電容式傳感器及組合電容式位移測(cè)量傳感系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電容式傳感器及組合電容式位移測(cè)量傳感系統(tǒng)，具體涉及一種利用電容極片相對(duì)面積的變化以測(cè)量位移的傳感器及其組合電容器式位移測(cè)量的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]人們已經(jīng)知道兩個(gè)平行導(dǎo)體電極可以形成一個(gè)電容器，電容器的電容量與平行電極間的介質(zhì)的介電常數(shù)近于正比，與兩個(gè)極片的相對(duì)(重疊)面積成正比，與兩個(gè)極片之間的間隙成反比。因此電容量的大小隨著兩個(gè)極片之間相對(duì)面積和間隙距離的變化而變化。本領(lǐng)域的技術(shù)人員已經(jīng)應(yīng)用上述原理來(lái)制造各種傳感器，包括位移(位置)測(cè)量傳感器。
[0003]根據(jù)上述原理，可以通過(guò)兩種方法利用電容來(lái)測(cè)量位移。一種方法是檢測(cè)由于電容的兩個(gè)極片的間隙變化引起的電容變化，此時(shí)運(yùn)動(dòng)方向垂直于極片表面。電容器的電容量對(duì)間隙的變化非常敏感，特別是當(dāng)間隙非常小時(shí)。同時(shí)，制造技術(shù)比較容易得到很小的間隙變化而幾乎沒(méi)有相對(duì)重疊面積的變化。現(xiàn)在的納米定位系統(tǒng)中廣泛采用用這種方法。這種傳感器可以測(cè)量小到幾個(gè)皮米的位移量，但其最大量程只在幾百個(gè)微米內(nèi)。
[0004]另外一種方法是檢測(cè)由兩個(gè)電容的平行極片相對(duì)重疊面積變化所引起的電容量變化，此時(shí)運(yùn)動(dòng)平行于極片表面。由于制造簡(jiǎn)單和生產(chǎn)成本低等原因，市場(chǎng)需求這種基于面積變化原理的傳感器，但遇到極大挑戰(zhàn)，在實(shí)際應(yīng)用中是非常困難的。這是因?yàn)椋@種簡(jiǎn)單的電容器當(dāng)電極在平行方向運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生測(cè)量重疊面積變化時(shí)，很難保證極片之間的間隙不會(huì)產(chǎn)生變化，以致測(cè)量信號(hào)不能單一表征來(lái)自重疊面積變化，會(huì)造成測(cè)量誤差。如前上述，間隙變化對(duì)電容器的電容量的影響是非常敏感的，比如在100 μ m間隙的電容器中，I μ m的變化將會(huì)造成百分之一的電容量的變化。工業(yè)化生產(chǎn)中，對(duì)機(jī)械式運(yùn)動(dòng)的另部件來(lái)說(shuō)，100 μπι的間隙是可以做到的而且是常有的，但I(xiàn)ym的公差是很難做到的。大部分應(yīng)用場(chǎng)合，百分之一的不確定性誤差是難以接受的。由于很難控制間隙的變化，所以也很難制造出這種基于面積變化的高精度位移測(cè)量傳感器，因此，需要開(kāi)發(fā)一種技術(shù)能夠在對(duì)重疊面積時(shí)大大減小相變化間隙變化所帶來(lái)的不良影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為克服上述問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種電容式傳感器，包括:至少一個(gè)固定部件STATOR,每個(gè)組合固定部件STATOR包括:
[0006]—個(gè)電絕緣基底,其上具有電連接在一起的m個(gè)極片導(dǎo)電極片電連接在一起組成的第一電容極片組，和電連接在一起的m個(gè)極片導(dǎo)電極片電連接在一起組成的第二電容極片組，第一電容極片組和第二電容極片組的中極片的數(shù)目相等、形狀相同，且交替、等間距地排列在所述電絕緣基底上；
[0007]至少一個(gè)可相對(duì)于固定部件STATOR線(xiàn)性移動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)部件MOVER，運(yùn)動(dòng)部件MOVER的數(shù)量與固定部件STATOR的數(shù)量相同，每個(gè)運(yùn)動(dòng)部件MOVER包括:
