CN100425943C - 基于电容的位置传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于与可动系统结合使用的位置传感器160、162、210、260，所述系统具有一对配置成在一定运行范围内沿轴向彼此相对运动的物体106、120。位置传感器包括固定到物体之一上的第一板178、180、222、226、266、268和固定到物体的另一个上的一对第二板166、168、172、174、214、216、220、262、264。第二板彼此邻近而共面。这样配置第一板和第二板、使得当物体沿轴向相对运动时第二板与第一板分隔一定距离并平行。这样配置第一板和第二板、使得它们形成两个可变的隔板式电容器192、194、240、242、244、246，其电容量随物体沿轴向在运行范围内的相对运动而变化。位置传感器配置成利用所述电容量产生可以用来确定物体沿轴向的相对位置的输出信号。

Description

基于电容的位置传感器
技术领域
本发明涉及基于电容的位置传感器，所述传感器配置成产生随一对可移动物体的相对位置而变化的输出电容。
背景技术
利用电容来测量两个物体之间的相对位置是众所周知的。一种检测位置的方法包括把两个导电板固定在相对运动的物体上。把所述导电板通常这样固定到物体、使得它们彼此重叠和相互平行并且由间隙隔开。所述两片导电板和夹在中间的电介质(如空气)一起产生电容，所述电容量部分依赖于所述导电板彼此重叠的程度。当物体移动时，重叠量变化，导致电容量的相应变化。根据电容量的变化来确定物体之间的相对运动量。
以上方法的一个困难是各种各样的因素可能影响给定的电容变化。假设直线x-y-z坐标系具有一对导电板平行于x-y平面，电容量的变化将起因于发生在所述导电板之间的沿所有三个坐标轴的相对平移。然而，很多位置测定系统，包括上述的简单系统，不能够把发生在一个轴向的运动产生的电容变化与另一个轴向的运动引起的电容变化区分开来。
上述问题特别涉及到某些类型的微机电系统(MEMS：microelectro-mechanical systems)，例如非常小的计算机存储装置。一些这类存储装置包括设计成在x-y平面内相对于相关联的读/写装置运动的存储介质。为了对介质准确地存取和写入数据，必须知道存储介质和读/写装置之间准确的相对位置。通常用于这类装置的静电驱动机构或者其它驱动机构有效地产生x-y运动，然而它们有时候偶然产生z轴方向的运动。在这类偶然的z轴运动情形下，因以上解释过的原因，上述传统的电容位置传感系统可能产生错误的位置读出。与其它情形一起，这可能造成读出错误的数据，或者，意外地盖写现有的数据。
已有的基于电容的位置传感器的另一个问题是有限的灵敏度。特别是在微存储装置和其它MEMS系统中，要求采用的位置传感器随给定的位置变化产生明显变化的输出。在一些存储装置中，对位置的测量必须精确到几分之一毫微米。许多已有的传感器完全不足以灵敏到足以提供适合于确定如此精细的位置分辨率的输出。
发明内容
本发明的目的是提供灵敏到足以提供适合于确定如此精细的位置分辨率的输出的传感器以及使用该传感器的可动系统。
本发明首先提供了一种用于基于电容进行位置检测的可动系统，它包括：一对物体；一个微致动器，它配置成实现所述物体之间沿一个轴相对运动的运行范围；以及一个基于电容的位置传感器，它包括：固定到所述物体之一上的第一板；以及固定到所述物体的另一个上的一对第二板，所述一对第二板相邻而且共面，并且当所述物体彼此沿所述轴相对运动时，所述第二板与所述第一板隔开并且平行，所述第二板与所述第一板重叠；其中，所述第一板和第二板的配置同时形成两个隔板式电容器，其电容量随所述物体沿所述轴在运行范围内的彼此相对运动而相反地变化，其中所述基于电容的位置传感器使用所述电容量来产生用于确定所述物体沿所述轴的相对位置的输出；其中所述基于电容的位置传感器被配置为使得所述输出与在所述第一板和第二板之间发生的垂直间隔的变化无关。
本发明还提供了一种用于基于电容进行位置检测的可动系统，它包括：一对物体；一个微致动器，它配置成实现所述物体之间沿一个轴相对运动的运行范围；以及一个基于电容的位置传感器，它包括：固定到所述物体之一的第一板；以及固定到所述物体中的另一个上的一对第二板，所述一对第二板相邻而且共面，并且当所述物体彼此沿所述轴相对运动时，所述第二板与所述第一板隔开并且平行，所述第二板与所述第一板重叠；其中，所述第一板和第二板的配置同时形成两个隔板式电容器，其电容量随所述物体沿所述轴在运行范围内的彼此相对运动而相反地变化，其中所述基于电容的位置传感器使用所述电容量来产生用于确定所述物体沿所述轴的相对位置的输出；其中所述电容形成一个电容量测量电路的一部分，所述电容量测量电路具有输入-输出传递函数，所述输入-输出传递函数与作为所述一对物体彼此相对运动的结果而在所述第一板和所述第二板之间发生的垂直间隔变化无关。
