第三电极板的面上，且第三电极组和第一电极组关于第二电极板对称布设；在第一电极组和第二电极组中的任一电极组中，沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向，第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，第一侧边在第一电极板上的正投影与第一电极的中心线重合；

采集第一电容器的电容值，以及采集第二电容器的电容值，还包括：

采集第三电极组中的第一电容器输出的电容值C₅，采集第三电极组中的第二电容器输出的电容值C₆；

利用第一电容器的电容值和第二电容器的电容值，测得检测设备所承受外力F，包括：

根据差分公式C₁ ^U-＝C₁-C₂求得C₁ ^U-，根据差分公式C₁ ^D-＝C₅-C₆求得C₁ ^D-；

以及，根据求和公式C₁ ^U+＝C₁+C₂求得C₁ ^U+，根据求和公式C₁ ^D+＝C₅+C₆求得C₁ ^D+；

再根据C₁ ^-＝C₁ ^U-+C₁ ^D-和C₁ ⁺＝C₁ ^U+-C₁ ^D+，计算检测设备所承受外力F。

当该力传感器不仅包括第一电极板和第二电极板，还包括第三电极板，并且，电极布设方式对称设置时，也可以通过差分信号处理和加和信号处理方式计算得到外力F。

同理的，通过增加第三电极板，可以进一步的增加电容面积变化，提升灵敏度。

在第二方面可能的实现方式中，在第一电极组中，沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向，第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，第一侧边在第一电极板上的正投影与第一电极的中心线重合；在第二电极组中，沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向，第三电极包括相对的一侧边和第二侧边，第一侧边在第一电极板上的正投影与第一电极和第二电极之间的间隙的中心线重合；

利用第一电容器的电容值和第二电容器的电容值，测得检测设备所承受外力F，包括：

根据差分公式C₁ ^-＝C₁-C₂求得C₁ ^-，以及根据差分公式C₂ ^-＝C₃-C₄求得C₂ ^-；

再根据C₁ ^-和C₂ ^-，计算检测设备所承受外力F。

当力传感器采用上述布设方式时，不仅对于面积变化型传感器，还是对于间距变化型传感器，仅可以采用差分信号处理方式，就可以得到外力F的大小。

在第二方面可能的实现方式中，电容式力传感器还包括第三电极板，第三电极板设置在第二电极板的背离第一电极板的一侧；至少一个电极组还包括第三电极组；在第三电极组中，多个第一电极和多个第二电极设置在第三电极板的相对第二电极板的面，多个第三电极设置在第二电极板的相对第三电极板的面上；且第三电极组和第一电极组关于第二电极板对称布设；在第一电极组中，沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向，第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，第一侧边在第一电极板上的正投影与第一电极的中心线重合；在第二电极组中，沿多个第一电极和多个第二电极的排布方向，第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，第一侧边在第一电极板上的正投影与第一电极和第二电极之间的间隙的中心线重合；

采集第一电容器的电容值，以及采集第二电容器的电容值，还包括：

采集第三电极组中的第一电容器输出的电容值C₅，采集第三电极组中的第二电容器输出的电容值C₆；

利用第一电容器的电容值和第二电容器的电容值，测得检测设备所承受外力F，包括：

根据差分公式C₁ ^U-＝C₁-C₂求得C₁ ^U-，根据差分公式C₁ ^D-＝C₅-C₆求得C₁ ^D-；

再根据C₁ ^-＝C₁ ^U-+C₁ ^D-，计算检测设备所承受外力F。

也就是，在具有第三电极板的情况下，电极按照上述方式布设时，仅通过差分方式就可以求得空间外力大小。

附图说明

图1为现有技术中一种力传感器的简易结构图；

图2为本申请实施例提供的一种电容式力传感器的分解图；

图3为图2所示电容式力传感器的装配后的剖面图；

图4为本申请实施例提供的一种弹性体、主体和限位挡板的连接关系示意图；

图5为本申请实施例提供的电容式力传感器中的一种第一电极板的结构图；

图6为本申请实施例提供的电容式力传感器中的一种第二电极板的结构图；

图7为本申请实施例提供的电容式力传感器中的一种第一电极板的结构图；

图8为本申请实施例提供的电容式力传感器中的一种第二电极板的结构图；

图9为本申请实施例提供的电容式力传感器中的第一电极板和第二电极板的剖面图；

图10为本申请实施例提供的电容式力传感器中的第一电极板和第二电极板上的电极分布图；

图11为本申请实施例提供的电容式力传感器中形成的第一电容器或者第二电容器的原理图；

图12a为本申请实施例提供的电容式力传感器中形成的第一电极板和第二电极板上的电极分布图；

图12b为本申请实施例提供的电容式力传感器中形成的第一电极板和第二电极板上的电极分布图；

图13为图12a和图12b中的形成的电容器的曲线图；

图14a为图13中的形成的电容器差分后的曲线图；

图14b为图13中的形成的电容器加和后的曲线图；

图15a为本申请实施例提供的电容式力传感器中形成的第一电极板和第二电极板上的电极分布图；

图15b为本申请实施例提供的电容式力传感器中形成的第一电极板和第二电极板上的电极分布图；

图16为图15a和图15b中的形成的电容器的曲线图；

图17为图16中的形成的电容器差分后的曲线图；

图18为本申请实施例提供的电容式力传感器中的第一电极板的结构图；

图19为图18中的其中一个电极组的分布图；

图20为本申请实施例提供的电容式力传感器中的第二电极板的结构图；

图21为图20中的其中一个电极组的分布图；

图22为本申请实施例提供的电容式力传感器中的第一电极板、第二电极板和第三电极组的剖面图；

图23为本申请实施例提供的电容式力传感器中形成的第一电极板、第二电极板和第三电极组上的电极分布图；

图24a为本申请实施例提供的电容式力传感器中形成的第一电极板、第二电极板和第三电极板上的第一电极组和第三电极组的电极分布图；

图24b为本申请实施例提供的电容式力传感器中形成的第一电极板、第二电极板和第三电极板上的第二电极组和第四电极组的电极分布图；

图25a为本申请实施例提供的电容式力传感器中形成的第一电极板、第二电极板和第三电极板上的第一电极组和第三电极组的电极分布图；

图25b为本申请实施例提供的电容式力传感器中形成的第一电极板、第二电极板和第三电极板上的第二电极组和第四电极组的电极分布图。

附图标记：

1000-电容式力传感器；

10-主体；101-容纳腔；

20-感应电极板；201-通孔；

30-弹性体电极板；

40-弹性体；401-连接部；402-弹性臂；403-固定臂；

50-受力板；

60-连接柱；

70-限位挡板；701-第一限位挡板；702-第二限位挡板；

80-电路板；

90-底座；

200-第一电极板；

200a-第一绝缘衬底；

21、21-1、21-2、21-3、21-4、2011、2012、2031、2032-第一电极；22、22-1、22-2、22-3、22-4、2021、2022、2041、2042-第二电极；

300-第二电极板；

300a-第二绝缘衬底；

31、31-1、31-2、31-3、31-4、3011、3012、3021、3022-第三电极；

400-第三电极板。

具体实施方式

在机器人、航空航天设备、机械加工设备、汽车制造设备或者多自由度精密组装设备等一些设备中，均需要一种力传感器，以实现空间力或者力矩的测量。比如，在机器人中，一般采用力传感器对机器人的手臂、手腕、手指或者底座等部件在运动过程中所受力或者力矩进行测量，且力传感器能够将感知到的力或者力矩信息转换成电信号输出。

随着上述这些设备的发展，力传感器不仅由单维传感器发展为多维传感器，比如，发展为六维传感器，并且对传感器的灵敏度也提出了越来越高的要求。例如，在机器人中，即使手臂在外力的作用下产生较小的位移，也需要力传感器能够灵敏的感知到，以对外力大小比较精准的检测。