[0008]一個(gè)電絕緣基底，其上具有由η個(gè)等間距排列的接地極片組成的接地極片組，所述接地極片的形狀相同，且電連接在一起形成接地極片組；n小于或等于m ；
[0009]其中，運(yùn)動(dòng)部件MOVER的每個(gè)接地極片在其運(yùn)動(dòng)方向的寬度大小，使其在移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，與所述固定部件STATOR中的第一電容極片組的一個(gè)電容極片和第二電容極片組的一個(gè)電容極片組成兩個(gè)可變電容器，從而運(yùn)動(dòng)部件MOVER的接地極片組與固定部件STATOR中的第一電容極片組和第二電容極片組組成兩個(gè)可變電容組。
[0010]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，不同固定部件STATOR中的相應(yīng)極片一一對(duì)正，不同運(yùn)動(dòng)部件MOVER中的相應(yīng)極片一一對(duì)正，來(lái)自不同固定部件STATOR的一對(duì)相對(duì)應(yīng)對(duì)正的極片和一個(gè)接地極片構(gòu)成一對(duì)可變電容器。構(gòu)成了直接補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。
[0011]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式中，在同一固定部件STATOR上的分別來(lái)自第一電容極片組和第二電容極片組的一對(duì)相鄰極片與相對(duì)應(yīng)的一個(gè)接地極片一起構(gòu)成一對(duì)可變電容器。構(gòu)成了差分補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。
[0012]本發(fā)明優(yōu)選的是，所述極片呈矩形或扇形或三角形或圓三角形的平面結(jié)構(gòu)，或圓筒形或具有矩形結(jié)構(gòu)的部分圓筒形或具有三角形結(jié)構(gòu)的部分圓筒形曲面。
[0013]在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，(Wg+Wgs) =2* (Wc+Wcs)，Wcs ^ Wc,Wc ^ Wg ^ (Wc+2*Wcs)，Wc和Wg分別表示固定部件STATOR中極片、運(yùn)動(dòng)部件MOVER中極片的寬度或角寬度，Wcs和Wgs表示固定部件STATOR、運(yùn)動(dòng)部件MOVER中相鄰兩個(gè)極片之間的距離或角距離。
[0014]在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，當(dāng)所述極片呈矩形平面結(jié)構(gòu)時(shí)，Wc的取值在0.00Imm至200mm之間,Wcs的取值在0.00Imm至200mm之間，Lc的取值在0.005mm至200mm之間，Wc表示固定部件STATOR中極片的寬度，Wcs表示固定部件STATOR中相鄰兩個(gè)極片之間的距離，Lc表示固定部件STATOR中極片的長(zhǎng)度。
[0015]在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，當(dāng)所述極片呈扇形平面結(jié)構(gòu)或部分圓筒形曲面時(shí)，Wc的取值在0.001°至180°之間，Wcs的取值在0.001°至270°之間，Lc的取值在0.1mm至200mm之間，Wc表示固定部件STATOR中極片的角寬度，Wcs表示固定部件STATOR中相鄰兩個(gè)極片之間的角距離，Lc表示固定部件STATOR中極片的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。
[0016]在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，Lc幸Lg, Lc表示固定部件STATOR中極片的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，Lg表示運(yùn)動(dòng)部件MOVER中接地極片的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。