本发明还提供了一种传感器，它基于一对物体之间沿一个轴的相对位置的变化而输出变化的电容量，所述传感器包括：固定到所述物体之一上的第一板；以及固定到所述物体中另一个上的一对第二板，所述一对第二板相邻而且共面，并且当所述物体沿所述轴彼此相对运动时，所述第二板与所述第一板隔开并且平行，所述第二板与所述第一板重叠；其中所述第一板和第二板的配置同时形成两个隔板式电容器，其电容量随所述物体沿所述轴彼此相对运动而变化，其中所述传感器使用所述电容量来产生用于确定所述物体沿所述轴的相对位置的输出；其中所述传感器被配置为使得所述输出与在所述第一板和第二板之间发生的垂直间隔的变化无关。
本发明还提供了一种传感器，它基于一对物体之间沿一个轴的相对位置变化而输出变化的电容量，所述传感器包括：固定到所述物体之一上的第一板；以及固定到所述物体中另一个上的一对第二板，所述一对第二板相邻而且共面，并且当所述物体沿所述轴彼此相对运动时，所述第二板与所述第一板隔开并且平行，所述第二板与所述第一板重叠；其中所述第一板和第二板的配置同时形成两个隔板式电容器，其电容量随所述物体沿所述轴彼此相对运动而变化，其中所述传感器使用所述电容量来产生用于确定所述物体沿所述轴的相对位置的输出；其中所述电容形成一个电容量测量电路的一部分，所述电容量测量电路具有输入-输出传递函数，所述输入-输出传递函数与作为所述一对物体彼此相对运动的结果而在所述第一板和所述第二板之间发生的垂直间隔变化无关。
本发明还提供了一种用于基于电容进行位置检测的可动系统，它包括：一对物体；一个微致动器，它配置成实现所述物体之间沿在一个平面中的多个轴相对运动；以及一个基于电容的位置传感器，它包括：固定到所述物体之一上的第一板；以及固定到所述物体的另一个上的一对第二板，所述一对第二板相邻而且共面，并且当所述物体在所述平面中彼此相对运动时，所述第二板与所述第一板隔开并且平行，所述第二板与所述第一板重叠；其中，所述第一板和第二板的配置同时形成两个隔板式电容器，其电容量随所述物体在所述平面中彼此相对运动而相反地变化，其中所述基于电容的位置传感器使用所述电容量来产生用于确定所述物体在所述平面中的相对位置的输出；其中所述基于电容的位置传感器被配置为使得所述输出与在所述第一板和每个第二板之间发生的垂直间隔的变化无关。
本发明还提供了一种用于基于电容进行位置检测的可动系统，它包括：一对物体；一个微致动器，它配置成实现所述物体之间沿多个轴相对运动的运行范围；以及一个基于电容的位置传感器，它包括：固定到所述物体之一上的第一板；以及固定到所述物体的另一个上的一对第二板，所述一对第二板相邻而且共面，并且当所述物体沿所述多个轴彼此相对运动时，所述第二板与所述第一板隔开并且平行，所述第二板与所述第一板重叠；其中，所述第一板和第二板的配置同时形成两个隔板式电容器，其电容量随所述物体沿所述多个轴在运行范围内的彼此相对运动而变化，其中所述基于电容的位置传感器使用所述电容量来产生用于确定所述物体沿所述多个轴的相对位置的输出。
附图说明
图1-3示出计算机存储装置的不同透视图，所述装置包括根据本发明一个实施例的基于电容的位置传感器。
图4是根据本发明的基于电容的位置传感器的示意的顶视图。
图5-7是描述图4的位置传感器的各部分的侧视图，其中所述位置传感器固定在沿x轴向一定范围彼此相对运动的一对物体上。
图8描绘与图4-7所示位置传感器有关的电路模型。
图9是根据本发明的另一个基于电容的位置传感器的示意的顶视图。
图10-12是描绘图9的位置传感器的各部分的侧视图，其中所述位置传感器固定在沿x轴向一定范围彼此相对运动的一对物体上。
图13描绘与图9所示位置传感器有关的电路模型。
图14是根据本发明的再一个位置传感器的等距描绘。
图15是描绘图14的位置传感器的各部分的侧视图，其中所述位置传感器固定在沿x轴一定范围彼此相对运动的一对物体上。
图16是说明随图14和15的位置传感器的x轴向位移而变的电容输出的波形图。
具体实施方式
本发明针对一种基于电容的位置传感器。本文中描述的位置传感器实施例可以用于各式各样的装置，然而已经被证明特别适合于用于非常小的计算机存储装置以及其它MEMS系统。只是为了具体说明的目的，以下主要在高密度MEMS计算机存储装置中讨论所述的位置传感器实施例。
图1和图2分别示出存储装置100的侧视和顶视横截面图，其中可以采用根据本发明的位置传感器。存储装置100包括：许多场致发射极(field emitter)，如102和104；具有许多例如108的存储区的存储介质106；以及微致动器110，它相对于场致发射极扫描(移动)存储介质106或者相反。存储装置100可以配置成每个存储区负责存储1位或者多位信息。
场致发射极可以配置成具有非常尖锐的尖端的尖端发射极。例如，每个场致发射极可以具有约1到数百毫微米的曲率半径。在运行时，在场致发射极及其对应栅极，例如发射极102和环绕发射极102的圆形栅极103之间，加上预先选定的电位差。由于发射极的尖锐的尖端的缘故，电子束电流被从发射极抽出并高精度地射向存储区。可以根据发射极和存储介质106之间的距离、发射极类型、以及所要求的斑点尺寸(位尺寸)，来要求电子光学系统聚焦电子束。也可以对存储介质106施加电压来或者加速(或减速)场致发射电子、或者帮助聚焦场致发射电子。