为了提升力传感器检测的灵敏度，以提升力传感器的使用性能，本申请实施例给出了一种新型的力传感器，该种力传感器是一种基于电容变化的电容式力传感器，下面结合附图对本申请实施例给出的电容式力传感器进行详细描述。

图2示出的是本申请实施例给出的一种电容式力传感器1000的分解图，图3是图2所示结构装配后的剖面图。一并结合图2和图3，该电容式力传感器1000包括主体10，主体10内形成有容纳腔101，容纳腔101内设置有弹性体40、感应电极板20和弹性体电极板30；其中，如图4所示，图4示出了弹性体40的结构图，弹性体40包括连接部401和多个沿连接部401的周向布设的弹性臂402，并且弹性臂402的远离连接部401的一端与主体10固定连接。

还有，弹性体电极板30与弹性体40相对设置，且弹性体电极板30与弹性体40的连接部401固定连接。这样的话，当弹性体40发生变形时，就会带动弹性体电极板30相对主体10运动。

再结合图2和图3，感应电极板20和弹性体电极板30相对设置，感应电极板20上设置有通孔201，设置在主体10的容纳腔101外部的受力板50通过穿过通孔201的连接柱60与弹性体电极板30固定连接。也可以这样讲，用于承受外力的受力板50设置在主体10的外部，且受力板50通过连接柱60与弹性体电极板30和弹性体40相对固定。如此一来，外力施加在受力板50后，会带动弹性体40发生形变，弹性体40的形变会带动弹性体电极板30相对感应电极板20运动。

并且，在感应电极板20和弹性体电极板30上均设置有电极，那么，当弹性体电极板30相对感应电极板20运动时，致使感应电极板20上的电极和弹性体电极板30上的电极之间的正对面积或者间距中的至少一个参数发生变化，进而引起该电容式力传感器1000的电容值发生变化，通过该电容值就可以用来表示外力大小。

对于感应电极板20上的电极布设，和弹性体电极板30上的电极布设，下面进行详细介绍。

在另外一种实施例中，该电容式力传感器1000的弹性体40如图4的，还可以包括多个固定臂403，多个固定臂403沿着连接部401的周向间隔布设，并且，多个固定臂403和多个弹性臂402可以沿着连接部401的周向交替排布。

继续结合图4，该电容式力传感器1000还包括限位挡板70，这里的限位挡板70用于限定弹性体40沿如图4所示的沿X方向、沿Y方向和沿Z方向的位移量，比如，该限位挡板70可以包括多个第一限位挡板701和多个第二限位挡板702，其中，两个第一限位挡板701相对布设，两个第二限位挡板702相对布设，固定臂403的一端与连接部401固定连接，另一端延伸中两个第一限位挡板701、两个第二限位挡板702围城的空腔内，即通过限定固定臂403的位移量，限定弹性体40的位移量。

再一并结合图2和图3，本申请实施例给出的电容式力传感器1000还可以包括电路板80，电路板80上集成有处理器，这里的处理器可以对感应电极板20和弹性体电极板30输出的电容值进行处理，以输出外力大小。

图2给出了电路板80布设的其中一种方式，也就是，将电路板80也设置在主体10的容纳腔301内，并且，电路板80和弹性体电极板30相对设置在弹性体40的两侧。图2仅示出的是电路板80布设方式中的其中一种，当然，电路板80、弹性体电极板30和感应电极板20均设置在弹性体40的同一侧。

另外，再结合图2和图3，电容式力传感器1000还可以包括底座90，底座90与主体10固定连接。在一些可以选择的实施方式中，主体10、底座90和受力板50可以围城封闭的容纳腔101，以使得感应电极板20、弹性体电极板30、电路板80和弹性体40被设置在封闭的腔室内，免受外部灰尘等杂质对这些器件造成污染。

在图2和图3所示的电容式力传感器1000中，由于弹性体电极板30与弹性体40相对固定，从而，弹性体电极板30作为动电极板，可以相对作为定电极板10的感应电极板20运动，以改变电容大小。

下述对本申请的用于形成电容器的电极板上的电极布设，以及对产生的电容的处理方法进行详细介绍。

如图5和图6所示，图5示出了的是本申请实施例给出的一种具有电极的第一电极板200的结构图，图6示出的是本申请实施例给出的一种具有电极的第二电极板300的结构图。第一电极板200和第二电极板300中的其中一个为动电极板，另一个为定电极板，这里的动电极板可以与上述图2和图3中的弹性体40固定连接，那么，当弹性体发生形变时，会促使第一电极板200和第二电极板300之间发生相对运动。

本申请的动电极板相对定电极板运动至少包括：动电极板相对定电极板沿平行于定电极板的方向移动，动电极板相对定电极板沿垂直于定电极板的方向移动，动电极板相对定电极板沿平行于定电极板的轴线转动，动电极板相对定电极板沿平行于定电极板的轴线转动。例如，如图2、图5和图6所示的，动电极板相对定电极板沿X轴、Y轴和Z轴平动，以及还可以绕X轴、Y轴和Z轴转动。这样的话，本申请给出的力传感器不仅是一种面积变化型传感器，还是一种间距变化型传感器，通过这两种不同类型的传感器测量外力空间大小。

在一些可选择的实施方式中，这里的第一电极板200可以是上述图2和图3所示的感应电极板20，第二电极板300可以是上述图2和图3所示的弹性体电极板30。在另外一些可选择的实施方式中，第一电极板200也可以是上述图2和图3所示的弹性体电极板30，第二电极板300可以是上述图2和图3所示的感应电极板20。为了便于理解，本申请下述实施例是以第一电极板200为图2中的感应电极板20，第二电极板300为图2中的弹性体电极板30为例，来介绍电极分布，以及信号处理方式的。

如图5所示的，第一电极板200上具有多个感应电极组，图5示例性的示出了八个感应电极组，(201、202)为一个感应电极组，同理的，(203、204)、(205、206)、(207、208)、(209、210)、(211、212)、(213、214)、(215、216)为其余的七个感应电极组。如图6所示的，第二电极板300上具有多个接地电极组，图6示例性的示出了八个接地电极组，分别为接地电极组301至接地电极组308。

一并结合图5和图6，图5中的感应电极组201和与图6中的接地电极组301，可以形成一个电容器，图5中的感应电极组202和与图6中的接地电极组301，也可以形成另一个电容器。同理的，图5中的感应电极组203和与图6中的接地电极组302，可以形成又一个电容器，图5中的感应电极组204和与图6中的接地电极组302，可以形成再一个电容器。

这样的话，图5所示的第一电极板200和图6所示的第二电极板300可以形成16个电容器，其中，该电容式力传感器在使用时，沿X方向(也可以叫第一方向)布置的两组电容器可以用来测量X方向的力Fx、绕Y方向(也可以叫与第一方向垂直的第二方向)轴的扭矩My、以及Z方向(也可以叫与第一方向和第二方向均垂直的第三方向)的力Fz；Y方向布置的两组电容器用来测量Y方向的力Fy、绕X方向轴的扭矩Mx、以及Z方向的力Fz；其余的按照环形布置的四组电容器主要用来测量绕Z方向轴的扭矩Mz、Z方向的力Fz，同时也可测量Mx和My。

当采用图5和图6所示的电极布设，形成的电容式力传感器是一种六维力传感器。在另外一些可选择的实施方式中，如图7和图8所示，可以在图5和图6的基础上，去掉第一电极板200上的感应电极组(209、210)、(211、212)、(213、214)、(215、216)，相对应的，去掉第二电极板300上的接地电极组305至接地电极组308。如此设计的话，图7和图8所示结构形成的电容式力传感器属于一种五维力传感器，即可以测量X方向的力Fx、绕Y方向轴的扭矩My、以及Z方向的力Fz、Y方向的力Fy、绕X方向轴的扭矩Mx。

