CN103913589A

CN103913589A - 转速传感器

Info

Publication number: CN103913589A
Application number: CN201410001779.9A
Authority: CN
Inventors: 边境; 杨文庆; 其他发明人请求不公开姓名
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-01-03
Filing date: 2014-01-03
Publication date: 2014-07-09

Abstract

本发明提供一种转速传感器。这种转速传感器包括衬底、检测电极和电容检测电路。传感器的检测电极和被测物体的特征结构形成一个可变电容，可变电容的值由特征结构的位置，也就是被测物体的角度决定。这个电容被电容检测电路读取，传感器通过获得这一电容的值来测量被测物体的角度和转速信息。衬底为整个器件提供支撑。相比已知静电式转速传感器，本发明无需与被测对象的机械连接，结构简单，可具有柔性结构，并具有微加工工艺兼容的特性；相比于霍尔式转速传感器，本发明不要求被测物体为铁磁器件，对所有导电材料或介电常数大于1的材料均适用；相比于激光编码式转速传感器，本发明结构更简单，成本低廉。

Description

转速传感器

技术领域

本发明属于传感器、微机械系统和半导体工艺领域。涉及一种能够指示被测物体转速大小及方向的装置，特别涉及一种结构简单的、可以做成柔性结构的、微加工工艺兼容的转速传感器。

背景技术

转速传感器广泛用于汽车工业和其他工业领域[1]。传统的转速传感器主要有霍尔传感器、激光编码式传感器和电容式转速传感器[1]，其中的霍尔式转速传感器[2]只能测量铁磁性材料物体的转速，而激光编码传感器结构比较复杂故障率高[3]。

传统上的电容式传感器由“预变换元件”和“变换元件”两部分组成。“预变换元件”感应被测物体的机械运动，并将其转换成传感器“预变换元件”自身的机械运动；得到的“预变换元件”的机械运动再由传感器中的“变换元件”和相关电容测量电路[4]-[6]转换成可以被检测电路所读取的电信号。通常，电容式传感器的“预变换元件”是导电材料或介电材料制成的齿盘，“变换元件”指“预变换元件”和固定电极形成的可变电容器，这一可变电容器的电容值随“预变换元件”的位置不同而不同。因此，通过电容测量电路对这一电容器容值的测量，可以实现对“预变换元件”运动的测量，也就实现了对被测物体转动的测量[3]。

由于“预变换元件”是转速传感器的一部分，传统的电容式传感器必须和被测物体有机械连接，并由被测物体带动齿盘“预变换元件”转动才可以工作。这就限制了电容式传感器的应用，因为: （1）“预变换元件”的存在使得电容式传感器本身结构必须具有刚性，才能保证“预变换元件”平稳转动，因而传感器无法被做成柔性器件，进而对被测物体的结构提出了一定的结构要求以保证传感器器件的安装，增加了转速传感器的使用成本；（2）机械连接的存在使得整个系统（包括被测物体和传感器）的结构变得复杂。

发明内容

为了克服现有静电式传感器无法做成柔性器件且结构复杂的不足，本发明提供了一种转速传感器。该传感器无需与被测对象的机械连接，结构简单，可具有柔性结构，并具有微加工工艺兼容的特性。

以下介绍本发明实现的技术方案。本发明结构原理示意如图1所示。本发明需要被测物体（7）具有一个或多个介电系数、电导率或者形状区别于其他区域的结构，称之为识别结构（1）。这一识别结构可以是绝缘、低介电系数旋转体上的一块高介电系数材料（介电系数不同于其他结构），也可以是绝缘旋转体上的一块导电涂料或导电旋转体上的一块绝缘体材料（电导率区别于其他结构），还可以是齿轮轮齿、旋转体上的键槽、螺钉等（形状区别于其他结构）。识别结构可以仅有一个（如键槽），也可以有多个（如齿轮的齿）。识别结构可以通过被测物体的接地阻抗接地。这一阻抗可以是特别设置的接地线路（如采用接地线将识别结构直接接地）或仅是识别结构到地端的杂散电容（如一个未设置接地金属齿轮上的齿与环境形成的杂散电容），将这一阻抗记为Z_接地（2）.