外壳120通常适合于把存储介质106保持在局部真空(如至少10-5乇)中。研究者们已经采用半导体处理技术在真空腔中制作出了精细加工的场致发射极。参见，如“Silicon Field Emission Transistorsand Diodes，”by Jones，published in IEEE Transactions onComponents，Hybrids and Manufacturing Technology，15，page 1051，1992。
每个场致发射极可以对应于存储介质106上建立的一个或多个存储区。如果每个场致发射极负责多个存储区，则存储装置100通常适合于在外壳120(亦即，场致发射极)和存储介质106之间扫描或者以其它形式实现相对运动。例如，微致动器110通常适合于对介质106的不同位置进行扫描、使得每个场致发射极定位在不同的存储区上。采用这样的结构，微致动器110可以用来扫描存储介质之上的场致发射极(通常是两维)阵列。因为存储介质106相对于外壳120运动，通常称它为“动子(mover)”。相对应的，外壳120以及相对于外壳固定的各种其它部件(例如场致发射极)通常称为“定子(stator)”。
场致发射极通常适合于通过它们产生的电子束在存储区读取和写入信息。因此，适用于存储装置100的场致发射极必须产生足够细的电子束以便在存储介质106上获得要求的位密度。而且，场致发射极必须提供具有足够的功率密度的电子束以便进行所需的读/写操作。可以用多种方法制作这种场致发射极。例如，一种方法公开在“Physical Properties of Thin-Film Field Emission CathodesWith Molybdenum Cones，”by Spindt et al，published in the Journalof Applied Physics，Vol.47，No.12，December 1976。另一种方法公开在“Fabrication and Characteristics of Si Field EmitterArrays，”by Betsui，published in Tech.Digest 4th Int.VacuumMicroelectronics Conf.，Nagahama，Japan，Page 26，1991。这类发射极已成功地用在不同的应用中，如平板显示器。
可以以两维阵列(例如100×100的发射极)的形式提供场致发射极，所述阵列在x和y方向发射极间距都是50微米。每个发射极可以存取数万到数亿的存储区。例如，发射极可以在具有两维存储区阵列的存储介质上扫描(即相对运动)，其中相邻存储区之间的间隔周期在任何地方都是从几分之一毫微米到100或100以上毫微米，而微致动器的运行范围在x和y方向都是50微米。场致发射极也可以以同步或者多路复用方式寻址。并行寻址方案可以给存储装置100提供存取时间和数据速率方面明显的性能改善。
图3是存储介质106的典型的顶视图，描述了存储区的两维阵列和场致发射极的两维阵列。(未标示出的)外部电路用于寻址存储区。如图所示，经常要把存储区分段成行，例如行104，其中每行包含一定数量的存储区，例如存储区108。通常，每个发射极负责一定数量的行，但不负责整个长度的这些行。例如，如图所示，发射极102负责行140到142、以及列144到146之内的存储区。
以上说明典型的存储装置，其中可以使用根据本发明的位置传感器。这类存储装置的其它方面公开在授予Gibson等的美国专利5557596，所述专利的公开内容通过这种引用而被包括在本文中。
为了在要求的存储区进行精确的读写操作，通常需要采用与微致动器110的运行有关的精密的位置检测和控制。因而，存储装置100可以配置有根据本发明的基于电容的位置传感器。一个这类位置传感器在图1中总的以160表示。传感器160输出一个或多个电容量，这些值随动子106和定子120的相对位置而变化。
下面将参考图4-16说明位置传感器的不同的实施例和方面。类似于图1和2，这些图中的若干幅图具有表示所描述的主题在直线x-y-z坐标系中的方位的随附图例。包含这些图例只为了说明上的清晰，而无意限制本发明的范围。例如，存储介质106主要在如图1和2所示的x-y平面运动。因而，当即将说明的位置传感器用于存储装置100时，它们通常被设计成检测存储介质在x-y平面上的位置。然而，应当指出，位置传感器可以用于检测许多不同的所需的方向上的运动，包括如图1和2中所示的任意定义的x-y平面之外的其它平面。
图4-8说明根据本发明的位置传感器162的不同的方面。如图4-7中看到的，传感器162可以包括若干各自具有一块或者多块板的板组件，这些板组件包括：M1板组件164，它具有M1板166和168；M2板组件170，它具有M2板172和174；以及S1板组件176，它具有S1板178和180。
M1和M2板组件可以紧固到存储介质106(图1和2)上，并且因为在所述例子中存储介质106和M1及M2板可以相对于外壳120移动，所以用字母“M”表示。通常，如图4所示，所有M1板是电互连的，并且所有M2板电互连。在相邻的M1和M2板之间设置绝缘间隙182，使得M1和M2板组件之间彼此绝缘。
S1板组件176及其板件用字母“S”表示，因为它们通常相对于外壳120静止不动。如图所示，S1板178和180通常电互连。所述板的电气互连及特性将在下面详细说明。