当然，在其他可选择的实施方式中，可以在图7和图8的基础上，去掉感应电极组(203、204)、(207、208)，以及去掉接地电极组302和接地电极组304，可以实现力Fx、力Fz、力Fy的测量。

如图5和图6所示，在第一电极板200中，感应电极组(201、202)中的电极，和感应电极组(203、204)中的电极均是沿X方向布设，以及感应电极组(205、206)中的电极，和感应电极组(207、208)中的电极均是沿Y方向布设，进而，可以认为感应电极组(201、202)中的电极、感应电极组(203、204)中的电极、感应电极组(205、206)中的电极和感应电极组(207、208)中的电极均属于线性排布，那么，相对应的，在第二电极板300中，接地电极组301中的电极、接地电极组302中的电极、接地电极组303中的电极和接地电极组304中的电极也属于线性排布。

然而，再结合图5和图6，在第一电极板200中，感应电极组(209、210)中的电极、感应电极组(211、212)中的电极、感应电极组(213、214)中的电极和感应电极组(215、216)中的电极沿第一电极板200的周向呈弧形排布，那么，这四组感应电极组均属于角度型排布。相对应的，在第二电极板300中，接地电极组305中的电极、接地电极组306中的电极、接地电极组307中的电极和接地电极组308中的电极也属于角度型排布。比如，按照角度型布置的四组电容器中，感应电极组(209、210)和感应电极组(211、212)的布设方向与Y方向之间的夹角为-45°，以及干感应电极组(213、214)和感应电极组(215、216)的布设方向与Y方向之间的夹角为45°，也就是说，八组感应电极组沿着第一电极板200的周向等间距的布设。

需要说明的是，上述图5至图8所示的第一电极板200和第二电极板300可以被设置在图2和图3所示的电容式力传感器结构中，也可以设置在其他结构的电容式力传感器结构中。

另外，可以将位于第一电极板200上的感应电极组(201、202)和第二电极板300上的接地电极组301合称为一个电极组。进而，同样的感应电极组(203、204)和接地电极组302可以合称为另一个电极组。

下面分别对属于线性排布的电极组，以及对属于角度型排布的电极组分别进行介绍。

下述以第一电极板200上的感应电极组(201、202)和第二电极板300上的接地电极组301为例，来介绍线性排布电极组的具体布设方式，以及信号处理方法。

图9示出了相对的第一电极板200和第二电极板300的部分结构的剖面图，图10是图9所示结构的电极板上的电极的分布图。一并结合图9和图10，第一电极板200具有与第二电极板300相对的A1面，第二电极板300具有与第一电极板200相对的B1面，即A1面与B1面相对。感应电极组(201、202)布设在A1面上，接地电极组301布设在B1面上，其中，感应电极组(201、202)包括多个第一电极21和多个第二电极22，接地电极组301包括多个第三电极31。

在一些可选择的实施方式中，如图9，第一电极板200包括第一绝缘衬底200a，在第一绝缘衬底200a的相对第二电极板300的面上形成多个第一电极21和多个第二电极22。同样的，第二电极板300包括第二绝缘衬底300a，在第二绝缘衬底300a的相对第一电极板200的面上形成多个第三电极31。在一些可选择的工艺中，这里的多个第一电极21、多个第二电极22和多个第三电极31均可以采用在绝缘衬底上制得金属导线而形成。并且，多个第一电极21相互电连接，多个第二电极22相互电连接，还有，多个第三电极31也相互电连接。

如图9和图10，示例性的给出了设置在第一电极板200上的感应电极组(201、202)中的第一电极21具有四个，分别为相互电连接的第一电极21-1、第一电极21-2、第一电极21-3和第一电极21-4，以及示例性的给出了感应电极组(201、202)中的第二电极22也具有四个，分别为相互电连接的第二电极22-1、第二电极22-2、第三电极22-3和第二电极22-4。另外，这些多个第一电极和多个第二电极沿着X方向依次交替排布，比如，第一电极21-1、第二电极22-1、第一电极21-2、第二电极22-2、第一电极21-3、第三电极22-3、第一电极21-4和第二电极22-4沿着X方向依次排布。

继续结合图9和图10，第一电极21、第三电极31和第二电极22沿着X方向错位设置。比如，如图9和图10，示例性的给出了设置在第二电极板300上的接地电极组301中的第三电极31具有四个，分别为相互电连接的第三电极31-1、第三电极31-2、第三电极31-3和第三电极31-4。并且，任一第三电极31与其相邻的第一电极21和第二电极22形成耦合结构，且任一第一电极21和任一第二电极22属于一个独立的耦合结构，例如，如图9，第一电极21-1、第二电极22-1和第三电极31-1属于耦合结构Q1，第一电极21-2、第二电极22-2和第三电极31-2属于另一个独立的耦合结构Q2。也可以这样理解，相邻的第二电极22-1和第一电极21-2之间不会再设置一个第三电极，即任一个第一电极21、任一个第二电极22和任一第三电极31仅属于一个独立的耦合结构，不会同时处于两个耦合结构中，也就是说，第一电极21的数量和第二电极22的数量相等，第三电极31的数量等于或者小于第一电极21的数量，图9和图10示例性的给出了第一电极21、第二电极22和第三电极31的数量均相等。

基于图9和图10的设计，当第二电极板300相对第一电极板200运动时，多个第一电极21和多个第三电极31形成第一电容器，多个第二电极22和多个第三电极31形成第二电容器。示例的，在图10中，四个第一电极21和四个第三电极31形成第一电容器，四个第二电极22和四个第三电极31形成第二电容器。

由上述的图9和图10可以看出，本申请给出的电容式力传感器是一种容栅式的传感器结构，在这种栅状结构中，如图9，当第二电极板300相对第一电极板200沿X方向移动ΔX时，本申请的第一电容器和第二电容器的面积变化均为N×H×ΔX，这里的N代表第一电极、第二电极或者第三电极中个数最少的数量，或者为耦合结构的数量，H代表第二电极板300的沿Y方向的尺寸，但是，在现有技术中，当可动的电极板相对定电极板移动ΔX时，电容器的面积变化仅为H×ΔX，进而，由N×H×ΔX和H×ΔX相比，本申请的面积变化明显的增加，当面积变化明显增加时，相对应的电容变化也是成倍的增加，进而，会有效的提升该电容式力传感器的灵敏度，以使得第二电极板300相对第一电极板200在X方向的位移量较小时，也会很灵敏的检测到该位移量，从而测出外力大小。

再结合图9和图10，通过在第一电极板200上设置多个依次交替排布的第一电极21和第二电极22，以与第二电极板300上的多个第三电极31形成第一电容器和第二电容器，在提升电容变化量的前提下，也不需要增加第一电极板200和第二电极板300的沿X方向的尺寸，或者，减小第一电极板200和第二电极板300的沿Z方向的间距，这样设计，就不会增加整个两个电极板的尺寸，也不会对第一电极板200和第二电极板300的安装工艺提出挑战。

再结合图11所示，图11示出了第一电容器或者第二电容器形成的原理。比如，一并结合图10和图11，第一电极21-1、第一电极21-2、第一电极21-3和第一电极21-4相并联，具有输出端子L1，第三电极31-1、第三电极31-2、第三电极31-3和第三电极31-4相并联，具有输出端子L3，输出端子L1和输出端子L3所输出的电信号示为第一电容器的电容值C1。同理的，第二电极22-1、第二电极22-2、第三电极22-3和第二电极22-4相并联，具有输出端子L2，第三电极31-1、第三电极31-2、第三电极31-3和第三电极31-4相并联，具有输出端子L3，输出端子L2和输出端子L3所输出的电信号示为第二电容器的电容值C2。也就是说，通过相并联的多个可变电容器，形成电容器，这样就可以增大电容变化量，提升测量灵敏度。

