CN117589343A - 一种利用静电作用提供回复力的电容压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电容压力传感器技术领域，公开了一种利用静电作用提供回复力的电容压力传感器，其包括有介质层，包括有相互拼接的第一介电块和第二介电块，二者之间形成拼接缝，拼接缝包括直线段和对称于直线段两端的第一曲线段和第二曲线段；第一介电块和第二介电块的介电常数不同，且第一介电块的介电常数远小于所述第二介电块的介电常数；本发明的电容压力传感器通过采用由介电常数较低的介电材料和高介电常数的铁电材料拼接而成的介质层，两材料的分界线为两指数函数曲线加中间一直线段，通过利用静电作用提供满足一定要求的回复力；通过对两电极间施加的恒定电压的大小，调控灵敏度和测量范围；整体传感器的结构简单、易于制备、组合及维护。
Description
技术领域
本发明涉及电容压力传感器技术领域，尤其涉及一种利用静电作用提供回复力的电容压力传感器。
背景技术
压力传感器是一种将压力信号转换为电压、电流、电荷量等易于测量的参量的器件。按照工作原理，压力传感器通常分为压阻式、压电式和电容式三类。其中，电容压力传感器具有灵敏度高、响应速度快、动态范围宽等优点。
回复力是电容压力传感器正常、稳定、持续工作的必要条件，通常，利用材料的弹性形变提供回复力。例如，采用渡金属的薄膜作为其中一个电极的电容压力传感器，施加压力时，薄膜发生形变、实现压力监测，撤去压力、依靠薄膜弹性力回复原状；在高电压、高负载的环境下，通常采用陶瓷材料制备厚膜电容压力传感器，利用膜片的弹力作为回复力；在MEMS系统中，有使用电极固定在悬臂梁上制成的电容压力传感器，悬臂梁的一个重要功能就是利用其弹性形变提供回复力；目前，柔性电容压力传感器日益受人关注，在两电极间夹入柔性材料，利用柔性材料的弹力作为回复力，可提高传感器的灵敏度、拓展测量范围、并适用于一些易变形的、特殊的工作场景。可见，为了给电容压力传感器提供合适的回复力，已经采用了诸多的措施：设计特定结构、选择合适材料、采用比较复杂的制备工艺等，给设计、制备电容压力传感器带来一定的困难。并且，器件制定后，灵敏度等参数不易调节，不便于灵活应用。
另一方面，电容压力传感器工作过程中往往受到静电作用影响。对微型化的电容压力传感器，静电作用可能会影响器件的正常工作，在设计、使用中都要加以注意。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有电容压力传感器存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明目的是提供一种利用静电作用提供回复力的电容压力传感器，其目的在于实现灵敏度高、灵敏度大小可调、测量范围可调、结构简单、易于制备、组合、维护的电容压力传感器。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种利用静电作用提供回复力的电容压力传感器，此电容压力传感器包括介质层和其两侧的接地电极和感应电极，其中，介质层，包括有相互拼接的第一介电块和第二介电块，二者之间形成拼接缝，所述拼接缝包括直线段和对称于所述直线段两端的第一曲线段和第二曲线段。
作为本发明所述利用静电作用提供回复力的电容压力传感器的一种优选方案，其中：所述第一介电块和第二介电块的介电常数不同，且所述第一介电块的介电常数小于所述第二介电块的介电常数。
作为本发明所述利用静电作用提供回复力的电容压力传感器的一种优选方案，其中：以所述直线段的中点为原点建立平面坐标系；
所述直线段表示为：xL＝0；
所述第一曲线段表示为：yQ1＝k1ekx；
所述第二曲线段表示为：yQ2＝-k1ekx；
其中，k1表示为直线段的端点位置，k为一常量。
作为本发明所述利用静电作用提供回复力的电容压力传感器的一种优选方案，其中：还包括接地电极和感应电极，所述接地电极和感应电极各自位于所述介质层相对的一侧，且二者平行分布。
作为本发明所述利用静电作用提供回复力的电容压力传感器的一种优选方案，其中：所述接地电极和感应电极为尺寸大小及厚度相同的条状金属片；所述接地电极和感应电极的长度等于所述介质层的长度，其宽度等于所述介质层宽度的一半，且等于所述第一曲线段或第二曲线段于x轴方向的投影长度。
作为本发明所述利用静电作用提供回复力的电容压力传感器的一种优选方案，其中：还包括绝缘固定块，分别连接于所述接地电极和感应电极的端部，且与所述接地电极和感应电极合围形成放置腔；所述介质层放置于所述放置腔内。
作为本发明所述利用静电作用提供回复力的电容压力传感器的一种优选方案，其中：还包括第一限位凸起和第二限位凸起，二者各自设置于所述介质层移动方向的两侧，对所述介质层形成阻挡；所述第一限位凸起和第二限位凸起之间的距离为所述介质层的移动范围。