如图5-7最清楚地看到的，M1板166和168可固定到存储介质106(即动子)的下侧。更具体地说，如图5-7所示，M1板可以固定到设置在存储介质边缘侧的一个或多个耦合块上。在如图所示的存储装置中，有两组耦合块。X轴耦合块106a和106b沿着存储介质106的上侧和下侧在x方向伸展，而y轴耦合块106c和106d沿着存储介质106的左侧和右侧在y方向伸展。当存储介质沿x轴移动时x轴耦合块106a和106b随之一起移动，但存储介质沿y轴移动时不随之一起移动。换句话说，耦合块106a和106b相对于存储介质106固定是为了x轴方向的运动，而独立于存储介质106是为了y轴方向的运动。y轴耦合块106c和106d以类似但相反的方式工作：它们相对于存储介质106固定是为了y轴运动，而独立于存储介质106是为了x轴方向的运动。这类耦合块的使用说明在U.S.PatentApplication Serial No.09/867667，filed May 31，2001 of PeterG.Hartwell and Donald J.Fasen for a“Flexure Coupling Blockfor Motion Sensor，”以及在U.S.Patent Application Serial No.09/867666，filed May 31，2001 of Peter G.Hartwell and DonaldJ.Fasen for a“Three-Axis Motion Sensor，”这些专利申请的公开内容通过这种引用而被包括在本文中。因此，在此将不对所述耦合块作进一步说明。
本专业的技术人员会意识到，M1和M2板组件的位置传感器162可以直接固定在存储介质体106上，而不是通过耦合块固定在那里。通常S1板紧固到或者安装在外壳120(即定子)上，使得它们面对M1和M2板。
如图5-7最清楚地看到的，通常M1、M2和S1板具有相对于动子106和定子120来说非常薄的平面结构。可以采用半导体制造技术或者其它合适的制造方法，把这些板淀积在动子和定子上，或者用其他方式固定到那些位置。如上所述，通常M1和M2板组件固定到存储介质106，使得M1和M2板组件彼此相邻、共面并由绝缘间隙182隔开。每块M1板除了与M2板共面外，通常还与所有其它M1板共面。例如，图4中，所有4块M1和M2板共面，这样它们共同形成一个具有分隔间隙(如绝缘间隙182)的扩展的平面。如图5-7将看到的，所述扩展平面向下面对S1板和定子120。通常，所有S1板也彼此共面。
动子106和定子120通常是彼此相对运动的，因此它们只可以直线平移(非旋转意义的)运动。因此，当动子106相对于定子120运动时，S1板178和180保持平行于M1板166和168以及M2板172和174。当动子和定子之间发生z轴方向的运动时，S1板和包含M1与M2板的平面之间的垂直间隙会变化，但是通常S1板保持对M1和M2板平行。
图5-7描绘可能发生在动子106和定子120之间的x轴方向的相对运动。图5描绘动子106处在其x轴方向运动范围的一个端点；图7描绘动子处在相反的另一端点；而图6描绘动子处在中间位置。如这些图中所见，在S1板178和M1板166之间以及在S1板178和M2板172之间产生的重叠随着动子在x轴方向运动范围内的端点之间的运动而变化。“重叠”指的是指定的一对相对的板的重叠区域。例如，图4描述M1和M2板，它们相对于动子106固定，处于相对于S1板的中间位置(即：在运动范围端点之间的某个位置)，类似于图6所示的中间位置。此时，M1板166与S1板178的重叠量为xpo(x轴方向的重叠量)乘W(M1板的y轴方向宽度)。根据图4-7，应当指出，所述重叠随板之间发生的x轴向相对位移而变化，所述x轴向相对位移又是动子106和定子120之间发生的x轴向相对运动的结果。
在S1板和M1与M2板之间的空间充满电介质，如空气，因此本专业的技术人员会看到在不同的板之间形成电容。这些电容随动子106相对于定子120的运动而变化。
图8描述由图4-7所示不同的板形成的电容，如电容测量电路190所包含的那样。电路190包括第一可变电容192，它由M1板组件(M1板166和168)和S1板组件(S1板178和180)形成。随着动子106在x正方向相对于定子120从图5所示位置向图7所示位置的移动，如可变电容192的电路符号中的箭头所示，可变电容192的电容量增加。电容增加是因为M1板和S1板之间重叠区域的增加。电路190还包括第二可变电容194，它由M2板组件(M2板172和174)和S1板组件(S1板178和180)形成。向下的箭头表示可变电容194的电容量随着动子106在x正方向在x轴向运动范围相对于定子120从图5所示位置向图7所示位置的移动而减小。电容减小是M1板和S1板之间的重叠区域在动子于所述运动范围内移动时减小。