继续结合图9和图10，沿X方向，任一第一电极21和任一第二电极22的线性宽度均为W1，每相邻的第一电极21和第二电极22的线性宽度为W2，且任一第三电极的线性宽度为W，每相邻的两个第三电极31之间的线性宽度为W，其中，W＝W1+W2。可以这样讲，第一电极21的排布周期为2W，第二电极22的排布周期也为2W，每一个第一电极21和每一个第二电极22的沿X方向的宽度均为W1，每相邻的第一电极21和第二电极22的间距为W2，每一个第三电极31的沿X方向的宽度均为W＝W1+W2，每相邻的两个第三电极31之间的宽度为W＝W1+W2。

当第一电极、第二电极和第三电极按照上述尺寸限定时，带动动电极板运动的弹性体40受到X方向上的最大力而导致的移动量不应该超过W1/2。

还有，第一电极21和第二电极22在第二电极板300上的正投影，沿着与X方向相垂直的Y方向，覆盖第三电极31。即沿着Y方向，第一电极21和第二电极22的尺寸大于第三电极31的尺寸。或者，在另外一些实施方式中，第三电极31在第一电极板200上的正投影，沿着与X方向相垂直的Y方向，覆盖第一电极21和第二电极22。即沿着Y方向，第三电极31的尺寸大于第一电极21和第二电极22的尺寸。总之，需要第三电极31的沿Y方向的尺寸与第一电极21的沿Y方向的尺寸不相等，比如，如图10所示的，沿Y方向，第三电极31的尺寸为H2，第一电极21和第二电极22的尺寸为H1，且H1不等于H2。

当对第一电极21、第二电极22和第三电极31在Y方向有上述的尺寸约束，且第一电极板200和第二电极板300沿X方向有相对运动时，即使在Y方向上产生较小的位移量，也不会因为在Y方向上的位移量，导致第一电极板和第二电极板之间的有效面积的变化量可变，因此，可以保障测量数据的准确性。

下面对感应电极组(201、202)中的第一电极和第二电极，以及相对应的接地电极组301中的第三电极，他们之间的位置关系进行描述。

图12a给出了其中一种位置关系，具体的，在接地电极组301中，沿着多个第三电极的排布方向(即沿图12a的X方向)，第三电极包括相对的第一侧边M1和第二侧边M2，第一侧边M1在第一电极板200上的正投影与第一电极的中心线重合。比如，在图12a中，第三电极31-1的第一侧边M1的第一电极板200上的正投影与第一电极21-1的中心线T1重合，又因为第三电极的线性宽度为第一电极排布周期的二分之一，进而，第三电极31-1的第二侧边M2的第一电极板200上的正投影与第二电极22-1的中心线T2重合。

图12b给出了感应电极组(203、204)中的第一电极和第二电极，以及相对应的接地电极组302中的第三电极，他们之间的位置关系。如图12b所示的，第一电极、第二电极和第三电极的位置关系和图12a所示的一样，也是在接地电极组302中，沿着多个第三电极的排布方向(即沿图12b的X方向)，第三电极包括相对的第一侧边M1和第二侧边M2，第一侧边M1在第一电极板200上的正投影与第一电极的中心线重合。也就是说，第三电极对称的设置在第一电极和第二电极之间。

图13给出了感应电极组201和接地电极组301形成的电容器输出的电容值C1与沿X位移变化的曲线图，也给出了感应电极组202和接地电极组301形成的电容器输出的电容值C2与沿X位移变化的曲线图。由于感应电极组203、感应电极组204和接地电极组302中的电极之间的位置关系，和感应电极组201、感应电极组202和接地电极组301中的电极之间的位置关系相同，从而，感应电极组203和与接地电极组302形成的电容器输出的电容值C3与沿X位移变化的曲线图，和感应电极组204和与接地电极组302形成的电容器输出的电容值C4与沿X位移变化的曲线也如图13所示，即C3曲线与C1曲线一致，C2曲线与C4曲线一致。

当第一电极板200和第二电极板300上的第一电极组如图12a所示布设，第一电极板200和第二电极板300上的第二电极组如图12b所示时，本申请给出了一种如何利用输出的电容值，计算得到外力F大小的处理方法。具体的包括，对感应电极组201和接地电极组301形成的第一电容器的电容值C1，和感应电极组202和接地电极组301形成的第二电容器的电容值C2进行差分处理得到C₁ ^-＝C₁-C₂，差分信号C₁ ^-曲线如图14a所示的，由图14a的差分信号C₁ ^-的曲线相比图13的电容值C1和电容值C2的曲线，容易看出，在相同位移X变化的情况下，差分信号大小变化是电容值C1或者电容值C2大小变化的两倍，这样的话，力传感器信号的灵敏度就会明显的提升。

同理的，可以对如图12b所示的第二电极组中，感应电极组203和接地电极组302形成的第一电容器的电容值C3，和感应电极组204和接地电极组302形成的第二电容器的电容值C4也进行差分处理，以得到C₂ ^-＝C₃-C₄，差分信号C₂ ^-曲线也如图14a所示。

但是，由图14a可以看出，当动电极板相对定电极板仅仅在Z方向上运动，并且X变化为零时，由于电容值C1和电容值C2的数值大小始终相等，差分后的C₁ ^-无论如何都为零。还有，即使X保持在不为零的位置且不变，仅仅在Z方向上运动，在相同的位移Z变化的情况下，差分信号C₁ ^-的大小变化比电容值C1或者电容值C2的大小变化小，并且X越接近零，大小变化越小。也可以这样讲，当感应电极组和接地电极组按照图12a和图12b所示布设时，对于面积变化型的力传感器，采用差分信号处理，可以明显的提升测量灵敏度，但是，对于间距变化型的力传感器，仅采用差分信号处理方法，对于灵敏度的提升，效果不是很明显。

对此，本申请对于图12a和图12b所示的电极布设，还另外提供了一种信号处理方法，即加和信号处理方法。可以这样讲，对感应电极组201和接地电极组301形成的第一电容器的电容值C1，和感应电极组202和接地电极组301形成的第二电容器的电容值C2进行加和处理得到C₁ ⁺＝C₁+C₂，加和信号C₁ ⁺曲线如图14b所示。由图14b可以看出，在动电极板相对定电极板仅仅在Z方向上运动时，不论X保持在零位置，还是X保持在不为零的位置，加和信号C₁ ⁺的变化为恒值，也就是说，加和信号C₁ ⁺的变化与间距变化型电容器的信号变化是相同的。

进而，当采用图12a和图12b所示的电极布设时，可以采用相结合的图14a所示的差分信号和图14b所示的加和信号，计算得到所承受外力的大小。

如图5和图6，沿Y轴布设的感应电极组(205、206)和接地电极组303，以及感应电极组(207、208)和接地电极组304也按照图12a和图12b所示结构布设时，同样的可以采用相结合的差分信号处理方法和加和信号处理方法。还有，对于角度型排布的感应电极组(209、210)和接地电极组305，以及感应电极组(211、212)和接地电极组306按照图12a和图12b所示结构布设时，角度型排布的感应电极组(213、214)和接地电极组307，以及感应电极组(215、216)和接地电极组308也按照图12a和图12b所示结构布设时，都可以采用相结合的差分信号处理方法和加和信号处理方法。

在一些实施方式中，本申请给出的电容式力传感器还可以包括处理器，该处理器可以被设置在图2所示的电路板80上，该处理器可以对电容值进行处理，以得到空间外力大小。例如，当图5和图6所示的第一电极板200和第二电极板300上的16个电容器的电极布设均采用图12a和图12b所示的布设方式时，最终可以得到八个差分信号C₁ ^-至C₈ ^-，以及可以得到八个加和信号C₁ ⁺至C₈ ⁺。由于图5和图6所示结构可以测量空间六维力，则空间六维力可以表示

