結(jié)構(gòu)，X方向差動電容單元組和Y方向差動電容單元組均包括m個 條狀電容單元，m=(巧^1) 3早/(3〇+35奈），其中，36^為相鄰兩條狀電容單元之間設(shè)有 電極間距，a。條狀電容單元的寬度。同屯、圓環(huán)電容單元的寬度r目和條狀電容單元的寬度a。 相等；條狀電容單元電極間距as條和圓環(huán)電容電極間距as胃相等，所述條狀電容單元的寬 度知=^，其中，d。為介質(zhì)厚度，E為彈性介質(zhì)的楊氏模量，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量。
[0071] 2. 2激勵信號和坐標系
[0072] 將圓環(huán)電容單元置于圖6所示的直角坐標系中，S維激勵施加于電容極板的外表 面，產(chǎn)生的接觸式作用力具有Fx、巧和FzS個方向分量，F(xiàn)x和巧的作用方向沿X軸和Y 軸，F(xiàn)z的作用方向沿OZ軸即lil方向，法向和切向應(yīng)力均為一種應(yīng)力張量，從電極的引線間 即可輸出電容的響應(yīng)；法向應(yīng)力〇。=化/A，其中A=汗（Ri-Rp為極板法向受力面，化 =Fz為法向分量；兩側(cè)表面上產(chǎn)生成對的切向應(yīng)力T@ =F@ /A。
[0073]根據(jù)彈性力學(xué)中的虎克定律，0。和Ty，Ty都將使彈性體產(chǎn)生相應(yīng)的變形。其中，
[0076] 式中，E為彈性介質(zhì)的楊氏模量GN/m2,G為彈性介質(zhì)的抗剪模量GN/m2，5n為彈 性介質(zhì)的法向位移（單位：ym)，而5x和5y為圓環(huán)電容單元上下兩極板的相對錯位（單 位：ym)，其正負號由坐標軸指向決定。
[0077] 2. 3法向力和切向力大小的計算
[007引選取第n個圓環(huán)電容單元和第n/2個圓環(huán)電容單元，通過建立圓環(huán)電容單元對組 成方程組進行計算，如圖7所示。設(shè)電極板受到法向和切向激勵作用后，設(shè)第n個圓環(huán)電容 單元的輸出電容為n/2個圓環(huán)電容單元輸出電容為C2,切向的位移為4,法向的電容極 距為屯，Si。為外環(huán)初始的正對面積，S2。為內(nèi)環(huán)初始的正對面積。

[0090] 2. 4切向力的方向判定
[0091] 2. 4. 1條狀電容單元組狀結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計
[0092] 為了實現(xiàn)Ty和Ty之間切向響應(yīng)不相互產(chǎn)生影響，驅(qū)動電極長度兩端預(yù)留差 位5〇,因此b〇驅(qū)=b〇底+2 ? 5〇,其中在b〇驅(qū)兩端長度預(yù)留理論上應(yīng)保證
其計算值為
故在工藝上應(yīng)保證b〇驅(qū)一b〇^> 0.01mm。為了實現(xiàn)Ty和Ty不對法向電容響應(yīng)產(chǎn)生影響，每個條狀電容單元的驅(qū)動電極 與感應(yīng)電極在平面布置設(shè)置一定的錯位偏移，對通過差動消除相互之間的影響。