如图4和8所见，电容测量电路还可以包括信号源或者向所述板施加时变信号的源。施加这些输入信号是为了产生基于板间电容的可测的输出信号。在所述实施例中，正弦载波200加到M1板组件(M1板166和168)。反向载波202加到M2板组件170(M2板172和174)。如果采用正弦输入信号，通常通过将第一信号移相180度来产生所述反向信号。施加这些时变信号在电路节点204产生输出信号，可以测量所述输出信号以便确定可变电容192和194的电容量。如图8所见，测量输出信号的一种方法是采用具有阻值R1的电压采样电阻206。
参考图4-8描述的所述配置的明显优点是，所述输出信号仅仅随动子和定子之间发生的x轴向位移有显著程度的变化，而对于y轴方向和z轴方向的相对位移比较不敏感。这种直线运动分量的隔离有助于精确的位置检测。本专业的技术人员会意识到，在一对平行分隔的x-y板之间形成的电容量是重叠区域(它随x轴和y轴方向的相对运动而变化)以及板间垂直距离(它随z轴方向的相对运动而变化)的函数。即，电容量C＝(A*Eo)/G，其中A是重叠面积；Eo是对应于自由空间介电常数的常数；而G是两块板之间的垂直(z轴方向的)间隔。如果没有隔离各个直线运动分量的能力，则位置检测系统就不能提供关于产生给定的电容量变化的位置变化的性质的精确信息。例如，实际上由z轴方向的位移引起的电容量变化可能错误地被解释成是由x轴方向的位移引起的。
可以通过以下方法来消除由y轴方向的运动产生的电容量变化：这样配置这些板、使得板之间的重叠区域不随预定的y轴方向运动范围而变化。图4显示每块S1板(178和180)在y方向比M1和M2板宽。可以选择这类过多量使得动子和定子之间发生指定范围的y轴运动时，S1板组件和各M1和M2板组件之间的重叠区域不变。另外，如上所述及前面曾引用的耦合块发明专利中，x轴向耦合块106a和106b通常设计成往往不跟踪动子106的y轴运动。
由于对可变电容192和194施加驱动信号200和202的缘故而抑制或者部分消除Z轴方向相对运动的效应。本专业的技术人员会认识到，对M1板166、M2板172以及S1板178，如图8所示的电容测量电路产生如下传递函数：
Vo Vc = ( S S + P ) ( Cxp - Cxn Cxp + Cxn )
其中Vo是取自电压取样电阻206两端的输出；Vc是非反向输入信号；Cxp是可变电容器192的电容量；Cxn是可变电容器194的电容量；而P＝1/(R1*(Cxn+Cxp))。
应当指出，Cxp＝Ap*Eo/Gp而Cxn＝An*Eo/Gn，其中Ap是M1板166和S1板178之间的重叠面积；Gp是在M1板166和S1板178之间z轴方向的间隔；An是M2板172和S1板178之间的重叠面积；而Gn是在M2板172和S1板178之间z轴方向的间隔。而且，Ap(x)＝W*(xpo+x)而An(x)＝W*(xno+x)，其中x是M1板166和M2板172相对于S1板178在x轴方向的位移；W是M1板166和M2板172沿y轴所取宽度；xpo是当x＝0时M1板166和S1板178之间产生的x轴方向重叠的初始值(假定图4所示位置是初始位置)；而xno是当x＝0时M2板172和S1板178之间产生的x轴方向重叠的初始值。假定M1和M2板理想共面，它们与S1板等间隔，这样Gp＝Gn＝G。把这些值代入上述传递函数得到下式：
Vo Vc = S S + P * ( Ap - An ) * Eo / G ( Ap + An ) * Eo / G = S S + P * 2 x xpo + xno
从这个结果会看到，从增益项的分子和分母消去了1/G项。此消去之后，留下的增益项完全独立于板间的垂直间隔。这就抑制了z方向的相对运动对输出结果形成主要的贡献因素，使得输出实际上独立于可移动物体之间发生的z轴运动。于是在剔除y轴和z轴运动的贡献之后，所述系统分离出x轴运动，以建立实际上只基于x轴分量的输出。
尽管以上推导只针对三块板(即M1板166、M2板172和S1板178)进行，但是以上结果(特别是剔除z轴效应)，同样很好地适用于包括更多板的扩展系统，例如图4所示的实施例以及以下将说明的其它不同的实施例。
在如存储装置100这类装置中，常常会要求提供沿多于一个轴向的运动检测。例如，为了对存储装置100进行精确的读/写操作，需要检测存储介质106相对于外壳120在x-y平面的位置。然而，如上所讨论的，图4-8的传感器配置成仅仅在一个方向(即沿x轴)检测位置变化。为了获得2维的检测，类似于图4-8所讨论的附加结构可以用于y轴运动，通常的方法是：把类似于讨论过的板组件的那些板组件固定到y轴耦合块106c和106d中的一个或两个(或者直接固定到存储介质106)并且固定到动子120的对应位置。在这种2维配置中，x轴传感器建立x轴方向的检测同时抑制y轴和z轴方向的效应，而y轴传感器建立y轴方向的检测同时抑制x轴和y轴方向的效应。这提供x-y平面内的精确检测，同时避免了在许多现有传感器中由z轴方向的相对运动引起的检测误差。本文中描述的其它实施例可以类似地配置成提供沿多于一个直线轴的位置检测。
除了分隔直线运动分量之外，本发明的位置传感器可配置成提供灵敏、高分辨率的位置检测。确实，提高灵敏度是图4所示实施例的一个优点。因为采用2块M1板和2块S1板，对给定的x平移量M1板和S1板之间发生的重叠多于同样平移量下单对板产生的重叠。因而，对相同的x平移量产生较大的电容变化。通过以较高分辨率跟踪x轴向的位置变化使位置检测的灵敏度得以提高。在如上述存储装置这类MEMS应用中，高分辨率的位置检测特别重要。对这类存储装置，要求灵敏、高分辨率的精确位置控制以对恰当存储位置进行精确读取和写入数据，并且避免错误盖写已有数据。