其中，

A为常数矩阵，

在另外一些实施例中，图15a和图15b给出了第一电极板200和第二电极板300上的第一电极组和第二电极组的电极布设的另外一种位置关系。在该实施例中，在第一电极组中，沿着多个第三电极的排布方向(即沿图15a的X方向)，第三电极包括相对的第一侧边M1和第二侧边M2，第一侧边M1在第一电极板200上的正投影与第一电极的中心线重合。比如，在图15a中，第三电极31-1的第一侧边M1的第一电极板200上的正投影与第一电极21-1的中心线T1重合，又因为第三电极的宽度为第一电极排布周期的二分之一，进而，第三电极31-1的第二侧边M2的第一电极板200上的正投影与第二电极22-1的中心线T2重合。

但是，在感应电极组203、感应电极组204和相对应的接地电极组302形成的第二电极组中，如图15b所示的，第三电极31-1的第一侧边M1的第一电极板200上的正投影与第一电极21-1和第二电极22-1之间的间距的中心线T3重合，又因为第三电极的宽度为第一电极排布周期的二分之一，进而，第三电极31-1的第二侧边M2的第一电极板200上的正投影与第二电极22-1和第一电极21-2之间的间距的中心线T4重合。

在第一电极组中，感应电极组201和与接地电极组301形成的电容器输出的电容值C1与沿X位移变化的曲线图如图13所示，和感应电极组202和与接地电极组301形成的电容器输出的电容值C2与沿X位移变化的曲线图也如图13所示。然而，在第二电极组中，感应电极组203和与接地电极组302形成的电容器输出的电容值C3，和感应电极组204和与接地电极组302形成的电容器输出的电容值C4，与沿X位移变化的曲线图如图16所示。对电容值C1和电容值C2进行差分处理得到C₁ ^-＝C₁-C₂，同理的，对电容值C3和电容值C4进行差分处理得到C₂ ^-＝C₃-C₄。图17示出了C₁ ^-和C₂ ^-沿X位移变化的曲线，由图17容易证明，当动电极板相对定电极板仅仅在Z方向上运动时，如论X变化为零，还是X变化不为零，差分后的C₁ ^-都为零，但是，电容值C3和电容值C4中的一个处于最大值，一个处于最小值，差分后的信号C₂ ^-处于极值，并且可以表示间距变化的电容值。

当图5和图6所示的第一电极板200和第二电极板300上的16个电容器的电极布设均采用图15a和图15b所示的布设方式时，最终可以得到八个差分信号C₁ ^-至C₈ ^-，则空间六维力则可以表示

其中，

A为常数矩阵，

也可以这样理解，本申请针对两种不同的电极布设方式，给出了两种不同的信号处理方法，这两种不同的电极布设方式，和两种不同的信号处理方法，不仅对于面积变化型的电容器，还是间距变化型的电容器，均可以提升测量力的灵敏度。另外，当采用图15a和图15b所示的电极布设方式时，信号处理方法的计算复杂度降低，这样的话，可以提升测量速率，进一步的提升用户体验度。

上述介绍了电容器包括第一电极板200和第二电极板300时，给出了至少两种电极布设方式，和相对应的信号处理方法。总而言之，给出的测量力的电容传感器不仅面积变化增多，而且采用差分信号处理方法也可以使得电容变化加倍，以提升测量的灵敏度。

除此之外，本申请给出的容栅式的电容器，还可以减弱甚至消除信号串扰，和实现力解耦的问题，具体体现在：沿X方向的面积变化型电容器的电容变化，和沿Y方向的面积变化型电容器的电容变化互不影响；沿X和Y方向的面积变化型电容器的电容变化，与两个45°方向布设的面积变化型电容器的电容变化相互影响甚微；另外，面积变化型电容器的电容变化和间距变化型电容器的电容变化相互影响甚微。

上述给出的是呈线性排布的电极组，以及对应的信号处理方法，下面结合图18和图19介绍角度型排布的电极组的具体布设方式，以及对应的信号处理方法。

图18给出了第一电极板200上的角度型排布的感应电极组(209、210)、感应电极组(211、212)、感应电极组(213、214)和感应电极组(215、216)的一种可实现的排布方式，图19是感应电极组(209、210)电极排布的放大图。一并结合图18和图19，感应电极组(209、210)的多个第一电极和多个第二电极沿着第一电极板200的周向交替排布，比如，第一电极21-1、第二电极22-1、第一电极21-2、第二电极22-2、第一电极21-3、第二电极22-3、第一电极21-4、第二电极22-4和第一电极21-5沿着第一电极板200的周向依次排布。

还有，任一第一电极21和任一第二电极22的角度宽度均为W1，每相邻的第一电极21和第二电极22的角度宽度为W2，第一电极21的排布周期为2W，第二电极22的排布周期也为2W，W＝W1+W2。

图20给出了第二电极板300上的角度型排布的接地电极组305至接地电极组308的一种可实现的排布方式，图21是接地电极组305的电极排布的放大图。一并结合图20和图21，接地电极组的多个第三电极沿着第二电极板300的周向依次排布，比如，第三电极31-1、第三电极31-2、第三电极31-3和第三电极31-4沿着第二电极板300的周向依次排布。

且任一第三电极的角度宽度为W，每相邻的两个第三电极31之间的角度宽度为W，其中，W＝W1+W2。

对于图18至图21所示的第一电极板200和第二电极板300上的电极依照角度型排布时，对于角度型排布的第一电极、第二电极和第三电极之间的位置关系至少包括两种情况，比如，可以是按照上述图12a和图12b所示的布设方式设置，或者，也可以按照上述图15a和图15b所示的布设方式设计。

如果角度型排布的电极组按照上述图12a和图12b所示的布设方式设置时，信号处理方法可以参照上述，即采用差分信号处理和加和信号处理，求得空间外力的大小。如果角度型排布的电极组按照上述图15a和图15b所示的布设方式设置时，信号处理方法也可以参照上述方法，也就是仅采用差分信号处理，算得空间外力的大小。

上述给出的力传感器中，示例性的给出了包括第一电极板200和第二电极板300的力传感器结构。下面给出了另外一种力传感器结构，如图22所示，不仅包括了上述实施例示出的第一电极板200和第二电极板300，还包括了第三电极板400，图22示出了第一电极板200、第二电极板300和第三电极板400的剖面图，图23给出了第一电极板200、第二电极板300和第三电极板400的电极分布图。

如图22，第三电极板400设置在第二电极板300的背离第一电极板200的一侧。当第二电极板300为定电极板时，第一电极板200和第三电极板400均为可以相对第二电极板300运动的动电极板。在另外一些实施方式中，当第二电极板300为动电极板时，第一电极板200和第三电极板400均为定电极板。

图22中的动电极板的运动方向至少包括：动电极板相对定电极板沿平行于定电极板的方向移动，动电极板相对定电极板沿垂直于定电极板的方向移动，动电极板相对定电极板沿平行于定电极板的轴线转动，动电极板相对定电极板沿平行于定电极板的轴线转动。例如，如图22和图23所示的，动电极板相对定电极板沿X轴、Y轴和Z轴平动，以及还可以绕X轴、Y轴和Z轴转动。和上述的包括第一电极板200和第二电极板300的力传感器结构一样，图22给出的力传感器结构不仅属于面积变化型传感器，还属于间距变化型传感器。

一并结合图22和图23，可以这样理解本实施例，第一电极板200具有与第二电极板300相对的A1面，第二电极板300具有与第一电极板200相对的B1面，A1面上布设有依次交替排布的第一电极21和第二电极22，B1面上布设有与第一电极21和第二电极22错位的第三电极31，上述已经介绍了第一电极21、第二电极22和第三电极31的位置关系，尺寸约束，在此不再赘述。

还有，再结合图22和图23，第二电极板300具有与第三电极板400相对的B2面，第三电极板400具有与第二电极板300相对的C1面，B2面上布设有多个第三电极31，C1面上布设有多个第一电极21和多个第二电极22。并且B2面和C1面上的电极布设，可以和B1面和A1面上的电极布设如图22所示的对称设置。

