电容式传感器及组合电容式位移测量传感系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电容式传感器及组合电容式位移测量传感系统，具体涉及一种利用电容极片相对面积的变化以测量位移的传感器及其组合电容器式位移测量的系统。
【背景技术】
[0002]人们已经知道两个平行导体电极可以形成一个电容器，电容器的电容量与平行电极间的介质的介电常数近于正比，与两个极片的相对(重叠)面积成正比，与两个极片之间的间隙成反比。因此电容量的大小随着两个极片之间相对面积和间隙距离的变化而变化。本领域的技术人员已经应用上述原理来制造各种传感器，包括位移(位置)测量传感器。
[0003]根据上述原理，可以通过两种方法利用电容来测量位移。一种方法是检测由于电容的两个极片的间隙变化引起的电容变化，此时运动方向垂直于极片表面。电容器的电容量对间隙的变化非常敏感，特别是当间隙非常小时。同时，制造技术比较容易得到很小的间隙变化而几乎没有相对重叠面积的变化。现在的纳米定位系统中广泛采用用这种方法。这种传感器可以测量小到几个皮米的位移量，但其最大量程只在几百个微米内。
[0004]另外一种方法是检测由两个电容的平行极片相对重叠面积变化所引起的电容量变化，此时运动平行于极片表面。由于制造简单和生产成本低等原因，市场需求这种基于面积变化原理的传感器，但遇到极大挑战，在实际应用中是非常困难的。这是因为，这种简单的电容器当电极在平行方向运动来产生测量重叠面积变化时，很难保证极片之间的间隙不会产生变化，以致测量信号不能单一表征来自重叠面积变化，会造成测量误差。如前上述，间隙变化对电容器的电容量的影响是非常敏感的，比如在100 μ m间隙的电容器中，I μ m的变化将会造成百分之一的电容量的变化。工业化生产中，对机械式运动的另部件来说，100 μπι的间隙是可以做到的而且是常有的，但Iym的公差是很难做到的。大部分应用场合，百分之一的不确定性误差是难以接受的。由于很难控制间隙的变化，所以也很难制造出这种基于面积变化的高精度位移测量传感器，因此，需要开发一种技术能够在对重叠面积时大大减小相变化间隙变化所带来的不良影响。
【发明内容】
[0005]本发明为克服上述问题，开发了一种电容式传感器，包括:至少一个固定部件STATOR,每个组合固定部件STATOR包括:
[0006]—个电绝缘基底,其上具有电连接在一起的m个极片导电极片电连接在一起组成的第一电容极片组，和电连接在一起的m个极片导电极片电连接在一起组成的第二电容极片组，第一电容极片组和第二电容极片组的中极片的数目相等、形状相同，且交替、等间距地排列在所述电绝缘基底上；
[0007]至少一个可相对于固定部件STATOR线性移动/转动的运动部件MOVER，运动部件MOVER的数量与固定部件STATOR的数量相同，每个运动部件MOVER包括:
[0008]一个电绝缘基底，其上具有由η个等间距排列的接地极片组成的接地极片组，所述接地极片的形状相同，且电连接在一起形成接地极片组；n小于或等于m ；
[0009]其中，运动部件MOVER的每个接地极片在其运动方向的宽度大小，使其在移动或转动过程中，与所述固定部件STATOR中的第一电容极片组的一个电容极片和第二电容极片组的一个电容极片组成两个可变电容器，从而运动部件MOVER的接地极片组与固定部件STATOR中的第一电容极片组和第二电容极片组组成两个可变电容组。
[0010]在本发明的一个实施方式中，不同固定部件STATOR中的相应极片一一对正，不同运动部件MOVER中的相应极片一一对正，来自不同固定部件STATOR的一对相对应对正的极片和一个接地极片构成一对可变电容器。构成了直接补偿结构。
[0011]在本发明的另一个实施方式中，在同一固定部件STATOR上的分别来自第一电容极片组和第二电容极片组的一对相邻极片与相对应的一个接地极片一起构成一对可变电容器。构成了差分补偿结构。
[0012]本发明优选的是，所述极片呈矩形或扇形或三角形或圆三角形的平面结构，或圆筒形或具有矩形结构的部分圆筒形或具有三角形结构的部分圆筒形曲面。
