一种液晶基电容式接近传感器及其检测方法

本发明涉及电容式传感器，尤其涉及一种液晶基电容式接近传感器及其检测方法。

背景技术：

1、接近传感器可实现非接触式目标检测，广泛应用于智能机器人、人机交互、智能触控、可穿戴电子、健康监测、车载非接触控制等领域。目前主流非接触接近检测技术包括超声波、红外、磁感应、摩擦电感应和电容传感等。

2、其中，电容式接近传感器凭借结构简单、功耗低、易于微型化与阵列集成等优点应用广泛。互电容式接近传感器的工作原理为：当接地导体或高介电常数物体进入感应区域后，会改变电极间空间边缘电场分布，进而引起电极间的互电容变化，以此判断物体的接近状态。

3、然而，传统电容式接近传感器存在明显短板，电极间介质多为空气或固态保护层，介电常数基本恒定，接近物体引发的互电容仅为皮法量级。微弱信号极易受走线寄生电容、环境杂散电场、电路噪声干扰，因此必须搭配高分辨率、高成本的专用电容读出电路，并增设复杂的寄生补偿与电磁屏蔽结构，大幅提升了系统成本与设计难度。

4、传统的提升电容式接近传感器灵敏度的方法有如下几种：一是通过增大叉指电极面积提升电容变化量，但会违背器件微型化趋势，同时引入更多耦合噪声与寄生电容；二是缩小电极间距增强电场，但压缩电场穿透深度，缩短有效检测距离；三是优化后端电路，但仅改善信号读取能力，无法从器件源头提升信号强度，在复杂工况下稳定性较差。

5、综上，如何在不改变电极几何尺寸、不牺牲检测距离的前提下，在器件物理层面放大电容变化信号，降低后端电路要求，是本领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种液晶基电容式接近传感器及其检测方法，利用其介电各向异性放大电容变化信号，从器件源头提升检测灵敏度，无需大幅增大电极尺寸、压缩电极间距，兼顾微型化与有效检测距离。

2、本发明提供一种液晶基电容式接近传感器，包括：上基板、下基板、封装结构、共面叉指电极组、上取向层、下取向层以及液晶层；所述封装结构设于所述上基板与下基板之间，所述上基板与所述下基板通过所述封装结构配合形成密封腔体；

3、所述共面叉指电极组包括叉指电极负极和叉指电极正极，二者设于下基板朝向密封腔体的一侧，且在同一平面内周期性交错排布；

4、所述上取向层设于上基板朝向密封腔体的一侧，所述下取向层覆盖于叉指电极负极、叉指电极正极表面，所述液晶层填充于下取向层与上取向层之间；

5、所述上取向层与下取向层用于使液晶层内的液晶分子在未施加检测电压时保持预定初始取向；所述共面叉指电极组在相邻电极指条间产生穿过上基板并延伸至外部空间的边缘电场；当待测物体进入边缘电场的感应区域时，边缘电场的分布发生改变，进而引起叉指电极负极与叉指电极正极之间的互电容变化，实现物体接近检测。

6、根据本发明提供的一种液晶基电容式接近传感器，所述液晶层的材料为正介电各向异性液晶或负介电各向异性液晶中的一种。

7、根据本发明提供的一种液晶基电容式接近传感器，所述液晶层的材料为向列相液晶。

8、根据本发明提供的一种液晶基电容式接近传感器，所述下基板、上基板采用硬质材料或软质材料中的一种；所述硬质材料为玻璃、硅片中的一种，所述软质材料为pdms（polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）。

9、根据本发明提供的一种液晶基电容式接近传感器，所述叉指电极负极与叉指电极正极以固定指条宽度、固定指条间距构成重复单元，在下基板表面周期性交错排布。

10、根据本发明提供的一种液晶基电容式接近传感器，所述上取向层与下取向层的摩擦取向方向互相平行；所述叉指电极负极、叉指电极正极的电极指条长轴方向，与摩擦取向方向相互垂直。

11、根据本发明提供的一种液晶基电容式接近传感器，所述液晶层的厚度为2μm～20μm；所述叉指电极组的指条宽度为2μm～25μm，指条间距为2μm～25μm，电极有效区域面积为10mm2～900mm2。