如图23，A1面上的多个第一电极21和B1面上的多个第三电极31形成电容器，且输出的电容值为C1，A1面上的多个第二电极22和B1面上的多个第三电极31形成另一电容器，且输出的电容值为C2；还有，C1面上的多个第一电极21和B2面上的多个第三电极31形成电容器，且输出的电容值为C5，C1面上的多个第二电极22和B2面上的多个第三电极31形成又一电容器，且输出的电容值为C6。如此设置的话，将图22、图23和图5、图6相结合，本实施例给出的力传感器包括32个电容器，相比上述的包括第一电极板200和第二电极板300的力电容器结构，明显的增加了电容器的数量，以及，还可以增加面积变化量，提升测量灵敏度。

为了以下描述方便，如图24a所示的，可以把位于B1面和A1面上的电极组叫做第一电极组，位于B2面和C1面上的电极组叫做第三电极组，可以这样讲，第一电极组和第三电极组是设置在第二电极板300的相对的两侧；另外，在第一电极板200和第二电极板300上，如图24b所示的，把与第一电极组关于第一电极板200和第二电极板300中心相对设置的称为第二电极组，在第二电极板300和第三电极板400上，且与第二电极组关于第二电极板200相对设置的称为第四电极组。

下面结合附图给出了第一电极组、第二电极组、第三电极组和第四电极组的电极的不同布设方式。

如图24a所述，在相对的第一电极组和第三电极组中，第二电极板300上的第三电极的相对两侧边中的第一侧边与第一电极的中心线T1重合，第二侧边与第二电极的中心线T2重合。比如，在第一电极组中，第三电极3011的相对两侧边分别与对应的第一电极板200上的第一电极2011的中心线T1和第二电极2021的中心线T2重合，类似的，第三电极3012的相对两侧边分别与对应的第三电极板400上的第一电极2012的中心线T1和第二电极2022的中心线T2重合；在第三电极组中，第三电极3021的相对两侧边分别与对应的第一电极板200上的第一电极2021的中心线T1和第二电极2021的中心线T2重合，类似的，第三电极3012的相对两侧边分别与对应的第三电极板400上的第一电极2012的中心线T1和第二电极2022的中心线T2重合。

如图24b所示，在相对的第二电极组和第四电极组中，电极布设方式和上述的第一电极组和第三电极组的电极布设方式一样，在此不再赘述。

那么，相对应的信号处理方式可以包括处理器根据差分公式C₁ ^U-＝C₁-C₂求得C₁ ^U-，根据差分公式C₁ ^D-＝C₅-C₆求得C₁ ^D-；以及，根据求和公式C₁ ^U+＝C₁+C₂求得C₁ ^U+，根据求和公式C₁ ^D+＝C₅+C₆求得C₁ ^D+；处理器再根据C₁ ^-＝C₁ ^U-+C₁ ^D-和C₁ ⁺＝C₁ ^U+-C₁ ^D+，计算所述力传感器所承受空间外力F的大小。

在一种实施例中，当图24a和图24b所示的第一电极板200、第二电极板300和第三电极板400上的电极如图5和图6示出，具有八组电极组，且这八组电极组沿着第一电极板200、第二电极板300和第三电极板400的周向等间距布设时，可以得到八个差分信号C₁ ^-至C₈ ^-，以及可以得到八个加和信号C₁ ⁺至C₈ ⁺，则空间六维力则可以表示

其中，

A为常数矩阵，

这样看来，包含第一电极板200、第二电极板300和第三电极板400的力传感器，由于增加了第三电极板400，面积变化量更大，从而加倍了面积变化型的电容的灵敏度；除此之外，这种结构也增加了间距变化型电容的差分形式，也使得间距变化型的电容的灵敏度加倍提升。

如图25a和图25b所述，给出了第一电极组、第二电极组、第三电极组和第四电极组中的电极的另外一种布设方式。具体的，见图25a，在第一电极组和第三电极组中，第二电极板300上的第三电极的相对两侧边中的第一侧边与第一电极的中心线T1重合，第二侧边与第二电极的中心线T2重合。比如，在第一电极组中，第三电极3011的相对两侧边分别与对应的第一电极板200上的第一电极2011的中心线T1和第二电极2021的中心线T2重合，类似的，第三电极3012的相对两侧边分别与对应的第三电极板400上的第一电极2012的中心线T1和第二电极2022的中心线T2重合；在第三电极组中，第三电极3021的相对两侧边分别与对应的第一电极板200上的第一电极2021的中心线T1和第二电极2021的中心线T2重合，类似的，第三电极3012的相对两侧边分别与对应的第三电极板400上的第一电极2012的中心线T1和第二电极2022的中心线T2重合。

但是，见图25b，在相对的第二电极组和第四电极组中，第三电极的第一侧边在第一电极板200上的正投影与第一电极和第二电极之间的间距的中心线重合。比如，在图25b的第二电极组中，第三电极3021的一侧边与对应的第一电极板200上的第一电极2031和第二电极2041之间的间距的中心线T3重合，第三电极3021的另一侧边与对应的第一电极板200上的另一第一电极2031和第二电极2041之间的间距的中心线T4重合；类似的，在第四电极组中，第三电极3022的一侧边与对应的第三电极板400上的第一电极2032和第二电极2042之间的间距的中心线T3重合，第三电极3022的另一侧边与对应的第一电极板200上的另一第一电极2032和第二电极2042之间的间距的中心线T4重合。

进而，相对应的信号处理方法可以包括处理器根据差分公式C₁ ^U-＝C₁-C₂求得C₁ ^U-，根据差分公式C₁ ^D-＝C₅-C₆求得C₁ ^D-；再根据C₁ ^-＝C₁ ^U-+C₁ ^D-，计算该力传感器所承受空间外力F的大小。

在一种实施例中，当图25a和图25b所示的第一电极板200、第二电极板300和第三电极板400上的电极如图5和图6示出，具有八组电极组，且这八组电极组沿着第一电极板200、第二电极板300和第三电极板400的周向等间距布设时，可以得到八个差分信号C₁ ^-至C₈ ^-，则空间六维力则可以表示

其中，

A为常数矩阵，

和上述包括第一电极板200、第二电极板300和第三电极板400中电极布设所达到的效果类似，均加倍了面积变化型电容的灵敏度，也增加了间距变化型电容的差分形式，使得间距变化型的电容的灵敏度加倍提升。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (22)

1.一种电容式力传感器，其特征在于，包括：

第一电极板；

第二电极板，与所述第一电极板相对设置，且所述第一电极板和第二电极板之间具有间距，所述第一电极板和所述第二电极板中的其中一个为定电极板，另一个为动电极板；

弹性体，与所述动电极板固定连接，所述弹性体能够带动所述动电极板相对所述定电极板沿平行所述定电极板的方向和垂直所述定电极板的方向移动，以及能够带动所述动电极板相对所述定电极板沿平行所述定电极板的轴线和垂直所述定电极板的轴线转动；

至少一个电极组，任一所述电极组包括：多个相互电连接的第一电极、多个相互电连接的第二电极和多个相互电连接的第三电极；

所述第一电极板的相对所述第二电极板的面上设置有多个所述第一电极和多个所述第二电极，且多个所述第一电极和多个所述第二电极依次交替排布；

所述第二电极板的相对所述第一电极板的面上设置有多个所述第三电极；

所述第一电极、所述第三电极和所述第二电极错位设置，任一所述第三电极与其相邻的所述第一电极和所述第二电极形成耦合结构，并且任一所述第一电极和任一所述第二电极属于一个独立的耦合结构，所述动电极板相对所述定电极板运动时，多个所述第一电极和多个所述第三电极形成第一电容器，多个所述第二电极和多个所述第三电极形成第二电容器。

