[发明专利]基于复频辨识的圆珠式三维电容压力传感器

权利要求书

1.一种基于复频辨识的圆珠式三维电容压力传感器，其特征在于：

所述的传感器主要由正压力测量单元(1)、剪切力测量单元(2)和测量圆珠(3)组合而成，剪切力测量单元(2)置于正压力测量单元(1)上，剪切力测量单元(2)内装有测量圆珠(3)；正压力测量单元(1)从下至上依次主要由下极板层(4)、绝缘层(5)和上极板层(6)层叠构成，下极板层(4)上表面和上极板层(6)下表面中心均内嵌固定有铜电极(7)，绝缘层(5)为环形结构层并位于下极板层(4)和上极板层(6)周围之间，使得下极板层(4)和上极板层(6)的铜电极(7)之间具有间隙，两片铜电极(7)构成正向压力测量电容单元C_S0；剪切力测量单位(2)包括镓铟锡合金传感电极(8)和PDMS圆柱体(9)，PDMS圆柱体(9)为固定在上极板层(6)周围上的环形结构，PDMS圆柱体(9)内设有两道环形凹槽，两道环形凹槽内均安装有一对镓铟锡合金传感电极(8)，每个镓铟锡合金传感电极(8)均为半环弧形结构且对称布置，两道环形凹槽内的一对镓铟锡合金传感电极(8)对称布置方向相垂直正交；测量圆珠(3)置于PDMS圆柱体(9)中，PDMS圆柱体(9)的上端内边缘设有内凸缘，内凸缘的径向尺寸小于测量圆珠(3)的径向尺寸，使得测量圆珠(3)不会从PDMS圆柱体(9)中脱出。

2.根据权利要求1所述的一种基于复频辨识的圆珠式三维电容压力传感器，其特征在于：两道环形凹槽中，位于内圈的一道环形凹槽内的一对镓铟锡合金传感电极(8)引出作为压力传感器的两个输入端，位于外圈的一道环形凹槽内的一对镓铟锡合金传感电极(8)引出作为压力传感器的两个输出端，输入端和输出端呈90°正交排列，恰构成四个结构完全相同的电容单元。

3.根据权利要求1所述的一种基于复频辨识的圆珠式三维电容压力传感器，其特征在于：两道环形凹槽之间的PDMS圆柱体(9)内部还设有环形空槽腔，两道环形凹槽内的镓铟锡合金传感电极(8)均向下延伸接触到上极板层(6)的上表面。

4.根据权利要求1所述的一种基于复频辨识的圆珠式三维电容压力传感器，其特征在于：输出端的两个传感电极(8)均经各自的运算放大器(10)后和两个中心频率不同的带通滤波器(11)同步连接，向输入端的两个传感电极(8)分别输入不同频率的激励信号，从输出端的两个传感电极(8)分别输出剪切力信号，以实现两维剪切力的测量，具体为：输入端的第一个传感电极(8)S_i1和输出端的第一个传感电极(8)S_o1之间形成的第一剪切力测量电容单元的电容量为C_S1，输入端的第一个传感电极(8)S_i1和输出端的第二个传感电极(8)S_o2之间形成的第二剪切力测量电容单元的电容量为C_S2，输入端的第二个传感电极(8)S_i2和输出端的第二个传感电极(8)S_o2之间形成的第三剪切力测量电容单元的电容量为C_S3，输入端的第二个传感电极(8)S_i2和输出端的第一个传感电极(8)S_o1之间形成的第四剪切力测量电容单元的电容量为C_S4；向输入端的第一个传感电极(8)S_i1输入频率为f₁的激励信号U_i1，向输入端的第二个传感电极(8)S_i2输入频率为f₂的激励信号U_i2，输出端的第一个传感电极(8)S_o1的输出信号包含一组频率为f₁的与第一剪切力测量电容单元C_S1相关的电压信号和一组频率为f₂的与第四剪切力测量电容单元C_S4相关的电压信号，输出端传感电极(8)S_o2的输出信号包含一组频率为f₁的与第二剪切力测量电容单元C_S2相关的电压信号和一组频率为f₂的与第三剪切力测量电容单元C_S3相关的电压信号，再通过设置中心频率分别为f₁和f₂的带通滤波器从两个输出端分离出分别与四个剪切力测量电容单元C_S1、C_S2、C_S3、C_S4相关的四组剪切力测量谐波分量作为剪切力数据。