本发明至少由2部分或3部分组成：检测电极（5）、电容检测电路（4）和支撑衬底（6）（非必须）。支撑衬底（6）用来为检测电极（5）提供机械支撑和与接地端（3）的绝缘。如果检测电极（5）自身有一定强度可以保证在正常运输或安装过程中不至于破裂，并保证和接地端（3）的绝缘的话，支撑衬底（6）是不需要的。

为进一步阐明本发明工作原理，给出等效电路示意如图2所示。其中，检测电极（5）的作用是和识别结构（1）形成可变电容，记此电容为C_识别（9），C_识别（9）会随着识别结构（1）的位置不同而改变。因此，只要获得C_识别（9）的值，就可以判断出识别结构（1）的位置，也就获得了被测物体（7）的角度信息。检测电极（5）可以有一个或多个。采用一个检测电极（5）可以完成最基本的转速检测，采用多个检测电极（5）可以检测被测物体（7）的转动方向并获得更高的检测精度。电容测量电路（4）的作用是测量检测电极（5）和接地端（3）之间形成的电容，记此电容为C_总计。

检测电极（5）和接地之间直接形成固定电容C₀（8），而检测电极Z_接地（2）和接地之间的另一条通路是由C_识别（9）和Z_接地（2）串联形成的。假设电容测量电路（4）阻抗无穷大，由检测电极（5）到接地端（3）之间的总阻抗可以写作等式（1）或等式（2）的形式。

等式（1）和等式（2）中，“j”是虚数符号；“ω”是电容测量电路（4）产生检测信号的频率；C₀（8），C_识别（9）和Z_接地（2）的意义如前文所述。其中，由于传感器安装完成后位置固定，因此其与接地端直接形成的电容C₀（8）是常量；而无论被测物体（7）有没有进行接地处理，其到接地端（3）的阻抗Z_接地（2）也是常量。因此，只要测定出检测电极（5）到接地端（3）的总阻抗Z_总计并根据测试信号的频率ω，就能测量出C_识别（9）的变化情况，并据此得到识别结构（1）的位置，即被测物体（7）的旋转角度。

等式（1）

等式（2）

本发明相比于以往传统的电容式传感器，具有如下优点：（1）结构简单。本发明不含“预变换元件”或任何运动结构；（2）柔性器件。本发明器件可以做成刚性或柔性的器件，做成柔性器件时，本身可以弯曲，可以适用于不同的测量环境，对各类形状的对象进行测量；（3）不存在与被测对象的机械连接，简化了转速传感器的安装和整个被测系统的结构。

同时，相比于霍尔式转速传感器，本发明不要求被测物体为铁磁器件，对所有导电材料或介电常数大于1的材料均适用；相比于激光编码式转速传感器，本发明结构更简单，成本低廉。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明结构原理示意图。

图2是转速传感器的等效电路示意图。

图3是转速传感器第一个、第三个实施例原理示意图。

图4是转速传感器第一个实施例工艺制造方案1示意图。

图5是转速传感器第一个实施例工艺制造方案2示意图。

图6是转速传感器第一个实施例所用电容检测电路原理示意图。

图7是转速传感器第二个实施例原理示意图。

图8是转速传感器第二个实施例所用电容检测电路原理示意图。

图9是转速传感器第三个实施例工艺制造方案1示意图。

图10是转速传感器第三个实施例工艺制造方案2示意图

图中1.被测物体识别结构，2.被测物体接地阻抗Z_接地，3.大地，4.电容测量电路，5.检测电极，6.支撑衬底，7.被测物体，8.固定电容C₀，9.识别电容C_识别，10_.铝制齿轮，11.AD转换电路输出总线，12.模拟信号总线，13.交流信号发生器，14.敏感端（接检测电极（5）），15.AD转换电路，16.经绝缘处理的铝片，17.铝，18.光刻胶，19. 4英寸硅片，20. 聚四氟乙烯胶带，21.测试电阻R，22. 由多个AD转换电路（15）组成的阵列，23. 电容测量电路外接引脚，包括电源和AD转换电路输出总线（11）。

具体实施方式

为使本发明能更明显易懂，下文特举实施例。

以下各实施例详细说明并伴随着附图说明的范例，作为本发明的参考依据，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分皆使用相同的图号。并且在附图中，实施例的形状或是厚度可以扩大或缩小，并以简化或是方便标示。附图中各元件的部分将以分别描述说明，值得注意的是，图中未示出或描述的元件，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，特定的实施例仅为揭示本发明使用的特定方式，其并非用以限定本发明。

实施例1

如图3所示，本实施例由检测电极（5），支撑衬底（6），和电容测量电路（4）构成。齿轮（10）作为被测物体，是模数为3mm，齿数20，齿宽20mm的标准直齿轮。其中，支撑衬底（6）由硬质材料，例如硬塑料片、经过绝缘处理过的金属片、陶瓷片、硅片、碳化硅晶片等，构成。检测电极（5）被固定在支撑衬底（6）的上面。检测电极（5）由导电材料制成，例如铝，银，金等，电极宽度为5mm，长度为10mm。对于除电容测量电路（4）外的结构，工艺方案有2种。方案1采用图4所示工艺制造，包括（a）准备和清洗，（b）溅射铝，（c）光刻，（d）刻蚀，（e）去胶等；方案2用图5所示工艺制造，工艺步骤包括（a）准备和清洗，（b）清洗，（c）光刻，（d）溅射金属，（e）去胶。