[0017]在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，包括至少兩個(gè)固定部件STAT0R，所述不同固定部件STATOR之間的極片在運(yùn)動(dòng)部件MOVER的運(yùn)動(dòng)方向上相互錯(cuò)開(kāi)Wss的距離，且Wss=(Wc+Wcs)/2，其中Wc表示固定部件STATOR中極片的寬度或角寬度，Wcs表示固定部件STATOR中相鄰兩個(gè)極片之間的距離或角距離；或
[0018]包括至少兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件MOVER，所述不同運(yùn)動(dòng)部件MOVER之間的極片在其運(yùn)動(dòng)方向上相互錯(cuò)開(kāi)Wss的距離，且Wss= (Wc+Wcs)/2，其中Wc表示固定部件STATOR中極片的寬度或角寬度，Wcs表示固定部件STATOR中相鄰兩個(gè)極片之間的距離Wcs或角距離。
[0019]優(yōu)選的是，進(jìn)一步包括用于粗測(cè)量的固定部件STATOR和運(yùn)動(dòng)部件MOVER，其中該固定部件STATOR具有兩個(gè)極片，該兩個(gè)極片的寬度或角寬度記為Wcl，該運(yùn)動(dòng)部件MOVER上有一個(gè)接地極片，該極片的寬度或角寬度記為Wsl，
[0020]Wcl ^ ffc^m+ffcs* (m_l)
[0021]Wsl ^ (ffc+ffcs) *m
[0022]其中，m表示的是固定部件STATOR中各細(xì)測(cè)極片組所包含的極片個(gè)數(shù)，Wc表示的是固定部件STATOR中細(xì)測(cè)極片的寬度或角寬度，Wcs表示的是固定部件STATOR中相鄰細(xì)測(cè)極片之間的距離或角距離。
[0023]本發(fā)明優(yōu)選的是，所述固定部件STATOR的電絕緣基底設(shè)有電屏蔽層。
[0024]本發(fā)明優(yōu)選的是，固定部件STATOR和運(yùn)動(dòng)部件MOVER用印刷電路的方法、薄膜沉積的方法或印刷電子的方法來(lái)制造。
[0025]本發(fā)明優(yōu)選的是，運(yùn)動(dòng)部件MOVER由金屬薄片或薄管制成，金屬薄片或薄管的兩個(gè)面分別作為接地極與多個(gè)固定部件STATOR形成多個(gè)可變電容組。
[0026]本發(fā)明還提供了一種包括上述電容式傳感器的組合電容式位移測(cè)量傳感系統(tǒng)，還包括:
[0027]用于測(cè)量所述第一電容極片組和所述第二電容極片組電子信號(hào)、得到位移數(shù)據(jù)的信號(hào)處理系統(tǒng)，其中，信號(hào)處理系統(tǒng)的接地端與所述接地極片組連接。
[0028]按照本發(fā)明的組合式電容器測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)極片形狀和布局的設(shè)計(jì)得到可變電容之間的相互補(bǔ)償來(lái)減小電容間隙變化的影響，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的大量程絕對(duì)位移測(cè)量，例如:量程大于Im而分辨率為納米級(jí)的直線(xiàn)位移測(cè)量；又如:360°全方位而精度為角秒級(jí)的角度位移測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1a是本發(fā)明中電容式傳感器的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖，該實(shí)施例包括兩個(gè)固定部件STATOR和一個(gè)雙側(cè)運(yùn)動(dòng)部件MOVER，圖中還示出它們構(gòu)成電容極片的幾何結(jié)構(gòu)。
[0030]圖1b是圖1a實(shí)施例的頂視圖，該實(shí)施例示出固定部件STATOR的電容極片和運(yùn)動(dòng)部件MOVER的接地極片的相互作用。
[0031]圖2示出圖1實(shí)施例如何產(chǎn)生和消除電容，以及電容器的編號(hào)。
[0032]圖3是本發(fā)明組合電容式位移測(cè)量傳感系統(tǒng)的電路連接框圖。
[0033]圖4是本發(fā)明組合電容式位移測(cè)量傳感系統(tǒng)的另一個(gè)電路連接框圖。
[0034]圖5是圖1實(shí)施例的數(shù)字輸出曲線(xiàn)的舉例，其中示出了死區(qū)。
[0035]圖6是本發(fā)明傳感器的一個(gè)消除死區(qū)的實(shí)施例的