新型叉指电容设计建模与实验研究

唐忠林，杨建华

(1.陕西工业职业技术学院航空工程学院，陕西咸阳 712000；2.西北工业大学自动化学院，陕西西安 710072)

0 引言

叉指电容(interdigital capacitor，IDC)以其特有的平面电极结构和表面空间电场，是制作表面传感器的理想器件，其正负电极之间的电场在电极平面上下方表面空间分布，因此电极表面空间介电常数的变化会导致叉指电容值的变化，据此可进行物性检测[1]。叉指电容表面传感器通常采用直接接触或覆盖敏感薄膜的结构形式，其中直接接触式在土壤湿度[2]、材料老化[3]、溶液品质[4]和环境监测[5]等方面应用广泛，敏感薄膜式主要用于气体检测，包括空气湿度[6]和各类挥发性有机气体[7]等。

叉指电容传感器的研究现状包括：叉指电容的基本结构变化不大，对应的电容解析模型缺少发展[8-9]；针对某些特殊应用场合的拓展叉指电容结构复杂，难以建立解析模型，一般采用仿真建模[10-11]；柔性衬底材料和电极打印工艺的研究热度正高[12]。叉指电容基本结构的平面电极边缘和衬底方向空间存在电场泄漏，会导致传感器测量误差，降低电容的高频性能[13]，并使解析模型复杂化。仿真建模虽然能够达到更高的精度和实现更强的针对性，但是平台依赖性强，设计指导性不如解析模型直接。新材料和新工艺理念先进，但在成本、可靠性和信号稳定性上还有很大的提升空间，短期内难以形成规模化应用。

针对上述问题，本文研究并基于PCB工艺实现一种新型叉指电容，设计交扣叉指电极结构和等电位隔离方法，在不降低结构通用性的基础上，使叉指电容的电极电场受控、设计制造方便，并在此基础上建立更加简洁准确的电容解析模型。……