作为本发明所述利用静电作用提供回复力的电容压力传感器的一种优选方案，其中：所述接地电极和感应电极上设置有导线连接头，通过导线连接带有恒压电压的测量电路。
作为本发明所述利用静电作用提供回复力的电容压力传感器的一种优选方案，其中：在所述接地电极和感应电极之间施加恒定电压，所述介质层受到静电力产生向所述第二介电块方向的位移，并在所述限位凸起的限位下达到平衡位置。
作为本发明所述利用静电作用提供回复力的电容压力传感器的一种优选方案，其中：在所述第二介电块远离第一介电块的一侧施加外力，推动所述介质层产生移动，当外力不小于静电力时，通过所述接地电极和感应电极之间的电容量变化，能够得出施加的外力大小。
本发明的电容压力传感器具有如下有益效果：
1.电容压力传感器工作所需的回复力由静电作用提供。
2.通过采用由介电常数较低的介电材料和高介电常数的铁电材料拼接而成，两材料的分界线为两指数函数曲线、中间加夹一直线段的介质层，实现利用静电作用提供满足一定要求的回复力的目的。
3.利用两电极间施加的恒定电压的大小，调控灵敏度和测量范围。
4.结构简单、易于制备、组合、维护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明利用静电作用提供回复力的电容压力传感器的介质层结构示意图。
图2为本发明利用静电作用提供回复力的电容压力传感器的介质层平面结构示意图。
图3为本发明利用静电作用提供回复力的电容压力传感器的立体透视结构示意图。
图4为本发明利用静电作用提供回复力的电容压力传感器的整体平面结构示意图。
图5(a)～5(c)为本发明利用静电作用提供回复力的电容压力传感器的介质层移动过程示意图。
图6为本发明的对比例中提供的电容量C与位置x的关系曲线。
图7为本发明对比例中提供的电容量变化率与位置x的关系曲线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例1
参照图1～4，为本发明第一个实施例，提供了一种利用静电作用提供回复力的电容压力传感器，此电容压力传感器包括介质层100、位于介质层100平面两侧的接地电极200和感应电极300，以及用于固定接地电极200和感应电极300，以及对介质层100限位的绝缘固定块400、第一限位凸起500和第二限位凸起600。
电容压力传感器中采用了特殊结构的介质层100，具体的，此介质层100，包括有相互拼接的第一介电块101和第二介电块102，两介电块的介电常数不同，且第一介电块101的介电常数要远小于第二介电块102的介电常数。优选的是，第一介电块101采用较低介电常数的介电材料，而第二介电块102采用高介电常数的铁电材料，两材料均呈条形块状，相互拼接而成。
进一步的，在两介电块之间接触的分界面形成拼接缝P，此拼接缝P区分为三部分，包括有中间端的直线段L和对称于直线段L两端的第一曲线段Q1和第二曲线段Q2。
以介质层100的长宽面为所处平面，以直线段L的中点为原点建立二维平面坐标系，则直线段L可表示为：xL＝0；第一曲线段Q1表示为：yQ1＝k1ekx；和第二曲线段Q2表示为：yQ2＝-k1ekx；如附图2中所示，在平面坐标系上的两点-k1和k1，两点之间的距离为直线段L的长度，此两点也为第一曲线段Q1和第二曲线段Q2的端点。
接地电极200和感应电极300各自位于介质层100相对的一侧，且二者平行分布；即二者以一定的间距d平行放置在介质层100的两侧面。进一步的，接地电极200和感应电极300为尺寸大小及厚度相同的条状金属片；需要说明的是，接地电极200和感应电极300的长度与介质层100的长度相同，但是宽度要不大于介质层100宽度的一半，即小于等于介质层100一半的宽度；也等于第一曲线段Q1或第二曲线段Q2于x轴方向的投影长度，即接地电极200和感应电极300能够完全覆盖在第一介电块101和第二介电块102的拼接区域。
为在两电极之间形成容置介质层100的放置腔F，在接地电极200和感应电极300的宽度侧两端还分别连接有绝缘固定块400，两绝缘固定块400与接地电极200和感应电极300合围形成放置腔F；介质层100放置于放置腔F内。需注意的是，介质层100的厚度需略小于两电极板之间的间距d，以使得介质层100能够在两电极板之间产生一定范围的自由移动。
此外，还需要限定介质层100的可移动范围，因而在介质层100移动方向的两端，各自设置一限位部件，本方案中即为第一限位凸起500和第二限位凸起600，而两限位凸起的具体设置位置，不做具体限定，可设置于延伸的绝缘固定块400的侧壁上，也可单独设置两个固定块，也可结合此电容压力传感器的安装环境进行设置，在此不做进一步赘述。两限位凸起之间的间距即为介质层100的可移动范围，也等于两曲线段于x轴上的投影长度。
