[发明专利]基于复频辨识的圆珠式三维电容压力传感器

说明书

本发明公开了一种基于复频辨识的圆珠式三维电容压力传感器。剪切力测量单元置于正压力测量单元上，剪切力测量单元内装有测量圆珠；正压力测量单元从下至上依次主要由下极板层、绝缘层和上极板层层叠构成，下极板层和上极板层的铜电极之间具有间隙，两片铜电极构成正向压力测量电容单元；剪切力测量单位包括传感电极和PDMS圆柱体，PDMS圆柱体为固定在上极板层周围上的环形结构，PDMS圆柱体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，测量圆珠置于PDMS圆柱体中。本发明传感器采用基于复频辨识的测量方法，简化了传感器的结构，降低了加工难度与加工成本，可广泛应用于人体组织非功能性病变的诊断中。

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，尤其是涉及一种基于复频辨识的圆珠式三维电容压力传感器。

背景技术

随着医学技术的发展，人体内部组织的病变选择通过微创的方式进行诊断以及手术可以有效降低手术风险、手术创伤，恢复效果以及恢复速度也大幅优于开放式手术。内窥镜技术是广泛应用于微创手术的一种技术，通过直接获取人体内部组织表面的图像信息，可以有效准确的对人体内部组织与器官的病变进行诊断以及手术，但该技术只能获取组织表面的信息，对于人体组织内部的早期病变并无实际效果。考虑到肿瘤细胞的早期生成主要位于人体组织与器官的内部，因此需要集成其他传感技术以更好的进行诊断。由于肿瘤的硬度明显大于正常人体组织，故往往应用触觉压力传感器进行人体组织与器官内部病变的早期诊断。

近年来，国内外已开展诸多触觉压力传感器的研究，尤其是基于电容的触觉压力传感器，并逐渐应用于人体组织非功能性病变的诊断中，但在使用过程中以下重点及难题不断突显：

1)传统的电容电极往往采用铜等金属材料，导电性能良好，但金属材料的硬度与刚度较高，微小的压力难以产生较为明显的形变，这直接导致传感器的灵敏度难以达到测量的要求；

2)多维压力的测量需要传感器搭配多组电容测量单元，但电容测量单元数量的增加将导致传感器结构的复杂性，不仅增加加工难度，而且复杂的传感器结构将导致测量信号之间相互干扰，影响测量精度。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于复频辨识的圆珠式三维电容压力传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

所述的传感器主要由正压力测量单元、剪切力测量单元和测量圆珠组合而成，剪切力测量单元置于正压力测量单元上，剪切力测量单元内装有测量圆珠；正压力测量单元从下至上依次主要由下极板层、绝缘层和上极板层层叠构成，下极板层上表面和上极板层下表面中心均内嵌固定有铜电极，绝缘层为环形结构层并位于下极板层和上极板层周围之间，使得下极板层和上极板层的铜电极之间具有间隙，两片铜电极构成正向压力测量电容单元C_S0；剪切力测量单位包括镓铟锡合金传感电极和PDMS圆柱体，PDMS圆柱体为固定在上极板层周围上的环形结构，PDMS圆柱体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，每个镓铟锡合金传感电极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对称布置方向相垂直正交；测量圆珠置于PDMS圆柱体中，PDMS圆柱体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的径向尺寸，使得测量圆珠不会从PDMS圆柱体中脱出。

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。，即位于内圈的一道环形凹槽内的一个镓铟锡合金传感电极和位于外圈的一道环形凹槽内的一个镓铟锡合金传感电极构成一个电容单元，由此两两镓铟锡合金传感电极能构成四个剪切力测量电容单元。

两道环形凹槽之间的PDMS圆柱体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均向下延伸接触到上极板层的上表面。