[0093] 如圖5所示，圖中四個虛線方框為感應(yīng)電極在下極板上的基準，取感應(yīng)電極在下 層PCB基板上的位置作為參照，則驅(qū)動電極在上層PCB基板上的布置應(yīng)WPCB基板邊緣線 為基準。每個條狀電容單元包括上極板的驅(qū)動電極和下極板的感應(yīng)電極，設(shè)每根條狀電容 單元寬為a。，兩條狀電容單元之間的槽寬為as，則每根條狀電容單元的節(jié)距為au+as。該 樣在計算法向電容輸出響應(yīng)時已能保證T,和Ty不對法向電容響應(yīng)產(chǎn)生影響。而置他 們與幾何基準線差距均為S。(〇. 1mm)，W保證X方向差動電容單元組I和X方向差動電容 單元組III只產(chǎn)生對Ty的差動電容輸出響應(yīng)，而Y方向差動電容單元組II和Y方向差動電 容單元組IV則只產(chǎn)生對Ty的差動電容響應(yīng)，設(shè)置一個初始錯位偏移5 ,。，其取值應(yīng)保證
其計算值與8。類似，其初始錯位偏移均設(shè)置5,。=5^。二0.01mm，W保證四 個電容單元在T,和Ty切向激勵下能產(chǎn)生兩組差動電容對。
[0094] 圖8中，一對電容C訊Ck電極尺寸3。、6。、(1。均相同，初始錯位偏移5。也相同，區(qū) 別在于左邊電容器片上層5。尖角的指向為+OX，而右邊電容器Cc上層5。尖角指向-OX。 當(dāng)T,= 〇時，
印圖中陰影部分所對應(yīng)的電容。在此基 礎(chǔ)上，如在-Fx激勵下產(chǎn)生±Sy的錯位偏移，形成如圖9所示電容增減效果，
[0095]
(10)
[0096]圖9中，C訊C謹動電容對同一個TX將產(chǎn)生± 5濟±ACT的響應(yīng)，
，可取5。= 10ym，由此，式（S) 可修改為
[0097]
(11)
[009引式中
為切應(yīng)力為零時的初始電容，（11)式即為切應(yīng)力輸入 輸出特性，Cu與F,是線性關(guān)系，而其靈敏度
[0099] 由式（11)可知a。愈小，切向應(yīng)力響應(yīng)的靈敏度越大，故本發(fā)明電容單元采用由多 個條狀電容組成的條狀電容單元組。
[0100] 2. 4. 2切向應(yīng)力方向計算
[0101] 。對CII和CIII對C"可W實現(xiàn)兩對差動組合，如圖10的單元電容對的信號差動示 意圖，經(jīng)差動技術(shù)處理，差動輸出的總響應(yīng)
[0102]
(12)
[010引式中，無論是法向激勵F?；蚯邢蚣頕y均不對0T產(chǎn)生影響，即自動消除了 0。和Ty對Ty的總輸出的禪合或干擾。因為凡是在信號包含相減的運算中，等量和同符合的電 容變化都自動消除。而Fy和F,對0。的干擾可通過上層電極在b。方向增加幾何長度25 。消除。
[0104] 同理，
[0105] 根據(jù)0TX和0Ty的值計算出切向力的方向。
[0106] 2. 4主要材料選擇及其特性參數(shù)
[0107] 平行板電容器的結(jié)構(gòu)剖面圖類似于S明治結(jié)構(gòu)如圖11所示。由圖11可知，1為上 PCB基板，2為下PCB基板，3為驅(qū)動電極，4為感應(yīng)電極。極板距屯二0. 1mm，上下基板內(nèi)側(cè) 空間除銅巧電極外，均為用失蠟鑄造法充填的PDMS(聚二甲基硅氧烷）超彈絕緣介質(zhì)。其 機械和物理特性參數(shù)為楊氏模量E= 6. 2MPa，而其抗剪彈性模量為G= 4.IMPa，介質(zhì)極化 時相對介電常數(shù)ey=2. 5。由于介質(zhì)的E和G遠小于銅的彈性模量E銅二103GPa，故電容 器內(nèi)部介質(zhì)在應(yīng)力狀態(tài)下的變形遠大于極板的變形。
[010引 2. 5電極引線設(shè)計
