专利名称：一种基于mems加工工艺的柱面电容传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电容传感器，特别涉及一种基于MEMS加工工艺的柱面电容传感器。
背景技术：
二十世纪六十年代以来,随着原子能、航天技术、微电子、信息技术IC制造和生物工程等新兴科学技术的发展，业界对机械加工精度提出了更为苛刻的要求，从微米到亚微米，现已经发展到纳米级水平，并逐渐朝向亚纳米级精度的超精密加工加工水平迈进。精密机床是实现超精密加工的硬件条件，而高精度主轴是精密机床，如纳米金刚石车床、精密加工中心的核心部件，同时高精度主轴也是硬盘驱动器、高精度旋转电机、大型汽轮发电机等超精密装备或大型基础装备的关键部件。主轴回转误差对装备整机的工作精度、加工质量有着直接影响，开展高精度主轴回转误差研究有着十分重要的意义。苏州光动精密仪器有限公司采用给主轴加装标准球并采用激光干涉仪检测标准球的回转误差而间接实现对主轴回转误差的测量，但系统的结构比较复杂。西安理工大学王凯提出一种用激光照射安装于被测轴端面的凹面镜，并用光电二极管检测反射光位置而实现主轴两自由度回转误差检测的方法，但该方法对测量环境要求较高，光路难以调整。韩国学者Hyeong-Joon Ahn提出了实现径向位移测量的柱面电容位移传感器，但其加工制作采用常规的加工方法，得到的电容传感器电极厚度处于毫米级水平，致使传感器在应用过程中存在较大的边缘效应，且难以克服。MEMS 是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems)的英文缩写。气相沉积是利用气相中发生的物理化学过程，在材料表面形成具有特种性能的金属或化合物涂层的过程，气相沉积工艺包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。光刻是通过一系列生产步骤将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺在此之后，晶圆表面会留下带有微图形结构的薄膜。被除去的部分可能形状是薄膜内的孔或是残留的岛状部分。气相沉积工艺和光刻工艺是MEMS加工工艺中的重要部分，对制作微小型器件有很大的用处。如果采用MEMS的气相沉积和光刻工艺，能将柱面电容传感器电极厚度加工到微米级，能有效克服传感器边缘效应，提高柱面电容传感器测量精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于MEMS加工工艺的柱面电容传感器，能有效地抑制柱面电容传感器的边缘效应，提高传感器的测量精度，能监测高精度主轴回转误差。本发明采用的技术方案是
由主轴旋转电极和同轴安装在主轴旋转电极外的柱面固定电极构成；其中
主轴旋转电极是在主轴外圆柱面向外依次包覆有第一绝缘层、主轴铜电极和第二绝缘层；
柱面固定电极是在电极基座内圆柱孔向内依次包覆有第三绝缘层、等电位保护环、第四绝缘层和四个等距嵌在第四绝缘层内圈的四个弧形电极；四个弧形电极的轴向长度相等，圆心角均为60°。所述的主轴与电极基座材料金属或者非金属。所述的主轴圆柱面上气相沉积的第一绝缘层和第二绝缘层厚度均为10 ，主轴铜电极厚度为10 ;电极基座内圆柱面气相沉积的第三绝缘层厚度为10卿,
等电位保护环厚度为10 _，第四绝缘层厚度为20 ，主轴铜电极厚度为10 _。所述的主轴旋转电极轴向长度大于柱面固定电极的轴向长度。与背景技术相比，本发明具有的有益效果是
O电容传感器电极厚度越薄越有利于抑制传感器边缘效应、提高传感器测量精度，采用MEMS加工工艺，能将电极厚度做得很薄，不仅可以克服主要常规方法制造柱面电容传感器时存在的复杂加工、装配工艺等问题，还可以有效抑制柱面电容传感器边缘效应，提高测量精度。2)该生产工艺易于实现柱面电容传感器的小型化制作，大大缩小传感器体积，使传感器的应用更加灵活，同时易于实现传感器的批量化制作。
图I是基于MEMS加工工艺的柱面电容传感器整体效果图。
图2是图I的剖面示意图。
图3是主轴旋转电极剖视图。
图4是柱面固定电极剖视图。
图5是基于MEMS加工工艺的柱面电容传感器制作流程示意图。
图中I、主轴旋转电极,2柱面固定电极，3、主轴，4、第一绝缘层，5、主轴铜电极，
6、第二绝缘层，7、电极基座，8、第三绝缘层，9、等电位保护环，10、第四绝缘层，11、弧形电极。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 如图I、图2、图3、图4所示，本发明由主轴旋转电极和同轴安装在主轴旋转电极外的柱面固定电极构成；其中
主轴旋转电极I :是在主轴3外圆柱面向外依次包覆有第一绝缘层4、主轴铜电极5和第二绝缘层6 ；
柱面固定电极2 :是在电极基座7内圆柱孔向内依次包覆有第三绝缘层8、等电位保护环9、第四绝缘层10和四个等距嵌在第四绝缘层10内圈的四个弧形电极11 ;四个弧形电极 11的轴向长度相等，圆心角均为60°。所述的主轴3与电极基座7材料金属或者非金属。所述的主轴3圆柱面上气相沉积的第一绝缘层4和第二绝缘层6厚度均为10 ，主轴铜电极5厚度为10 _ ;电极基座7内圆柱面气相沉积的第三绝缘层8厚度为10 ，等电位保护环9厚度为 ο.—，第四绝缘层 ο厚度为20 主轴铜电极厚度为 ο m。所述的主轴旋转电极I轴向长度大于柱面固定电极2的轴向长度。