图9-13描述根据本发明的位置传感系统210的另一实施例的不同方面。位置传感系统210包括2块M1板214和216，以及M2板220，它们可以固定到动子上，类似于上述M1和M2板。系统210还包括S1板222和S2板226，它们可以固定到定子120。类似于图5-7，图10-12说明M1和M2板相对于S1和S2板在x轴方向的物体运动范围的相对运动，其中所述板件固定到所述物体(如动子106和定子120)上。类似上述图示，图10描述沿x轴动子相对于定子处于最左端的位置；图11描述中间的状态；而图12描述最右端位置。
本专业的技术人员会意识到，上述配置形成4个可变电容器，如图13电路图所示：(1)M1板214和S1板222之间形成的电容器240，它的电容值随x轴正向位移而增加；(2)M2板220和S1板222之间形成的电容器242，它的电容值随x轴正向位移而减小；(3)M1板216和S2板226之间形成的电容器244，它的电容值随x轴正向位移而减小；以及(4)M2板216和S2板226之间形成的电容器246，它的电容值随x轴正向位移而增加。
和以前一样，为产生可测量的输出，可以把正弦载波250及其倒相信号252分别加到M1和M2板(图9和13)。这种使用与反向变化电容相连接的驱动信号的方法产生这样的系统：该系统在S1和S2端(254和256)提供基本上(或者完全)独立于动子106和定子120之间发生的z轴运动的输出信号。这可以通过应用类似于参考图4-8所述的推导的传递函数分析方法来确认。因为这样的事实：当M1-S2电容(即M1板216和S2板226之间产生的电容)减小时，M1-S1电容(即M1板214和S1板222之间产生的电容)增加，反之亦然，所以在做进一步处理之前通常先减去S1和S2端的输出。
图14-16描述根据本发明的位置传感系统260的另一实施例的不同方面。系统260包括多块M1板262，它们在电气上连接在一起以形成M1板组件(未标示出不同M1板之间的电互连，但通常类似于前面所述的实施例)。系统260也可以包括多块M2板264，它们也在电气上连接在一起以形成M2板组件。M1和M2板组件可以固定到可动装置(如动子106)并且通常这样配置、使得M1和M2板都共面并且以如图14和15所示的交替、交错的方式排列。
系统260还可以包括电连接在一起的S1板266的S1板组件，以及电连接在一起的S2板268的S2板组件。如同M1和M2板组件，S1和S2板组件通常都共面并且这样排列、使得S1和S2彼此相隔。S1和S2板组件固定到另一个装置(如定子120)，所述装置相对于M1和M2板组件固定于其上的装置是可动的。
如同先前的实施例一样，所示排列产生可变电容器，其电容量随板组件之间的相对运动而变化。具体地说，所述配置产生的可变电容器类似于图13所示：(1)M1板262和S1板266之间的电容器；(2)M2板264和S1板266之间的电容器；(3)M1板262和S2板268之间的电容器；以及(4)M2板264和S2板268之间的电容器。
通常，与先前说明的实施例一样，正弦信号281及其反相信号282分别加到M1和M2板组件。施加正弦信号产生基于可变电容的输出信号，它们可以分别在连接到S1和S2板组件的输出端检测到。因而，图13精确地模拟图14和15所示的系统。
尽管图9和14的系统可以用相同的电路图描述(如图13)，但它们对不同的运动范围产生不同的输出结果。例如，如图10-12所见，给定的M1板(如M1板214)相对于定子120只走过约等于其自身宽度的距离。因此，当M1板214从其最左端(图10)走到最右端(图12)时，它与S1板222的重叠面(及形成的电容量)从最小增加到最大值。
比较而言，图14和15所示的系统，x轴向运动的运行范围通常数倍于给定板的宽度，如所述x轴向运动的典型范围281所示。因而，当动子106从其范围的一端运动到另一端时，任意给定的M1或者M2板将连续经过一块S1板、一块S2板、另一块S1板、另一块S2板、另一块S1板......等等。本配置中，对应上述4类可变电容器有4类重叠区域，其重叠发生在：(1)M1和S1板组件，(2)M2和S1板组件，(3)M1和S2板组件，以及(4)M2和S2板组件之间。当所述物体在x轴方向运动的运行范围内相对运动时，这4类重叠面积的每一类都在最大值和最小值之间循环。作为x轴位移的函数，这些面积的每一给定值在最大和最小值之间线性变化。
用图解法表示，这4个面积中的每一个，其重叠面积作为x轴位移的函数表现为三角波形。这些波形的周期等于相邻板之间的间距W，它包括一块板的给定宽度加上所述板与其紧挨的相邻板之间较小的间隙。通常，如图14和15所示，系统260配置成所有板宽和插入间隙都是均匀的。
在运行范围内发生的循环重叠产生循环的电容量，如图16的输出电容波形所示。具体地说，所述输出对应板组件之间产生的M1-S1、M2-S1、M2-S2、以及M1-S2电容。尽管电容量随重叠面积线性变化，但是所述波形不像重叠面积函数的三角形。如图所示，由于边缘效应及其它效应的缘故，波形更像正弦波。这些波形的周期是2W，即2倍的板间距宽度。
