一种差动式变极距垂直电极型电容传感器的制作方法

本发明属于仪表与传感器技术领域，涉及一种电容传感器，特别涉及一种差动式变极距垂直电极型电容传感器。

背景技术：

由于具有结构简单、动态特性好、能实现非接触式测量等优点，变极距型电容传感器被广泛应用于超精密加工、高精度定位与超精密测量等领域；如用于测量位移、力、压力与速度等参量。现有变极距型电容传感器普遍采用平行电极板式电容传感器，其电容变化的灵敏度受位移变化影响较大，电容输出量具有严重的非线性。基于电容边缘效应的变极距垂直电极型电容传感器，其灵敏度相比于传统的平行电极式电容传感器受电极间距影响更小，然而变极距垂直电极型电容传感器存在着严重的非线性，且受噪声干扰较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于，克服现有变极距型电容传感器存在的问题，设计一种差动式变极距垂直电极型电容传感器，以提高变极距型电容传感器的灵敏度、线性度和抗干扰能力。

为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种差动式变极距垂直电极型电容传感器，至少包括一对感应电容的静电极1与一个感应电容的动电极2。

一对感应电容的静电极1关于感应电容的动电极2垂直对称分布且分别与感应电容的动电极2保留有一定初始间隙；感应电容的动电极2沿感应电容的静电极1方向改变微小位移时，感应电容的动电极2与一对感应电容的静电极1的极距变化分别为：一个极距增大，另一个极距减小，从而形成差动式结构变极距垂直电极型电容器。

感应电容的静电极1由多个金属片3并联组成，多个金属片3之间充满绝缘介质4且通过金属连接。

本发明的有益效果是：

本发明一种差动式变极距垂直电极型电容传感器，一个感应电容的静电极1与感应电容的动电极2的零点电容值与噪声电容值分别为c0与cc，感应电容的动电极2沿感应电容的静电极1方向移动时，其中一个感应电容的静电极1与感应电容的动电极2极距改变δh，则另一个感应电容的静电极1与感应电容的动电极2极距改变-δh，对应的电容量分别为c1与c2，对应的电容量分别为-δc1与δc2，以电容量差值c1-c2作为输出信号，则电容的改变量为(c0+cc-δc1)-(c0+cc+δc2)即(-δc1-δc2)，从而采用差动式结构垂直电极型传感器的灵敏度提高约一倍，同时减小了由静电引力与温度等带来的噪声电容cc，提高了抗干扰能力，此外采用差动式结构垂直电极型传感器大大提高了电容传感器的线性度。

附图说明

图1差动式垂直电极型电容传感器原理图。

图2差动式垂直电极型电容传感器多电极并联示意图。

附图中：1-感应电容的静电极；2-感应电容的动电极；3-金属片；4-绝缘介质；5-磁力线。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

如附图1所示，本发明揭示了一种差动式变极距垂直电极型电容传感器，由一对感应电容的静电极1与一个感应电容的动电极2组成差动式结构垂直电极型电容器。

并且，本发明采用垂直电极间的电容作为检测信号，判断出电极间变化的位移。其中，根据电磁学原理，当一个很薄的极板和另一个极板垂直放置且保持一定间隙时，若在两极板间加载电压，则两极之间将形成一个电场，称为边缘场，这种现象称为边缘效应，产生的电容称为边缘电容。根据镜像原理及复变函数理论，可建立极板间距和极板间电容之间的数学关系：

其中，h为两极间距离；h为垂直电极的高度；w为垂直电极的宽度；ε为封装电极片基介电常数。

由上式可知，当极板初始间距h0改变δh时，电容改变量δc11，即有：

当极板初始间隙很小时，对其按泰勒公式展开：

即，可以用进行线性拟合，δc11与δh近似成线性关系，其灵敏度k11为：

相对非线性误差δ11为：

进一步的，在发明人独到的思考和实践中发现，采用差动式结构垂直电极电容器，即一对感应电容的静电极1关于感应电容的动电极2垂直对称分布且分别与感应电容的动电极2保留有一定初始间隙，以电容量差值c1-c2作为输出信号可以提高电容传感器灵敏度以及大大提高线性度。其中，c1为其中一对垂直电极电容器电容量，c2为另一对垂直电极电容器电容量，则有：

其中h0、c0与cc分别为一个感应电容的静电极1与感应电容的动电极2的极板初始间隙、零点电容值与噪声电容值；δh为感应电容的动电极2沿感应电容的静电极1方向改变的位移；-δc1为一个感应电容的静电极1与感应电容的动电极2改变的电容量，δc2为另一个感应电容的静电极1与感应电容的动电极2改变的电容量。

δc22＝c1-c2为输出，δh为输入则有：

即，可用进行线性拟合，δc22与δh近似成线性关系，其灵敏度k22为：

相对非线性误差δ22为：

将差动式变极距垂直电极型电容传感器与变极距垂直电极型电容传感器相比较可知，采用差动式结构后，灵敏度由提高一倍到相对非线性误差由减小一个量级到同时还消除了零点电容值c0项，以及减小了噪声电容cc。

更进一步的，在发明人独到的思考和实践中发现，如附图2，感应电容的静电极1可由多个金属片3并联组成，多个金属片3之间可充满绝缘介质4且通过金属连接，则灵敏度k33满足：

n为并联金属片的个数，ε`为绝缘介质的介电常数。

即，静电极1由多个感应电容的金属片3并联组成后，差动式变极距垂直电极型电容传感器的灵敏度约为原来的n倍。

本发明差动式变极距垂直电极型电容传感器,感应电容的动电极2为金属，如钢或铝等。

本发明差动式变极距垂直电极型电容传感器,感应电容的静电极1的组成部分金属片3为铜或银；金属片3之间充满的介质为陶瓷或绝缘树脂。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中，这里所披露的实施例的变形和改变是可能的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。凡是依据本发明的技术方案进行其它修改、润饰和等同变化，而不脱离本发明技术方案的思想和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。