[0109] 無論是驅(qū)動電極或感應(yīng)電極都需備有引出線，考慮各個驅(qū)動電極在信號電平上都 是接地的，故驅(qū)動電極只需共用同一個引出線。圓環(huán)電容單元組和條狀電容單元組的驅(qū)動 電極通過一個引出線與控制單元連接，所述圓環(huán)電容單元組的每個圓環(huán)單獨引線與控制單 元連接，控制單元根據(jù)每個圓環(huán)的輸出值自由組合進行計算，之后進行求平均得出切向力 的大小和法向力大小，在精度要求不高的情況下，圓環(huán)電容單元組可W只選擇兩個最優(yōu)圓 環(huán)引出2根引線，通過該兩個圓環(huán)求出4和d。，從而得出切向力的大小和法向力大小；X方 向差動電容單元組和Y方向差動電容單元組分別各自通過一個引出線引出與控制單元連 接，用于計算切向力的方向。所述控制單元和電容單元之間設(shè)有中間變換器，變換器用于設(shè) 置電壓或頻率對電容的傳輸系數(shù)。整個電容組件共有至少7個管腳從平面封裝的側(cè)面引 出，W便整個組件頂部與底部外表面能方便地與測量對象接觸。
[0110] 本發(fā)明在新材料和新工藝的支撐下，完成了一種新型=維力敏感電容組合的設(shè) 計。在lOXlOmm2的受力面上，無論是法向或切向，都可向介質(zhì)較均勻的傳遞應(yīng)力。在空間 力與傳感器表面的接觸中外力只有1個，對電容求和可得到法向化的信息，即整個電極板 都對求化做出貢獻，同時又可獲得Fy和Fy的信息，從而完整描述一個S維力，按設(shè)計參數(shù) 可W提高一次轉(zhuǎn)換的法向靈敏度和切向靈敏度和最大線性誤差。
[0111] 由于每個電容單元都設(shè)有一個引出線輸出數(shù)據(jù)到控制單元進行數(shù)據(jù)變換和求解， 能夠準確計算S維力的矢量大小，同時避免了法向力和切向力之間的相互影響，大大提高 了測量精度。使用時傳感器貼合在喉結(jié)處，佩戴者一旦發(fā)音，喉結(jié)起伏運動的時候傳感器受 力，檢測計算出每個音節(jié)和其相應(yīng)的=維力的矢量和=維偏移距離矢量組成的=維力矢量 坐標，即用=維力矢量坐標標記每個讀音從而快速區(qū)分每個讀音，并將數(shù)據(jù)保存在控制器 的數(shù)據(jù)庫中。
[0112] 此外，感應(yīng)部安放在喉結(jié)部位處，可W通過彈性輸環(huán)或鉤卡裝置可拆卸地連接 在脖頸處的衣物上，由于圓環(huán)式壓力傳感器已經(jīng)可W制作的非常小，已經(jīng)可W縮小到 10*10mm2的底板上，所W感應(yīng)部的實際體積可W很小，放置在彈性輸環(huán)的內(nèi)側(cè)，隨彈性輸環(huán) 安置在衣物上貼觸于喉結(jié)部位，準確簡單的監(jiān)督喉結(jié)運動，其安放示意圖如圖12a所示，圖 中6表示感應(yīng)部。同時由于傳感器的超薄性能，極板選用柔性材料可W制成電子皮膚狀，感 應(yīng)部可W嵌合在粘貼層內(nèi)，直接貼和在喉結(jié)處?，F(xiàn)有技術(shù)中紋身貼已經(jīng)能夠粘貼在皮膚上 一周之久且具有防水功能，所W粘貼層的制作技術(shù)是已經(jīng)具有一定基礎(chǔ)的，在粘貼層旁側(cè) 留一個縫隙方便取卸即可?？蒞進一步改進為，感應(yīng)部直接粘貼在紋身貼內(nèi)，由紋身貼附著 在喉結(jié)出，由于傳感器采用了柔性材料，所W輕微的變形時不影響傳感器工作的，其示意圖 如圖1化所示