对图14和15所示的循环系统运用上述参考图4-8所述的传递函数，这样z轴相对运动对输出的贡献通常完全被抑制，或者，至少减小到可以忽略的程度。因而，图16所示的输出电容可以用于精确检测x轴向的位置(当图示配置用y轴则是y轴位置)，而不受运动物体之间可能伴随发生的z向运动的影响。
图14和15所示系统明显的好处是提高了灵敏度。回头参见图4实施例，假定x轴向运动所述的运行范围是50微米，还假定M1板166和168与S1板178和180之间的重叠在运行范围内产生的总电容量是从50皮法拉到100皮法拉。由x轴向位移产生的电容量变化将是每微米1皮法拉。
现在看图14和15所示的系统，假定相同的运行范围50微米，但采用比图4的板明显小的，如百分之一的，不同的板。还假定M1板262和S1板266之间发生最大重叠时，产生的电容量还是100皮法拉，而在最小重叠时，是50皮法拉。当动子从x＝0微米移动到50微米时，M1和S1板组件之间的总电容量会在50和100皮法拉之间循环100次。在此例中，“循环的”配置对每微米的位移会产生100皮法拉的电容变化，所述输出对位置变化敏感得多。对某些应用，这会大大改善传感器的精确度和精密度。
相信上述公开中包含有独立效用的多个独特发明。虽然这些发明每个以其优选形式公开，当可能存在大量变型时，在此公开及说明的具体实施例不被看成具限制意义。本发明的主要方面包括在此公开的不同元件、特征、功能和/或性能的新颖及非显而易见的所有组合和子组合。类似地，权利要求书陈述“一”或“第一”元件或者其等效表达，其权利要求书应理解为包括一个或多个此元件的组合，而不是要排除包括两个或多个此元件。
相信随后的权利要求书具体指出了某些组合和子组合，后者针对所本公开的发明之一并且是新颖的和非显而易见的。包含在特征、功能、元件和/或性能的其它组合和子组合中的发明可以通过修改本权利要求书或(在此或相关申请的新权利要求书的)说明来申请专利。这类修改或者新权利要求书，不管其是否针对不同发明或者同一发明，是否不同、更宽、更窄或等于原始权利要求书的范围，也被理解成包含在本公开的发明的主题中。

Claims (12)

1.一种用于基于电容进行位置检测的可动系统，它包括：
一对物体(106、120)；
一个微致动器，它配置成实现所述物体(106、120)之间沿一个轴相对运动的运行范围；以及
一个基于电容的位置传感器(160、162、210、260)，它包括：
固定到所述物体(106、120)之一上的第一板(178、180、222、226、266、268)；以及
固定到所述物体(106、120)的另一个上的一对第二板(166、168、172、174、214、216、220、262、264)，所述一对第二板相邻而且共面，并且当所述物体彼此沿所述轴相对运动时，所述第二板与所述第一板(178、180、222、226、266、268)隔开并且平行，所述第二板与所述第一板重叠；
其中，所述第一板(178、180、222、226、266、268)和第二板(166、168、172、174、214、216、220、262、264)的配置同时形成两个隔板式电容器(192、194、240、242、244、246)，其电容量随所述物体(106、120)沿所述轴在运行范围内的彼此相对运动而相反地变化，其中所述基于电容的位置传感器(160、162、210、260)使用所述电容量来产生用于确定所述物体沿所述轴的相对位置的输出；
其中所述基于电容的位置传感器被配置为使得所述输出与在所述第一板和第二板之间发生的垂直间隔的变化无关。
2.如权利要求1所述的可动系统，其特征在于还包括一个电容测量电路(190)，配置成把时变输入信号(200)加到所述一对第二板(166、168、172、174、214、216、220、262、264)的一个板上，并且把所述时变输入信号的反相信号(202)加到所述一对第二板的另一个板上。
3.如权利要求2所述的可动系统，其特征在于：所述时变输入信号包括正弦载波。
4.如权利要求1所述的可动系统，其特征在于所述一对物体之一是可动地安装在一个外壳中的计算机可读存储介质，所述基于电容的位置传感器被配置为产生一个输出，所述输出用于确定所述存储介质在所述外壳中的相对位置。
5.如权利要求4所述的可动系统，其特征在于还包括一个固定到所述外壳上的读/写装置，所述读/写装置被配置为从所述存储介质读出数据和将数据写入所述存储介质。
6.一种用于基于电容进行位置检测的可动系统，它包括：
一对物体；
一个微致动器，它配置成实现所述物体之间沿一个轴相对运动的运行范围；以及
一个基于电容的位置传感器(160、162、210、260)，它包括：
固定到所述物体(106、120)之一的第一板(178、180、222、226、266、268)；以及
固定到所述物体中的另一个上的一对第二板(166、168、172、174、214、216、220、262、264)，所述一对第二板相邻而且共面，并且当所述物体彼此沿所述轴相对运动时，所述第二板与所述第一板(178、180、222、226、266、268)隔开并且平行，所述第二板与所述第一板重叠；