12、本发明还提供一种液晶基电容式接近传感器的检测方法，包括：向叉指电极负极、叉指电极正极同时施加交流检测信号与直流偏置电压，将液晶层调控至预设取向响应工作区间；使待测物体沿垂直于基板平面的方向向传感器靠近；实时采集叉指电极负极与叉指电极正极之间的互电容数值，根据互电容的绝对变化量或相对变化量，判断待测物体与传感器之间的距离变化。

13、根据本发明提供的一种液晶基电容式接近传感器的检测方法，所述交流检测信号频率为100hz～5mhz，交流信号电平为2mv～200mv，所述直流偏置电压为0v～100v。

14、本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

15、1.本发明在传统电容传感器结构中引入液晶介质，利用其介电各向异性放大电容变化信号，从器件源头提升检测灵敏度，无需大幅增大电极尺寸、压缩电极间距，兼顾微型化与有效检测距离。

16、2.器件结构简单，制备工艺成熟，可采用常规液晶盒工艺与光刻工艺加工，成本低廉，易于规模化生产与阵列集成。

17、3.电容变化幅值显著提升，有效降低对高分辨率读出电路、复杂电磁屏蔽结构的依赖，降低整机设计与使用成本，抗干扰能力更强。

18、4.检测方式为非接触式，无机械磨损，适配人机交互、机器人、可穿戴设备、车载控制等多种应用场景。

19、5.现有电容式接近传感器的传感电容变化值一般小于0.6pf，远小于液晶基电容式接近传感器的19.7pf的电容变化，因而后者具有明显的优势。现有的电容式接近传感器，具有较大的电容相对变化，基本在10%以上，最大可达80%，但是电容的实际变化值仅有0.01到0.1pf的数量级，对电容测量设备具有极高的精确度要求。

20、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

1.一种液晶基电容式接近传感器，其特征在于，包括：上基板、下基板、封装结构、共面叉指电极组、上取向层、下取向层以及液晶层；所述封装结构设于所述上基板与下基板之间，所述上基板与所述下基板通过所述封装结构配合形成密封腔体；

2.根据权利要求1所述的一种液晶基电容式接近传感器，其特征在于，所述液晶层的材料为正介电各向异性液晶或负介电各向异性液晶中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种液晶基电容式接近传感器，其特征在于，所述液晶层的材料为向列相液晶。

4.根据权利要求1所述的一种液晶基电容式接近传感器，其特征在于，所述下基板、上基板采用硬质材料或软质材料中的一种；所述硬质材料为玻璃、硅片中的一种，所述软质材料为pdms。

5.根据权利要求1所述的一种液晶基电容式接近传感器，其特征在于，所述叉指电极负极与叉指电极正极以固定指条宽度、固定指条间距构成重复单元，在下基板表面周期性交错排布。

6.根据权利要求1所述的一种液晶基电容式接近传感器，其特征在于，所述上取向层与下取向层的摩擦取向方向互相平行；所述叉指电极负极、叉指电极正极的电极指条长轴方向，与摩擦取向方向相互垂直。

7.根据权利要求1所述的一种液晶基电容式接近传感器，其特征在于，所述液晶层的厚度为2μm～20μm；所述叉指电极组的指条宽度为2μm～25μm，指条间距为2μm～25μm，电极有效区域面积为10mm2～900mm2。

8.一种液晶基电容式接近传感器的检测方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述的液晶基电容式接近传感器，包括以下步骤：向叉指电极负极、叉指电极正极同时施加交流检测信号与直流偏置电压，将液晶层调控至预设取向响应工作区间；使待测物体沿垂直于基板平面的方向向传感器靠近；实时采集叉指电极负极与叉指电极正极之间的互电容数值，根据互电容的绝对变化量或相对变化量，判断待测物体与传感器之间的距离变化。

9.根据权利要求8所述的一种液晶基电容式接近传感器的检测方法，其特征在于，所述交流检测信号频率为100hz～5mhz，交流信号电平为2mv～200mv，所述直流偏置电压为0v～100v。