[发明专利]一种柔性电容压力传感装置

说明书

技术领域

本发明涉及电容传感器领域，尤其涉及一种柔性的、能够基于电容变化感测压力变化的电容压力传感装置。

背景技术

电容传感器是把被测量转换为电容量变化的一种参量型传感器。电容传感器广泛应用于压力、液位、位移等指标的检测。常见的电容传感器可分为变面积变化式、变介电常数变化式、变间隙变化式三类。其中，变间隙变化式一般用来测量微小的线位移或由于力、振动等引起的极距变化。这种能够测量压力变化的电容传感器称为电容压力传感器。传统的电容压力传感器采用硬质材料，变形小，灵敏度低，无法感知非平面物体所施加的三维作用力，并且受力后不易回复，容易损坏，因此，迫切需要开展柔性电容压力传感装置的研发。

目前，已知的柔性电容压力传感装置主要有两种：

一种是运用硅基的微电机械系统(MEMS)开发的触觉电容传感器。这种电容传感器由一片状柔性复合薄膜感知外部压力，施压后可引起片状柔性薄膜和底座之间电容发生变化。该种电容传感器由于采用半导体精度制作工艺，灵敏性好，空间分辨率高，单元串扰性低。但电容传感器不够柔软，很难感知非平面物体所施加的三维作用力，且尺寸有限，很难组成大面积的阵列。

另一种方法是使用可压缩的绝缘泡沫作为介质材料夹在两个柔性电极之间，在外力作用下，电极被压缩引起电容发生改变。虽然这种电容传感器制作工艺简单，柔性面积大，但由于可压缩泡沫存在一定的压缩滞后性，受压回复性差，使得电容传感器的感知灵敏度降低，且由于电极材料的介电常数不够高，造成电容传感器之间绝缘性较差，电容传感器间容易串扰。

因此，开发一种本身足够柔软、可感知非平面物体所施加的三维作用力、受压回复性好、感知灵敏度高、并能组成大面积阵列、电容传感器之间不易串扰的柔性电容压力传感装置是非常有必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种柔性电容压力传感装置，该电容传感装置能够很好克服上述两种柔性电容压力传感装置的缺陷，并且结构简单，原材料相对低廉，易于制造和推广。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种柔性电容压力传感装置，其特征在于：

水平横向配置若干条带状上极板，垂直于上极板在其下方水平纵向配置若干条带状下极板，所有上极板位于同一层面内，所有下极板位于另一层面内，两层面之间留有空隙，所有上、下极板的厚度和宽度相同，相邻上极板之间、相邻下极板之间的距离与极板宽度相同，上、下极板在同一水平面上的投影形成若干个正方形的交叉区域；

对应上、下极板的每个交叉区域，在上极板上表面中心处黏接承压板，形成压力作用区域，每个压力作用区域位于所在的交叉区域内侧；

在上极板下表面中心处、沿上极板的长度方向镀置一层和压力作用区域同宽、和上极板同长的镀银层，形成上部电极；

在上部电极下方，对应每个交叉区域配置绝缘保护层，绝缘保护层紧贴上部电极、黏接在上极板下表面上；

在下极板上表面中心处、沿下极板的长度方向镀置一层和压力作用区域同宽、和下极板同长的镀银层，形成下部电极；

在下部电极两侧，对应每个交叉区域，沿下部电极的长度方向配置垫条，垫条两端及外侧均与交叉区域外缘平齐，内侧紧贴下部电极，垫条下表面黏接在下极板上表面上、上表面黏接在绝缘保护层下表面上；

垫条厚度大于下部电极厚度，垫条、下部电极和绝缘保护层之间围成一个两端均与外界连通的空气介质层；

上、下部电极通过配置在上、下极板两端的外接线路连接至外部信号采集系统；

所述压力作用区域，上极板，绝缘保护层，垫条和下极板均为一层电绝缘柔性聚合物膜；

所述压力作用区域，上极板，绝缘保护层，垫条和下极板之间黏接使用的是干燥后黏接界面不会硬化的黏合剂；

上、下极板的每个交叉区域形成一个电容传感器，若干个电容传感器形成一个电容传感阵列，若干个电容传感阵列形成所述的柔性电容压力传感装置。电绝缘柔性聚合物膜可以是PDMS膜，PDMS(polydimethylsiloxane)即聚二甲基硅氧烷，固态的PDMS为一种硅胶，无毒，疏水性和防水性好，惰性物质，且为非易燃性、透明体。PDMS膜的制备简便且快速，材料成本低，且其透光性良好、生物相容性佳、易与多种材质室温接合、以及因低杨氏模量而导致的结构高弹性等。