2.根据权利要求1所述的电容式力传感器，其特征在于，沿多个所述第一电极和多个所述第二电极的排布方向，任一所述第一电极和任一所述第二电极的宽度均为W1，每相邻的所述第一电极和所述第二电极的宽度为W2，且任一所述第三电极的宽度为W，每相邻两个所述第三电极之间的宽度为W，其中，W＝W1+W2。

3.根据权利要求1或2所述的电容式力传感器，其特征在于，所述至少一个电极组包括第一电极组；

在所述第一电极组中，多个所述第一电极和多个所述第二电极沿平行于所述第一电极板的第一方向呈直线形排布；或者，

在所述第一电极组中，多个所述第一电极和多个所述第二电极沿所述第一电极板的周向呈弧形排布。

4.根据权利要求3所述的电容式力传感器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极在所述第二电极板上的正投影，在与多个所述第一电极和多个所述第二电极排布方向相垂直的方向上覆盖所述第三电极；或者，

所述第三电极在所述第一电极板上的正投影，在与多个所述第一电极和多个所述第二电极排布方向相垂直的方向上覆盖所述第一电极和所述第二电极。

5.根据权利要求3或4所述的电容式力传感器，其特征在于，所述至少一个电极组还包括第二电极组；

所述第一电极组中的多个所述第一电极和多个所述第二电极，与所述第二电极组中的多个所述第一电极和多个所述第二电极，设置在所述第一电极板的中心的两侧。

6.根据权利要求5所述的电容式力传感器，其特征在于，

在所述第一电极组和所述第二电极组中的任一电极组中，沿多个所述第一电极和多个所述第二电极的排布方向，所述第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，所述第一侧边在所述第一电极板上的正投影与所述第一电极的中心线重合；

其中，所述第一电极的中心线为所述第一电极的沿多个所述第一电极和多个所述第二电极的排布方向的中心线。

7.根据权利要求6所述的电容式力传感器，其特征在于，所述电容式力传感器还包括处理器；

所述处理器根据差分公式C₁ ^-＝C₁-C₂求得C₁ ^-，根据差分公式C₂ ^-＝C₃-C₄求得C₂ ^-；以及，根据求和公式C₁ ⁺＝C₁+C₂求得C₁ ⁺，根据求和公式C₂ ⁺＝C₃+C₄求得C₂ ⁺；

所述处理器还根据C₁ ^-、C₂ ^-、C₁ ⁺和C₂ ⁺，计算所述电容式力传感器所承受的外力F；

其中，C₁为所述第一电极组中的所述第一电容器输出的电容值；

C₂为所述第一电极组中的所述第二电容器输出的电容值；

C₃为所述第二电极组中的所述第一电容器输出的电容值；

C₄为所述第二电极组中的所述第二电容器输出的电容值。

8.根据权利要求5所述的电容式力传感器，其特征在于，

在所述第一电极组中，沿多个所述第一电极和多个所述第二电极的排布方向，所述第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，所述第一侧边在所述第一电极板上的正投影与所述第一电极的中心线重合；

在所述第二电极组中，沿多个所述第一电极和多个所述第二电极的排布方向，所述第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，所述第一侧边在所述第一电极板上的正投影与所述第一电极和所述第二电极之间的间隙的中心线重合；

其中，所述第一电极的中心线为所述第一电极的沿多个所述第一电极和多个所述第二电极的排布方向的中心线。

9.根据权利要求8所述的电容式力传感器，其特征在于，所述电容式力传感器还包括处理器；

所述处理器根据差分公式C₁ ^-＝C₁-C₂求得C₁ ^-，以及根据差分公式C₂ ^-＝C₃-C₄求得C₂ ^-；

所述处理器还根据C₁ ^-和C₂ ^-，计算所述电容式力传感器所承受的外力F；

其中，

C₁为所述第一电极组中的所述第一电容器输出的电容值；

C₂为所述第一电极组中的所述第二电容器输出的电容值；

C₃为所述第二电极组中的所述第一电容器输出的电容值；

C₄为所述第二电极组中的所述第二电容器输出的电容值。

10.根据权利要求6所述的电容式力传感器，其特征在于，所述电容式力传感器还包括：

第三电极板，所述第三电极板设置在所述第二电极板的背离所述第一电极板的一侧；

所述至少一个电极组还包括第三电极组；

在所述第三电极组中，多个所述第一电极和多个所述第二电极设置在所述第三电极板的相对所述第二电极板的面，多个所述第三电极设置在所述第二电极板的相对所述第三电极板的面上；

所述第三电极组和所述第一电极组关于所述第二电极板对称布设。

11.根据权利要求10所述的电容式力传感器，其特征在于，所述电容式力传感器还包括处理器；

所述处理器根据差分公式C₁ ^U-＝C₁-C₂求得C₁ ^U-，根据差分公式C₁ ^D-＝C₅-C₆求得C₁ ^D-；

以及，根据求和公式C₁ ^U+＝C₁+C₂求得C₁ ^U+，根据求和公式C₁ ^D+＝C₅+C₆求得C₁ ^D+；

所述处理器还根据C₁ ^-＝C₁ ^U-+C₁ ^D-和C₁ ⁺＝C₁ ^U+-C₁ ^D+，计算所述电容式力传感器所承受的外力F；

其中，C₁为所述第一电极组中的所述第一电容器输出的电容值；

C₂为所述第一电极组中的所述第二电容器输出的电容值；

C₅为所述第三电极组中的所述第一电容器输出的电容值；

C₆为所述第三电极组中的所述第二电容器输出的电容值。

12.根据权利要求8所述的电容式力传感器，其特征在于，所述电容式力传感器还包括：

第三电极板，所述第三电极板设置在所述第二电极板的背离所述第一电极板的一侧；

所述至少一个电极组还包括第三电极组；

在所述第三电极组中，多个所述第一电极和多个所述第二电极设置在所述第三电极板的相对所述第二电极板的面，多个所述第三电极设置在所述第二电极板的相对所述第三电极板的面上；

所述第三电极组和所述第一电极组关于所述第二电极板对称布设。

13.根据权利要求12所述的电容式力传感器，其特征在于，所述电容式力传感器还包括处理器；

所述处理器根据差分公式C₁ ^U-＝C₁-C₂求得C₁ ^U-，根据差分公式C₁ ^D-＝C₅-C₆求得C₁ ^D-；

所述处理器还根据C₁ ^-＝C₁ ^U-+C₁ ^D-，计算所述电容式力传感器所承受的外力F；

其中，C₁为所述第一电极组中的所述第一电容器输出的电容值；

C₂为所述第一电极组中的所述第二电容器输出的电容值；

C₅为所述第三电极组中的所述第一电容器输出的电容值；

C₆为所述第三电极组中的所述第二电容器输出的电容值。

14.根据权利要求3-13中任一项所述的电容式力传感器，其特征在于，所述至少一个电极组还包括第五电极组；

在所述第五电极组中，多个所述第一电极和多个所述第二电极沿第二方向排布在所述第一电极板的相对所述第二电极板的面上，多个所述第三电极设置在所述第二电极板的相对所述第三电极板的面上；

所述第二方向与所述第一方向相垂直。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的电容式力传感器，其特征在于，相对的所述第一电极板和所述第二电极板上设置八组所述电极组，且八组所述电极组沿着所述第一电极板和所述第二电极板的周向等间距的间隔布设。

16.根据权利要求1-15中任一项所述的电容式力传感器，其特征在于，所述电容式力传感器还包括：

主体，所述主体内形成有容纳腔；

所述弹性体设置在所述容纳腔内，所述弹性体包括连接部和多个沿所述连接部周向布设的弹性臂，且所述弹性臂的远离所述连接部的一端与所述主体固定连接；

所述第一电极板和所述第二电极板均设置在所述容纳腔内，所述第二电极板与所述弹性体相对设置，且与所述连接部固定连接，所述第一电极板设置在所述第二电极板的背离所述弹性体的一侧并与所述主体固定连接；