如图5所示,所述制作方法包括
步骤I :提供主轴旋转电极1，在所述主轴外圆柱面采用气相沉积方法获得两层二氧化硅绝缘层及一层铜电极，制作得到柱面电容传感器的主轴旋转电极，主轴旋转电极剖面结构示意如图3所示。具体的，主轴3采用金属或者非金属材料通过精密加工获得，主轴外圆柱面经过超精密加工得到表面粗糙度上限值为0. I —。接着采用气相沉积工艺在主轴外圆柱面上沉积一层厚度为10 的二氧化硅绝缘层作为第一绝缘层4，而后同样采用气相沉积工艺在第一绝缘层圆柱面上沉积一层厚度为10 m的铜膜，作为柱面电容传感器主轴铜电极5。 最后在铜电极圆柱面气相沉积一层厚度为10 —的二氧化硅绝缘层作为第二绝缘层6，至此完成主轴旋转电极的制作。步骤2 :提供柱面固定电极2，在所述电极基座7内圆柱面采用气相沉积工艺获得第三绝缘层8、第四绝缘层10以及等电位保护环9等结构，采用先光刻再沉积方法获得四个弧形电极11，得到柱面电容传感器柱面固定电极。柱面固定电极剖面结构示意图如图4所
/Jn o具体的，电极基座7采用金属或非金属材料通过精密加工得到，电极基座内圆柱面经过超精密加工得到表面粗糙度上限值为0. I —。在电极基座内圆柱面采用气相沉积工艺沉积一层厚度为10 m的二氧化硅绝缘层作为第三绝缘层8，接着在第三绝缘层内圆柱面上气相沉积一层厚度为10 m的铜作为等电位保护环9。在等电位保护环内圆柱面气相沉积一层厚度为20 的二氧化硅作为第四绝缘层10。接着在第四绝缘层内圆柱面采用光刻方法刻蚀出4个弧形电极的形状11。四个弧形电极平均分布于第四绝缘层内圆柱面的四个象限，且每个电极的轴向长度相等，圆心角均为60°，径向刻蚀深度为10 m。刻蚀结束后采用气相沉积工艺在第四绝缘层内圆柱面沉积一层铜膜，厚度以覆盖住光刻所得的弧形电极为宜，沉积结束后采用化学机械抛光方法对第四绝缘层内圆柱面进行打磨抛光，去除第四绝缘层上除弧形电极位置之外部位的铜膜以保证柱面固定电极的完整性，同时也能获得很高表面质量的弧形电极。至此完成柱面固定电极的制作过程。将制作的主轴旋转电极I和柱面固定电极2同轴安装可获得完整的柱面电容传感器，主轴旋转电极I和柱面固定电极2配合间隙为100 500 。上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他的不同于本描述的方式来实现，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例限制。其次，本发明结合示意图进行详细描述，在阐述本发明实施例时，为了便于说明，表示的器件只绘制了示意图，在此不应限制本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于MEMS加工工艺的柱面电容传感器，由主轴旋转电极和同轴安装在主轴旋转电极外的柱面固定电极构成；其特征在于主轴旋转电极(I):是在主轴(3)外圆柱面向外依次包覆有第一绝缘层(4)、主轴铜电极(5)和第二绝缘层(6);柱面固定电极(2):是在电极基座(7)内圆柱孔向内依次包覆有第三绝缘层(8)、等电位保护环(9)、第四绝缘层(10)和四个等距嵌在第四绝缘层(10)内圈的四个弧形电极(11);四个弧形电极(11)的轴向长度相等，圆心角均为60°。
2.根据权利要求I所述的一种基于MEMS加工工艺的柱面电容传感器，其特征在于所述的主轴(3)与电极基座(7)材料金属或者非金属。
3.根据权利要求I所述的一种基于MEMS加工工艺的柱面电容传感器，其特征在于所述的主轴(3)圆柱面上气相沉积的第一绝缘层(4)和第二绝缘层(6)厚度均为10 P ，主轴铜电极(5)厚度为 ο m ;电极基座(7)内圆柱面气相沉积的第三绝缘层(8)厚度为10 ―，等电位保护环(9)厚度为10 _，第四绝缘层(10)厚度为20 主轴铜电极厚度为10 ,。
4.根据权利要求I所述的的一种基于MEMS加工工艺的柱面电容传感器,其特征在于 所述的主轴旋转电极轴向长度大于柱面固定电极的轴向长度。
全文摘要
本发明公开了一种基于MEMS加工工艺的柱面电容传感器。由主轴旋转电极和同轴安装在主轴旋转电极外的柱面固定电极构成；其中主轴旋转电极是在主轴外圆柱面向外依次包覆有第一绝缘层、主轴铜电极和第二绝缘层；柱面固定电极是在电极基座内圆柱孔向内依次包覆有第三绝缘层、等电位保护环、第四绝缘层和四个等距嵌在第四绝缘层内圈的四个弧形电极。本发明采用MEMS加工工艺，能将电极加工得很薄，不仅可以克服主要常规方法制造柱面电容传感器时存在的复杂加工、装配工艺，缩小传感器的体积，而且还能抑制传感器的边缘效应，适合于高精度主轴回转误差监测。该工艺易于实现柱面电容传感器的小型化制作，同时易于实现传感器的批量化制作。
文档编号G01B7/312GK102607394SQ201210081249
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月26日 优先权日2012年3月26日
发明者卢科青, 文耀华, 王文, 相奎, 陈子辰 申请人:浙江大学