进一步的，在接地电极200和感应电极300的侧壁上设置有导线连接头，通过导线连接测量电路，在测量电路中带有恒压电源。
实施例2
参照图1～4，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是：设定接地电极200和感应电极300的长度为a，宽度为2b，第一介电块101和第二介电块102的介电常数分别为εr1和εr2，且εr1＜＜εr2。
当两电极板的上边沿位于坐标系的x处时，忽略边缘效应对电容量大小的影响，此时电容器的电容量C可近似地表示为：
其中，ε0＝8.85×10-12F/m为真空的介电常数，k为静电力常量。
进一步的，根据式(1)，如果介质层100沿x轴方向移动，则电容量C的变化率表示为：
当电容器两电极板外接电压为V的恒压电源时，电容器存储的电能为：
由式(2)和(3)，在x位置，介质层100受到的静电回复力可表示为：
从式(4)可见，在接地电极200和感应电极300之间施加一恒定电压，静电作用将会使介质层100往高介电常数侧(即第二介电块102方向)移动，当介质层100的端部与第二限位凸起600接触时而停止移动，此时介质层100达到平衡位置。
此介质层100中第二介电块102远离第一介电块101的一侧为受力侧，当一个压力作用于此受力侧时，介质层100将会同时受到压力和式(4)所表示的由静电作用产生的静电回复力/>的作用。
另一方面，由式(4)，如果压力小于及等于静电回复力/>时，介质层100不会沿x轴发生移动，即介质层100保持与两电极板相对静止，电容量C不会发生变化；如果压力/>大于静电回复力/>时，介质层100会被推动沿x轴发生移动，即介质层100与两电极板之间产生相对位移，则电容量C会发生变化，而电容变化量ΔC能够反映介质层100所受压力/>的大小。
进一步的，介质层100于工作状态的移动过程中，其电容变化量ΔC表示为：
由式(2)和(4)，基于上述机制可知，此压力传感器的灵敏度可表示为：
其中，C0表示初始电容值，Ω为受力面积。式(6)表明该传感器的灵敏度S可方便地利用电压V来调节。
综上，结合附图5(a)～5(c)所示，此电容压力传感器的工作过程为：在接地电极200和感应电极300上接入恒压电压，介质层100受到静电(回复)力作用沿着x轴正向产生移动，至最终位置时，第一介电块101和第二介电块102的拼接区域被两电极板完全覆盖住，并在第二限位凸起600的阻挡作用下，形成平衡，此为平衡位置，也为电容压力传感器的初始状态；当有外力(即压力)作用时，为工作状态，外力作用于第二介电块102远离第一介电块101的一端，当压力不大于静电力时，介质层100不被推动，即不会沿x轴发生移动；当外力大于静电力时，那么外力超过静电力的部分，将会推动介质层100沿着x轴反向移动，至最终位置时，第一介电块101的侧壁与第一限位凸起500接触，至可测压力值的最大范围。
实施例
参照图1～7，为本发明的第二个实施例，该实施例中，为定量揭示此电容压力传感器的性能特征，结合具体的应用场景，采用理论计算对比仿真软件的两种方式。将此电容压力传感器中各元件的参数设置为：接地电极200和感应电极300的长度a为10mm，宽度2b为4mm，两电极板之间的间距d为2mm，介质层100中拼接缝P的曲线段的函数y＝k1ekx中的参数k1＝3，k＝0.5，两介电材料的相对介电常数εr1＝3，εr2＝2000。
首先，采用式(1)和式(2)分别计算出电容器的电容量C和电容量变化率然后，采用有限元方法进行数值仿真，产生的典型结果如图4～7所示。
首先，定量考察电容器的电容量C与位移量x的关系特征，两种方法得到的结果如图6所示(x＝O处理论计算的电容量为一微小量，不等于0)。可见，仿真得到的电容量C要比公式(1)计算的结果大(约相差32pF)，这主要归因于边缘效应。
接着，定量考察电容量变化率与位移量x的关系特征，两种方法得到的结果如图5所示。显然，两种方法得到的电容量变化率/>基本一致。结合图5和图6，可见，边缘效应会增大电容量C，但此处，在0＜x＜1mm范围，边缘效应对电容量变化率影响甚微。
进一步，由式(4)和图7所示结果，如果取V＝30伏，在0＜x＜1mm范围，静电力大小大致为2×10-4＜F＜4×10-4N。另一方面，在0＜x＜1mm范围，静电力与x近。另一方面，在0＜x＜1mm范围，静电力与x近似呈线性关系，相应的，其线性关系的比例系数约为2×10-1N/m。考虑到介质层100(尺寸：10mm×6mm×2mm)的质量大致为10-4kg，该器件的动态响应时间大致在10-1秒量级。动态响应时间可通改变两电极间间距d、高介电常数材料的介电常数εr2、施加的电压V等来调节。