电容测量电路（4）被集成在印刷电路板上，印刷电路板被通过粘贴的方式固定在制作好检测电极（5）的衬底上，电容测量电路（4）亦可分立放置。如果通过粘贴的方式固定在制作好检测电极（5）的衬底上，则采用酚醛树脂胶将印刷电路板粘贴在衬底上，并通过涂覆导电银浆的方式实现印刷电路板上电容检测电路敏感端（14）和衬底上检测电极（5）的互联。作为例子，本实施例测量某铝制齿轮（10）的转动。在这里，铝制齿轮（10）就是发明描述中提到的被测物体（7），而铝制齿轮（10）的齿就是发明描述中提到的被测物体识别结构（1）。

已知，电容测量电路（4）已有很多成熟结构[4]-[6]。本例提供一个简单的可行方法，如图（6）所示。电容检测电路由交流信号发生器（13），测试电阻R（21）， AD转换器（15）组成。交流信号发生器（13）发出一定幅值、一定频率的交变电压信号作为检测信号。

检测信号经过测试电阻R（21）耦合到检测电极（5）上，再经过检测电极（5）到接地端（3）的总阻抗Z_总计耦合到地。这样，测试电阻R（21）上的分压V_R可以写作等式（3）的形式。

等式（3）

从等式（3）中可以看出，V_R与检测信号的幅值、相位有关，并和影响Z_总计的因素C_识别（9）有关，C_识别（9）的值由识别结构（1）或齿轮（10）的齿的位置所决定的。检测信号的幅值、相位已知，因此V_R的幅值和相位与C_识别（9）一一对应，如等式（1）和等式（2）所描述的那样。V_R的大小通过AD转换器（15）（本例采用AD1674芯片）转换成数字信号并输出。通过比较信号V_R和检测信号的幅值、相位的相对关系，就可以计算出Z_总计的值，并进一步识别出轮齿（10）的位置并探测出轮齿的靠近与远离；进一步地，通过对每单位时间内通过的轮齿数量进行计数再除以齿轮（10）的齿数，就可以得到齿轮（10）的转速。

本实施例对于权利1和权利8的支撑均在于其结构.本实施例对于权利9的支撑在于工艺方案1,对于权利10的支撑在于工艺方案2。本实施例对权利11的支撑在于其识别电容C_识别（9）的方法,即,通过对检测电极（5）到接地端（3）的总阻抗Z_总计的测量，获得识别电容 C_识别（9）的值。

实施例2

本实施例的原理示意图如图7所示，检测电路结构示意图由图8给出。与实施例1不同的是，实施例2采用了多个检测电极（5）来检测铝制轮齿（10）的运动，同时电极尺寸变小。本例中，检测电极（5）有5个，均为宽为0.9mm，长10mm的矩形。5个电极并列放置，相邻电极间距0.1mm。与实施例1相比，本例中5个检测电极（5）的总尺寸和实施例1中单个检测电极（5）的尺寸相同。5个检测电极（5）的信号经过模拟信号总线（24）分别经过5个敏感端（14）和电容测量电路（4）相连。

本例中，电容检测电路（4）如图8所示，电容检测电路（4）由交流信号发生器（13），5个测试电阻R（21）和5个AD转换器（15）组成。测试电阻R（21）通过交流信号发生器（13）发出一定幅值、一定频率的交变电压信号作为检测信号，输出至5个测试电阻上。测试电阻R（21）上的分压分别由5个AD转换器（15）转换成数字电路并输出。通过对比测试电阻R（21）上分压的幅值和相角与交流信号发生器（13）上产生信号幅值和相角，可以得到齿轮齿距离每个检测电极的相对位置关系。当齿轮（10）转动的时候，一个轮齿会在一段时间内按顺序扫过5个检测电极（5）。根据不同检测电极（5）与齿轮齿的靠近的先后顺序关系，可以测量到铝制齿轮（10）轮齿的运动方向。电极尺寸的减小使得转速传感器具备更高的精度，同时，轮齿的位置由多个检测电极（5）共同给出，增强了转速传感器工作的稳定性。

本实施例除以上所述部分，均与实施例1相同。

本实施例对权利1和权利2的支撑均在于其结构。对于权利4的支撑在于其结构和对齿轮（10）运动测量的方法。

实施例3

本实施例的结构示意图如图3所示。本例与实施例1不同的是：本实施例采用柔性衬底。本实施例有2套工艺方案。

工艺方案1如图9所示。工艺步骤包括：（a）将聚四氟乙烯胶带（20）（该胶带由3M?公司生产，牌号为5480）贴附在4英寸的硅晶圆（19）上（图9.a）；（b）溅射铝（17）（图9.b）；（c）光刻（图9.c）；（d）刻蚀铝（17）（图9.d）；（e）丙酮去除光刻胶（18）（图9.e）；（f）将加工好电极的聚四氟乙烯胶带（20）从硅晶圆（19）上揭下（图9.f）。