所述电容式力传感器还包括受力板，所述受力板设置在所述容纳腔外，且与所述第二电极板固定连接。

17.一种利用电容式力传感器检测设备所承受外力的测量方法，所述电容式力传感器安装在所述检测设备上，其特征在于，所述电容式力传感器包括：

第一电极板；

第二电极板，与所述第一电极板相对设置，且所述第一电极板和第二电极板之间具有间距，所述第一电极板和所述第二电极板中的其中一个为定电极板，另一个为动电极板；

弹性体，与所述动电极板固定连接，所述弹性体能够带动所述动电极板相对所述定电极板沿平行所述定电极板的方向和垂直所述定电极板的方向移动，以及能够带动所述动电极板相对所述定电极板沿平行所述定电极板的轴线和垂直所述定电极板的轴线转动；

至少一个电极组，任一所述电极组包括：多个相互电连接的第一电极、多个相互电连接的第二电极和多个相互电连接的第三电极；

所述第一电极板的相对所述第二电极板的面上设置有多个所述第一电极和多个所述第二电极，且多个所述第一电极和多个所述第二电极依次交替排布；

所述第二电极板的相对所述第一电极板的面上设置有多个所述第三电极；

所述第一电极、所述第三电极和所述第二电极错位设置，任一所述第三电极与其相邻的所述第一电极和所述第二电极形成耦合结构，并且任一所述第一电极和任一所述第二电极属于一个独立的耦合结构，所述动电极板相对所述定电极板运动时，多个所述第一电极和多个所述第三电极形成第一电容器，多个所述第二电极和多个所述第三电极形成第二电容器；

所述测量方法包括：

采集所述第一电容器的电容值，以及采集所述第二电容器的电容值；

根据所述第一电容器的电容值和所述第二电容器的电容值，测得所述检测设备所承受外力F。

18.根据权利要求17所述的测量方法，其特征在于，沿多个所述第一电极和多个所述第二电极的排布方向，任一所述第一电极和任一所述第二电极的宽度均为W1，每相邻的所述第一电极和所述第二电极的宽度为W2，且任一所述第三电极的宽度为W，每相邻两个所述第三电极之间的宽度为W，其中，W＝W1+W2；

所述至少一个电极组包括第一电极组和第二电极组，所述第一电极组中的多个所述第一电极和多个所述第二电极，与所述第二电极组中的多个所述第一电极和多个所述第二电极，设置在所述第一电极板的中心的两侧；

采集所述第一电容器的电容值，以及采集所述第二电容器的电容值，包括：

采集所述第一电极组中的所述第一电容器输出的电容值C₁，采集所述第一电极组中的所述第二电容器输出的电容值C₂，采集所述第二电极组中的所述第一电容器输出的电容值C₃，采集所述第一电极组中的所述第二电容器输出的电容值C₄。

19.根据权利要求18所述的测量方法，其特征在于，

在所述第一电极组和所述第二电极组中的任一电极组中，沿多个所述第一电极和多个所述第二电极的排布方向，所述第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，所述第一侧边在所述第一电极板上的正投影与所述第一电极的中心线重合；

利用所述第一电容器的电容值和所述第二电容器的电容值，测得所述检测设备所承受外力F，包括：

根据差分公式C₁ ^-＝C₁-C₂求得C₁ ^-，根据差分公式C₂ ^-＝C₃-C₄求得C₂ ^-；以及，根据求和公式C₁ ⁺＝C₁+C₂求得C₁ ⁺，根据求和公式C₂ ⁺＝C₃+C₄求得C₂ ⁺；

再根据C₁ ^-、C₂ ^-、C₁ ⁺和C₂ ⁺，计算所述检测设备所承受外力F。

20.根据权利要求18所述的测量方法，其特征在于，所述电容式力传感器还包括：

第三电极板，所述第三电极板设置在所述第二电极板的背离所述第一电极板的一侧；

所述至少一个电极组还包括第三电极组；

在所述第三电极组中，多个所述第一电极和多个所述第二电极设置在所述第三电极板的相对所述第二电极板的面，多个所述第三电极设置在所述第二电极板的相对所述第三电极板的面上；

且所述第三电极组和所述第一电极组关于所述第二电极板对称布设；

在所述第一电极组和所述第二电极组中的任一电极组中，沿多个所述第一电极和多个所述第二电极的排布方向，所述第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，所述第一侧边在所述第一电极板上的正投影与所述第一电极的中心线重合；

采集所述第一电容器的电容值，以及采集所述第二电容器的电容值，还包括：

采集所述第三电极组中的所述第一电容器输出的电容值C₅，采集所述第三电极组中的所述第二电容器输出的电容值C₆；

利用所述第一电容器的电容值和所述第二电容器的电容值，测得所述检测设备所承受外力F，包括：

根据差分公式C₁ ^U-＝C₁-C₂求得C₁ ^U-，根据差分公式C₁ ^D-＝C₅-C₆求得C₁ ^D-；

以及，根据求和公式C₁ ^U+＝C₁+C₂求得C₁ ^U+，根据求和公式C₁ ^D+＝C₅+C₆求得C₁ ^D+；

再根据C₁ ^-＝C₁ ^U-+C₁ ^D-和C₁ ⁺＝C₁ ^U+-C₁ ^D+，计算所述检测设备所承受外力F。

21.根据权利要求18所述的测量方法，其特征在于，

在所述第一电极组中，沿多个所述第一电极和多个所述第二电极的排布方向，所述第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，所述第一侧边在所述第一电极板上的正投影与所述第一电极的中心线重合；

在所述第二电极组中，沿多个所述第一电极和多个所述第二电极的排布方向，所述第三电极包括相对的一侧边和第二侧边，所述第一侧边在所述第一电极板上的正投影与所述第一电极和所述第二电极之间的间隙的中心线重合；

利用所述第一电容器的电容值和所述第二电容器的电容值，测得所述检测设备所承受外力F，包括：

根据差分公式C₁ ^-＝C₁-C₂求得C₁ ^-，以及根据差分公式C₂ ^-＝C₃-C₄求得C₂ ^-；

再根据C₁ ^-和C₂ ^-，计算所述检测设备所承受外力F。

22.根据权利要求18所述的测量方法，其特征在于，所述电容式力传感器还包括：

第三电极板，所述第三电极板设置在所述第二电极板的背离所述第一电极板的一侧；

所述至少一个电极组还包括第三电极组；

在所述第三电极组中，多个所述第一电极和多个所述第二电极设置在所述第三电极板的相对所述第二电极板的面，多个所述第三电极设置在所述第二电极板的相对所述第三电极板的面上；

且所述第三电极组和所述第一电极组关于所述第二电极板对称布设；

在所述第一电极组中，沿多个所述第一电极和多个所述第二电极的排布方向，所述第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，所述第一侧边在所述第一电极板上的正投影与所述第一电极的中心线重合；

在所述第二电极组中，沿多个所述第一电极和多个所述第二电极的排布方向，所述第三电极包括相对的第一侧边和第二侧边，所述第一侧边在所述第一电极板上的正投影与所述第一电极和所述第二电极之间的间隙的中心线重合；

采集所述第一电容器的电容值，以及采集所述第二电容器的电容值，还包括：

采集所述第三电极组中的所述第一电容器输出的电容值C₅，采集所述第三电极组中的所述第二电容器输出的电容值C₆；

利用所述第一电容器的电容值和所述第二电容器的电容值，测得所述检测设备所承受外力F，包括：

根据差分公式C₁ ^U-＝C₁-C₂求得C₁ ^U-，根据差分公式C₁ ^D-＝C₅-C₆求得C₁ ^D-；

再根据C₁ ^-＝C₁ ^U-+C₁ ^D-，计算所述检测设备所承受外力F。

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