其中，所述第一板和第二板的配置同时形成两个隔板式电容器，其电容量随所述物体沿所述轴在运行范围内的彼此相对运动而相反地变化，其中所述基于电容的位置传感器使用所述电容量来产生用于确定所述物体沿所述轴的相对位置的输出；
其中所述电容形成一个电容量测量电路的一部分，所述电容量测量电路具有输入-输出传递函数，所述输入-输出传递函数与作为所述一对物体彼此相对运动的结果而在所述第一板和所述第二板之间发生的垂直间隔变化无关。
7.一种传感器(160、162、210、260)，它基于一对物体(106、120)之间沿一个轴的相对位置的变化而输出变化的电容量，所述传感器包括：
固定到所述物体之一上的第一板(178、180、222、226、266、268)；以及
固定到所述物体(106、120)中另一个上的一对第二板(166、168、172、174、214、216、220、262、264)，所述一对第二板相邻而且共面，并且当所述物体沿所述轴彼此相对运动时，所述第二板与所述第一板隔开并且平行，所述第二板与所述第一板重叠；
其中所述第一板和第二板的配置同时形成两个隔板式电容器(192、194、240、242、244、246)，其电容量随所述物体(106、120)沿所述轴彼此相对运动而变化，其中所述传感器(160、162、210、260)使用所述电容量来产生用于确定所述物体沿所述轴的相对位置的输出；
其中所述传感器被配置为使得所述输出与在所述第一板和第二板之间发生的垂直间隔的变化无关。
8.如权利要求7所述的传感器，其特征在于还包括一个电容测量电路，被配置成把时变输入信号加到所述一对第二板的一个板上，并且把所述时变输入信号的反相信号加到所述一对第二板的另一个板上。
9.如权利要求8所述的传感器，其特征在于：所述时变输入信号包括正弦载波。
10.一种传感器(260)，它基于一对物体(106、120)之间沿一个轴的相对位置变化而输出变化的电容量，所述传感器包括：
固定到所述物体(106、120)之一上的第一板；以及
固定到所述物体(106、120)中另一个上的一对第二板，所述一对第二板相邻而且共面，并且当所述物体沿所述轴彼此相对运动时，所述第二板与所述第一板隔开并且平行，所述第二板与所述第一板重叠；
其中所述第一板和第二板的配置同时形成两个隔板式电容器(192、194、240、242、244、246)，其电容量随所述物体(106、120)沿所述轴彼此相对运动而变化，其中所述传感器(160、162、210、260)使用所述电容量来产生用于确定所述物体沿所述轴的相对位置的输出；
其中所述电容形成一个电容量测量电路的一部分，所述电容量测量电路具有输入-输出传递函数，所述输入-输出传递函数与作为所述一对物体彼此相对运动的结果而在所述第一板和所述第二板之间发生的垂直间隔变化无关。
11.一种用于基于电容进行位置检测的可动系统，它包括：
一对物体(106、120)；
一个微致动器，它配置成实现所述物体(106、120)之间沿在一个平面中的多个轴相对运动；以及
一个基于电容的位置传感器(160、162、210、260)，它包括：
固定到所述物体(106、120)之一上的第一板(178、180、222、226、266、268)；以及
固定到所述物体(106、120)的另一个上的一对第二板(166、168、172、174、214、216、220、262、264)，所述一对第二板相邻而且共面，并且当所述物体在所述平面中彼此相对运动时，所述第二板与所述第一板(178、180、222、226、266、268)隔开并且平行，所述第二板与所述第一板重叠；
其中，所述第一板(178、180、222、226、266、268)和第二板(166、168、172、174、214、216、220、262、264)的配置同时形成两个隔板式电容器(192、194、240、242、244、246)，其电容量随所述物体(106、120)在所述平面中彼此相对运动而相反地变化，其中所述基于电容的位置传感器(160、162、210、260)使用所述电容量来产生用于确定所述物体在所述平面中的相对位置的输出；
其中所述基于电容的位置传感器被配置为使得所述输出与在所述第一板和每个第二板之间发生的垂直间隔的变化无关。
12.一种用于基于电容进行位置检测的可动系统，它包括：
一对物体；
一个微致动器，它配置成实现所述物体之间沿多个轴相对运动的运行范围；以及
一个基于电容的位置传感器，它包括：
固定到所述物体之一上的第一板；以及
固定到所述物体的另一个上的一对第二板，所述一对第二板相邻而且共面，并且当所述物体沿所述多个轴彼此相对运动时，所述第二板与所述第一板隔开并且平行，所述第二板与所述第一板重叠；
其中，所述第一板和第二板的配置同时形成两个隔板式电容器，其电容量随所述物体沿所述多个轴在运行范围内的彼此相对运动而变化，其中所述基于电容的位置传感器使用所述电容量来产生用于确定所述物体沿所述多个轴的相对位置的输出。
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