[0013]在本发明的一个优选的实施例中，(Wg+Wgs) =2* (Wc+Wcs)，Wcs ^ Wc,Wc ^ Wg ^ (Wc+2*Wcs)，Wc和Wg分别表示固定部件STATOR中极片、运动部件MOVER中极片的宽度或角宽度，Wcs和Wgs表示固定部件STATOR、运动部件MOVER中相邻两个极片之间的距离或角距离。
[0014]在本发明的另一个优选的实施例中，当所述极片呈矩形平面结构时，Wc的取值在0.00Imm至200mm之间,Wcs的取值在0.00Imm至200mm之间，Lc的取值在0.005mm至200mm之间，Wc表示固定部件STATOR中极片的宽度，Wcs表示固定部件STATOR中相邻两个极片之间的距离，Lc表示固定部件STATOR中极片的长度。
[0015]在本发明的另一个优选的实施例中，当所述极片呈扇形平面结构或部分圆筒形曲面时，Wc的取值在0.001°至180°之间，Wcs的取值在0.001°至270°之间，Lc的取值在0.1mm至200mm之间，Wc表示固定部件STATOR中极片的角宽度，Wcs表示固定部件STATOR中相邻两个极片之间的角距离，Lc表示固定部件STATOR中极片的转动半径。
[0016]在本发明的另一个优选的实施例中，Lc幸Lg, Lc表示固定部件STATOR中极片的转动半径，Lg表示运动部件MOVER中接地极片的转动半径。
[0017]在本发明的另一个优选的实施例中，包括至少两个固定部件STAT0R，所述不同固定部件STATOR之间的极片在运动部件MOVER的运动方向上相互错开Wss的距离，且Wss=(Wc+Wcs)/2，其中Wc表示固定部件STATOR中极片的宽度或角宽度，Wcs表示固定部件STATOR中相邻两个极片之间的距离或角距离；或
[0018]包括至少两个运动部件MOVER，所述不同运动部件MOVER之间的极片在其运动方向上相互错开Wss的距离，且Wss= (Wc+Wcs)/2，其中Wc表示固定部件STATOR中极片的宽度或角宽度，Wcs表示固定部件STATOR中相邻两个极片之间的距离Wcs或角距离。
[0019]优选的是，进一步包括用于粗测量的固定部件STATOR和运动部件MOVER，其中该固定部件STATOR具有两个极片，该两个极片的宽度或角宽度记为Wcl，该运动部件MOVER上有一个接地极片，该极片的宽度或角宽度记为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中各细测极片组所包含的极片个数，Wc表示的是固定部件STATOR中细测极片的宽度或角宽度，Wcs表示的是固定部件STATOR中相邻细测极片之间的距离或角距离。
[0023]本发明优选的是，所述固定部件STATOR的电绝缘基底设有电屏蔽层。
[0024]本发明优选的是，固定部件STATOR和运动部件MOVER用印刷电路的方法、薄膜沉积的方法或印刷电子的方法来制造。
[0025]本发明优选的是，运动部件MOVER由金属薄片或薄管制成，金属薄片或薄管的两个面分别作为接地极与多个固定部件STATOR形成多个可变电容组。
[0026]本发明还提供了一种包括上述电容式传感器的组合电容式位移测量传感系统，还包括:
[0027]用于测量所述第一电容极片组和所述第二电容极片组电子信号、得到位移数据的信号处理系统，其中，信号处理系统的接地端与所述接地极片组连接。
[0028]按照本发明的组合式电容器测量系统，通过对极片形状和布局的设计得到可变电容之间的相互补偿来减小电容间隙变化的影响，实现精准的大量程绝对位移测量，例如:量程大于Im而分辨率为纳米级的直线位移测量；又如:360°全方位而精度为角秒级的角度位移测量。
【附图说明】
[0029]图1a是本发明中电容式传感器的一个实施例的侧视图，该实施例包括两个固定部件STATOR和一个双侧运动部件MOVER，图中还示出它们构成电容极片的几何结构。
[0030]图1b是图1a实施例的顶视图，该实施例示出固定部件STATOR的电容极片和运动部件MOVER的接地极片的相互作用。
[0031]图2示出图1实施例如何产生和消除电容，以及电容器的编号。
[0032]图3是本发明组合电容式位移测量传感系统的电路连接框图。
[0033]图4是本发明组合电容式位移测量传感系统的另一个电路连接框图。
[0034]图5是图1实施例的数字输出曲线的举例，其中示出了死区。
[0035]图6是本发明传感器的一个消除死区的实施例的