專利名稱：多自由度電容位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量裝置，更具體地說(shuō)是電容式位移傳感器。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度位移測(cè)量和非接觸測(cè)量的需求越來(lái)越多，電容測(cè)微技術(shù)的應(yīng)用面也越來(lái)越寬。隨著電容傳感器存在的分布電容、非線性等缺點(diǎn)得到克服，高精度、高穩(wěn)定性的電容測(cè)微產(chǎn)品相繼問(wèn)世。高精度電容測(cè)微儀可實(shí)現(xiàn)的分辨率極高，且具有較好的頻響特性，因此近年來(lái)成為高精度微動(dòng)平臺(tái)反饋控制的幾種主要檢測(cè)傳感器之一。
目前已有的電容位移傳感器主要有如下兩大類1、差動(dòng)式變極距型電容器傳感器結(jié)構(gòu)原理如

圖1所示，在圖1中，位于中央的雙面極板1為動(dòng)極板，與移動(dòng)件相連接，位于兩側(cè)的單面極板1和單面極板3為固定極板，與固定基座相連，單面極板1和單面極板3之間的相對(duì)位置固定不變。測(cè)量時(shí)，用于被測(cè)量瞄準(zhǔn)的移動(dòng)件帶動(dòng)雙面極板1縱向移動(dòng)Δd，引起各對(duì)極板間的距離的同步變化，變化后的雙面極板1與單面極板3和單面極板2之間的間隙分別為d1＝d0±Δd，d2＝d0±Δd，其中，d0為初始極距。設(shè)C0為電容初始值。C1和C2形成差動(dòng)電容，將差動(dòng)電容分別接于電橋的相鄰兩臂，電容變化量ΔC可寫(xiě)為ΔC=C1-C2=ΔC1+ΔC2=2C0Δdd0---(1)]]>2、差動(dòng)式變面積型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，與上述變極距型電容傳感器類似，移動(dòng)極板4與移動(dòng)件相連接，固定極板5和固定極板6與固定基座相連，其中，固定極板5和定極板6之間的相對(duì)位置固定不變。測(cè)量時(shí)，瞄準(zhǔn)被測(cè)量的移動(dòng)件帶動(dòng)移動(dòng)極板4水平方向移動(dòng)，引起相鄰兩極板間有效覆蓋面積的同步改變，從而得到電容的改變。C1和C2形成差動(dòng)電容，將差動(dòng)電容分別接于電橋的相鄰兩臂，電容變化量ΔC可寫(xiě)為ΔC=C1-C2=ϵb0(L0+ΔL)d0-ϵb0(L0-ΔL)d0=2ϵb0d0ΔL---(2)]]>式中，b0為極板有效覆蓋面積的寬度，L0為極板有效覆蓋面積的原始長(zhǎng)度，ΔL為移動(dòng)極板4水平移動(dòng)距離，d0為極距。ε為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。
不難看出，在上述測(cè)量方式中，被檢測(cè)量只是一維的，如果將它應(yīng)用于多自由度微動(dòng)工作臺(tái)中，則需要多個(gè)電容傳感器，這不僅在成本上非常高，在體積上也難以微型化，并且無(wú)法測(cè)量工作臺(tái)的真正的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種能用于測(cè)量多自由度位移的尤其是應(yīng)用在多自由度微動(dòng)工作臺(tái)中的電容位移傳感器。
本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明由動(dòng)極板、A定極板和B定極板構(gòu)成，動(dòng)極板位于中央，為雙面極板；A定極板和B定極板分別位于動(dòng)極板的兩側(cè)，為單面極板；所述A定極板和B定極板上的電極面分別與動(dòng)極板對(duì)應(yīng)面上的電極面構(gòu)成電容。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是所述動(dòng)極板和A定極板、B定極板的每一電極面均為獨(dú)立設(shè)置的四塊板電極，各塊板電極形狀相同、大小相等，在所述動(dòng)極板、A定極板和B定極板的每一電極面上的四塊板電極的位置分布為以極板的中心為中心，呈“十”字分布，四塊板電極的中心與極板中心等距，A定極板和B定極板上的各塊板電極與其極板間具有等中心距M，動(dòng)極板上各塊板電極與其極板間具有等中心距N，其中，中心距M大于或小于中心距N。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在1、與已有技術(shù)相比，本發(fā)明同樣是由一塊動(dòng)極板和兩塊定極板構(gòu)成，但在本發(fā)明中，動(dòng)極板以其雙面共八塊板電極與A定極板上的四塊板電極，以及B定極板上的四塊板電極共組成八組電容，對(duì)于動(dòng)極板不同自由度上的位置變化，八組電容分別形成不同的變化，并總能在兩組間形成差動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多自由度的測(cè)量。
2、本發(fā)明應(yīng)用于多自由度工作臺(tái)不僅降低成本，而且能實(shí)現(xiàn)微型化。
圖面說(shuō)明圖1為已有技術(shù)中差動(dòng)式變極距型電容傳感器原理示意圖。
圖2為已有技術(shù)中差動(dòng)式變面積型電容傳感器原理示意圖。
圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4(a)圖4(b)和圖4(c)為本發(fā)明板電極在各極板上的分布圖。
圖5為本發(fā)明動(dòng)極板與定極板上板電極相對(duì)位置示意圖。
圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)和圖6(d)為本發(fā)明各自由度變化示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)1-雙面極板、2-單面極板、3-單面極板、4-移動(dòng)極板、5-固定極板、6-固定極板、7-動(dòng)極板、8-A定極板、9-B定極板、10-屏蔽層。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖3，本實(shí)施例由動(dòng)極板7、A定極板8和B定極板9構(gòu)成，動(dòng)極板7位于中央，為雙面極板；A定極板8和B定極板9分別位于動(dòng)極板7的兩側(cè)，并在相對(duì)于動(dòng)極板7的一側(cè)為單面極板；A定極板8和B定極板9上的電極面分別與動(dòng)極板7對(duì)應(yīng)面上的電極面構(gòu)成電容。
參見(jiàn)圖4，本實(shí)施例中，在動(dòng)極板7、A定極板8、B定極板9的每一電極面均為獨(dú)立設(shè)置的四塊板電極，其中，如圖4(a)所示，A定極板8中的四塊板電極分別標(biāo)注為8a、8b、8c和8d；如圖4(b)所示，動(dòng)極板7中的四塊板電極分別標(biāo)注為7a、7b、7c和7d；如圖4(c)所示，B定極板9中的四塊板電極分別標(biāo)注為9a、9b、9c和9d。
具體實(shí)施中，各塊板電極形狀相同、大小相等，每一電極面上的四塊板電極在極板上的位置分布為以極板的中心為中心，呈“十”字分布，四塊板電極的中心與極板中心等距。具體實(shí)施中，應(yīng)在各塊板電極的四周布置屏蔽層10，并將屏蔽層10接地，這樣可以有效地消除或減小邊緣效應(yīng)。
參見(jiàn)圖5，本實(shí)施例中，若設(shè)定A定極板8和B定極板9上的各塊板電極與其極板間具有的等中心距為M，動(dòng)極板7上各塊板電極與其極板間具有的等中心距為N，則中心距M必須大于或小于中心距N。
將本發(fā)明應(yīng)用于微動(dòng)工作臺(tái)時(shí)，動(dòng)極板7與微動(dòng)工作臺(tái)的臺(tái)面相聯(lián)，A定極板8和B定極板9分別與作為基座的工作臺(tái)固定框相聯(lián)。
在圖6中，與微動(dòng)工作臺(tái)相連的動(dòng)極板7可以實(shí)現(xiàn)五個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的電容位移傳感的原理分別是圖6(a)所示，通過(guò)動(dòng)極板7的水平移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)x、y向運(yùn)動(dòng)的測(cè)量，此時(shí)的電容傳感器為變面積型；圖6(b)所示，通過(guò)動(dòng)極板7的縱向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)z向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的電容傳感器為變極距型；圖6(c)所示，當(dāng)動(dòng)極板7繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)α角轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的電容傳感器為變極距型；圖6(d)所示，當(dāng)動(dòng)極板7繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)β角轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的電容傳感器為也為變極距型。
權(quán)利要求
1.多自由度電容位移傳感器，由動(dòng)極板(7)、A定極板(8)和B定極板(9)構(gòu)成，動(dòng)極板(7)位于中央，為雙面極板；A定極板(8)和B定極板(9)分別位于動(dòng)極板(7)的兩側(cè)，為單面極板；所述A定極板(8)和B定極板(9)上的電極面分別與動(dòng)極板(7)對(duì)應(yīng)面上的電極面構(gòu)成電容；其特征是所述動(dòng)極板(7)和A定極板(8)、B定極板(9)的每一電極面均為獨(dú)立設(shè)置的四塊板電極，各塊板電極形狀相同、大小相等，在所述動(dòng)極板(7)、A定極板(8)和B定極板(9)的每一電極面上的四塊板電極的位置分布為以極板的中心為中心，呈“十”字分布，四塊板電極的中心與極板中心等距，A定極板(8)和B定極板(9)上的各塊板電極與其極板間具有等中心距M，動(dòng)極板(7)上各塊板電極與其極板間具有等中心距N，其中，中心距M大于或小于中心距N。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多自由度電容位移傳感器，其特征是在所述各塊板電極的四周為屏蔽層(10)。
全文摘要
多自由度電容位移傳感器，由動(dòng)極板和定極板構(gòu)成，動(dòng)極板位于中央，為雙面極板；兩只定極板分別位于動(dòng)極板的兩側(cè)，并在相對(duì)于動(dòng)極板的一側(cè)為單面極板；其特征是動(dòng)極板和兩只定極板的每一電極面均為獨(dú)立設(shè)置的四塊板電極，各塊板電極形狀相同、大小相等，在動(dòng)極板和兩只定極板的每一電極面上的四塊板電極的位置分布為以極板的中心為中心呈“十”字分布，四塊板電極的中心與極板中心等距，A定極板和B定極板上的各塊板電極與其極板間具有等中心距M，動(dòng)極板上各塊板電極與其極板間具有等中心距N，其中，中心距M大于或小于中心距N。本發(fā)明應(yīng)用在多自由度微動(dòng)工作臺(tái)中，可獲得多自由度微動(dòng)信息。
文檔編號(hào)G01D5/24GK1651853SQ20041004132
公開(kāi)日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2004年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月5日
發(fā)明者余曉芬, 俞建衛(wèi), 王永紅, 黃其圣, 杜向陽(yáng) 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)