工艺方案2如示意图10所示。工艺步骤包括：（a）将聚四氟乙烯胶带（20）（该胶带由3M?公司生产，牌号为5480）贴附在4英寸的硅晶圆（19）上（图10.a）；（b）表面改性（本例采用钠-萘络合物进行表面改性）以便旋涂光刻胶，并光刻（图10.b）; （c）溅射铝（17）（图10.c）; （d）丙酮去除光刻胶（18），完成剥离工艺（图10.d）；（e）将加工好电极的聚四氟乙烯胶带（20）从硅晶圆（19）上揭下（图10.e）。

本实施例其他部分与实施例1相同。

本实施例对权利要求1、权利要求2、权利要求5的支持在于本方案的结构；本实施例对权利要求3的支持在于工艺方案1和工艺方案2；对权利要求6的支持在于其工艺方案1；对权利要求7的支持在于工艺方案2。

本发明虽以各种实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明的范围，任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。

参考文献

[1] Fredrik Gustafsson, “Rotational Speed Sensors: Limitations, Pre-processing and Automotive Applications”, IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, April, 2010

[2]秦玉伟. 磁敏传感器转速测量技术研究[J]. 渭南师范学院学报, 2013, 28（2）.

[3]吴承书, 米智楠, 叶明盛, 等. 机车轴端光电转速传感器优化设计[J]. 机车电传动, 2013 （3）: 22-25.

[4] 李新娥, 马铁华, 祖静, 等. 基于充放电原理的小电容测量电路[J]. 探测与控制学报, 2012, 34（2）: 42-48.

[5]廉德钦, 何常德, 苗静, 等. 基于交流电桥的动态微弱电容检测电路[J]. 电测与仪表, 2012, 49（7）: 89-92.

[6]付真斌, 韩丰田, 段光武. 基于频分复用的多路微电容检测技术[J]. 传感技术学报, 2010, 23（003）: 341-346.

Claims

1.一种转速传感器，其特征在于，传感器的检测电极与被测物体的识别结构形成电容，传感器通过检测被测物体与检测电极形成电容值的变化来检测被测物体的转动。

2.用来实现权利要求（1）所述传感器的一种转速传感器结构，其特征在于，转速传感器衬底采用柔性结构；所谓柔性结构，指的是不具有特定的形状，其外形可以随安装环境自由变化的结构，例如但不限于，采用塑料胶带、薄塑料片、橡胶片、金属簧片等材料制成的衬底均可认为是柔性衬底。

3.用来实现权利要求（2）所述转速传感器的一种制造方法，其特征在于，在制造过程中，转速传感器的柔性衬底贴附在一个刚性结构（如：钢板、硬质塑料板等）上进行制造；制造过程结束后，将柔性衬底连同衬底上的结构从刚性结构上揭下，进行包装或直接进行安装。

4.用来实现权利要求（1）所述传感器的一种转速传感器方法，其特征在于，用并列的多个检测电极来检测被测物体旋转。

5.用来实现权利要求（1）所述传感器的一种传感器结构，其特征在于，传感器由电容测量电路、检测电极和衬底组成,衬底部分由权利要求2所述的柔性材料构成，具有绝缘性能或经过绝缘处理；检测电极被制作在衬底之上，有一个或多个；电容测量电路，独立安装或集成安装在衬底上。

6.用来实现权利要求（5）所述传感器结构的一种工艺，包括，（a）衬底贴合（b）清洗（c）溅射金属（d）光刻（e）刻蚀（f）去胶（g）移出传感器。

7.用来实现权利要求（5）所述传感器结构的一种工艺，包括，（a）衬底贴合（b）清洗（c）光刻（d）溅射金属（e）去胶（f）移出传感器。

8.用来实现权利要求（1）所述传感器的一种传感器结构，其特征在于传感器由电容测量电路、检测电极、和硬质衬底结构及部分相关辅助型结构构成；其中，硬质衬底指的是，不具有权利要求2所述柔性结构特征的结构；检测电极 5被制作在衬底之上，有一个或多个,

电容测量电路，独立安装或集成安装在衬底上。

9.用来实现权利要求（8）所述传感器结构的一种工艺，包括，（a）清洗（b）溅射金属（c）光刻（d）刻蚀（e）去胶。

10.用来实现权利要求（8）所述传感器结构的一种工艺，包括，（a）清洗（b）清洗（c）光刻（d）溅射金属（e）去胶。

11.为了实现权利要求（1）所述传感器的一种传感器结构，其特征在于，通过测量检测电极到大地端的阻抗值变化来反映，而不是直接测量检测电极到被测物体间电容的变化。