最后，由式(6)，考察该传感器的灵敏度特征；由前述参数，C0＝31.48pF，受力面积可取为Ω＝20mm2，如果取V＝30伏，则灵敏度S＝2.48kPa-1。即灵敏度S可以通过改变外加电压V来方便地调节。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种利用静电作用提供回复力的电容压力传感器，其特征在于：包括，
介质层(100)和分别位于所述介质层(100)两侧的接地电极(200)和感应电极(300)；
介质层(100)，其包括相互拼接的第一介电块(101)和第二介电块(102)，二者之间形成拼接缝(P)，所述拼接缝(P)包括直线段(L)和对称于所述直线段(L)两端的第一曲线段(Q1)和第二曲线段(Q2)。
2.根据权利要求1所述的利用静电作用提供回复力的电容压力传感器，其特征在于：所述第一介电块(101)和第二介电块(102)的介电常数不同，且所述第一介电块(101)的介电常数小于所述第二介电块(102)的介电常数。
3.根据权利要求2所述的利用静电作用提供回复力的电容压力传感器，其特征在于：以所述直线段(L)的中点为原点建立平面坐标系；
所述直线段(L)表示为：xL＝0；
所述第一曲线段(Q1)表示为：yQ1＝k1ekx；
所述第二曲线段(Q2)表示为：yQ2＝-k1ekx；
其中，k1表示为直线段(L)的端点位置，k为常量。
4.根据权利要求3所述的利用静电作用提供回复力的电容压力传感器，其特征在于：还包括接地电极(200)和感应电极(300)，所述接地电极(200)和感应电极(300)各自位于所述介质层(100)相对的一侧，且二者平行分布。
5.根据权利要求1～4任一所述的利用静电作用提供回复力的电容压力传感器，其特征在于：所述接地电极(200)和感应电极(300)为尺寸大小及厚度相同的条状金属片；
所述接地电极(200)和感应电极(300)的长度等于所述介质层(100)的长度，其宽度等于所述介质层(100)宽度的一半，且等于所述第一曲线段(Q1)或第二曲线段(Q2)于x轴方向的投影长度。
6.根据权利要求5所述的利用静电作用提供回复力的电容压力传感器，其特征在于：还包括绝缘固定块(400)，分别连接于所述接地电极(200)和感应电极(300)的端部，且与所述接地电极(200)和感应电极(300)合围形成放置腔(F)；所述介质层(100)放置于所述放置腔(F)内。
7.根据权利要求6所述的利用静电作用提供回复力的电容压力传感器，其特征在于：还包括第一限位凸起(500)和第二限位凸起(600)，二者各自设置于所述介质层(100)移动方向的两侧，对所述介质层(100)形成阻挡；
所述第一限位凸起(500)和第二限位凸起(600)之间的距离为所述介质层(100)的移动范围。
8.根据权利要求7所述的利用静电作用提供回复力的电容压力传感器，其特征在于：所述接地电极(200)和感应电极(300)上设置有导线连接头，通过导线连接带有恒压电源的测量电路。
9.根据权利要求7或8所述的利用静电作用提供回复力的电容压力传感器，其特征在于：在所述接地电极(200)和感应电极(300)之间施加恒定电压，所述介质层(100)受到静电力产生向所述第二介电块(102)方向的位移，并在所述第二限位凸起(600)的限位下达到平衡位置。
10.根据权利要求9所述的利用静电作用提供回复力的电容压力传感器，其特征在于：在所述第二介电块(102)远离第一介电块(101)的一侧施加外力，推动所述介质层(100)产生移动，当外力不小于静电力时，通过所述接地电极(200)和感应电极(300)之间的电容量变化，得出施加的压力大小。
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| CN202311550715.XA Pending CN117589343A (zh) | 2023-11-21 | 2023-11-21 | 一种利用静电作用提供回复力的电容压力传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117589343A (zh) |
-
2023
- 2023-11-21 CN CN202311550715.XA patent/CN117589343A/zh active Pending
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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