CN106595722B - 低频负刚度电容传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低频负刚度电容传感器，包括：绝缘底板；可变电容器，其放置在该绝缘底板上并且包括彼此平行且间隔放置的第一极板、第二极板和振动板，该振动板以悬臂的方式夹置在该第一极板与该第二极板之间从而在该第一极板与该振动板之间形成第一电容器，并在该振动板与该第二极板之间形成第二电容器；以及静电极板，其放置在该绝缘底板上并且包括彼此平行且间隔放置的第三极板和第四极板，该振动板的一部分伸入到该第三极板与该第四极板之间，该第三极板与该第四极板之间的静电场是可调节的。根据本发明的低频负刚度电容传感器，能够通过控制静电极板之间的电场强度来加大振动板的偏转程度，从而实现低频信号的非线性放大。
Description
技术领域
本发明涉及用于振动检测及预警的低频传感器，具体涉及低频负刚度电容传感器。
背景技术
传统的低频传感器根据工作原理不同可分为磁电式传感器、压电式传感器、压阻式传感器和变电容式传感器。磁电式传感器结构简单，但是，因其体积较大，故不利于大量安装。压电式传感器可靠性较高，但是，其频率在理论上因压电特性不能实现零频响应。压阻式传感器和变电容式传感器可以借助于MEMS技术实现较小的体积。
但是，这些传感器的结构及电路原理均是基于正刚度来设计的，所谓的正刚度就是结构的形变越大，其受到的阻力就越大。其中，就基于正刚度的电容式传感器而言，其幅频特性可通过以下传递函数来表示：
其中，Am为加速度计的动态输出量，As为加速度计的静态输出量，f0为加速度计的固有频率，f为加速度计的动态频率，ξ为阻尼比。
由此可以看出，当基于正刚度的电容式传感器的结构未出现谐振时，其灵敏度在各频率处均是线性的。但是，由于加速度分量在低频时非常小，因此传感器的输出值也非常小，由此导致在不加大质量块的情况下，低频电容传感器的低频信号将被噪声信号淹没。
发明内容
根据本发明的一方面，该低频负刚度电容传感器包括：绝缘底板；可变电容器，其放置在该绝缘底板上并且包括彼此平行且间隔放置的第一极板、第二极板和振动板，该振动板以悬臂的方式夹置在该第一极板与该第二极板之间，从而在该第一极板与该振动板之间形成第一电容器，并在该振动板与该第二极板之间形成第二电容器；以及静电极板，其放置在该绝缘底板上并且包括彼此平行且间隔放置的第三极板和第四极板，该振动板的一部分伸入到该第三极板与该第四极板之间，该第三极板与该第四极板之间的静电场是可调节的。
在一个实施例中，该低频负刚度电容传感器还包括微控制器，其耦合到该静电极板，以调节该第三极板与该第四极板之间的静电场。
在一个实施例中，该可变电容器的中轴线和该静电极板的中轴线保持在相同位置处。
在一个实施例中，该振动板的上表面和下表面通过溅射法层叠有导电物质。
在一个实施例中，该振动板通过在溅射过程中利用掩模板分割成变电容区域和静电场区域。
在一个实施例中，该第一电容器由该第一极板与该振动板借助于第一垫块来形成，并且该第二电容器由该振动板与该第二极板借助于第二垫块来形成。
在一个实施例中，该第一垫块和该第二垫块是绝缘体，并且该第二垫块的上表面通过溅射法层叠有导电物质。
在一个实施例中，该振动板与该第二垫块之间通过离子键合进行粘结。
在一个实施例中，该低频负刚度电容传感器还包括由金属制成的外壳和底座，该外壳与该底座之间以密封的方式进行接合，以为该可变电容器和该静电极板提供封闭空间。
在一个实施例中，该外壳的一侧设有用于引出信号线的小孔。
在一个实施例中，该低频负刚度电容传感器还包括衬垫，其放置在该绝缘底板上并且用于固定和连通内接信号输出线和外接信号输出线。
根据本发明的低频负刚度电容传感器，能够通过控制静电极板之间的电场强度来加大振动板的偏转程度，从而实现低频信号的非线性放大。
附图说明
通过参考附图会更加清楚地理解本发明的实施例的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了根据本发明一个实施例的低频负刚度电容传感器的立体结构示意图；
图2示出了本发明一个实施例的低频负刚度电容传感器的模型图；
图3示出了本发明一个实施例的低频负刚度变电容传感器的结构图；
图4A和图4B分别示出了本发明一个实施例的振动板的立体结构图和俯视图；
图5A和图5B分别示出了本发明一个实施例的外壳的立体结构图和剖视图；以及
图6A和图6B分别示出了本发明一个实施例的底座的立体结构图和俯视图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例的详细描述涵盖了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对实施例更清楚的理解。本发明绝不限于下面所提出的任何具体配置，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了相关元素、部件的任何修改、替换和改进。
下面，结合图1至2来示意性地说明根据本发明的低频负刚度电容传感器，其中，图1示出了根据本发明一个实施例的低频负刚度电容传感器的立体结构示意图，图2示出了本发明一个实施例的低频负刚度电容传感器的模型图。
如图1所示，低频负刚度电容传感器100包括绝缘底板10、可变电容器20和静电极板30。可变电容器20和静电极板30平行地放置在绝缘底板10上。可变电容器20包括彼此平行且间隔放置的第一极板21、第二极板22和振动板23，其中，振动板23以悬臂的方式夹置在第一极板21 与第二极板22之间。因此，在第一极板21与振动板23之间形成的电容器以及在振动板23与第二极板22之间形成的另一电容器构成了一对变电容结构，即可变电容器20。静电极板30包括彼此平行且间隔放置的第三极板31和第四极板32，其中，振动板23的一部分伸入到第三极板31与第四极板32之间，并且第三极板31与第四极板32之间的静电场是可调节的。
由此，当不存在振动时，振动板23不会发生任何偏转，即振动板23 与第一极板21和第二极板22之间的相对位置保持不变，因此可变电容器 20所包含的一对电容器的电容值将维持恒定。但是，当低频负刚度电容传感器100检测到振动时，以悬臂方式设置的振动板23将相对于第一极板 21和第二极板22发生位移，例如，振动板23的一端部保持固定，另一端部则在第一极板21与第二极板22之间以及在第三极板31与第四极板32 之间上下偏转。由于彼此平行且相对放置的第三极板31与第四极板32之间存在有静电场，因此，振动板23的伸入到第三极板31与第四极板32之间的那部分(例如，另一端部)的偏转趋势将在该静电场的作用下进一步放大，进而导致振动板23相对于第一极板21和第二极板22的位置变化也被放大，由此显著地改变了可变电容器20所包含的一对变电容结构的电容值，实现了低频信号的非线性放大。
在一个实施例中，第三极板31与第四极板32之间的静电场的强弱可以根据实际需求来调节，例如，如图2所示，可以通过耦合到静电极板30 的微控制器40来调节。换言之，第三极板31与第四极板32之间的静电场的大小是可调节的。如图1所示，由于振动板23的一部分伸入到第三极板31与第四极板32之间，因此，可以通过调节第三极板31与第四极板 32之间的静电场来控制振动板23的伸入到第三极板31与第四极板32之间的那部分的偏转程度。
下面，进一步结合图3至6来详细地说明根据本发明的低频负刚度电容传感器的各构件的具体结构及其连接关系，其中，图3示出了本发明一个实施例的负刚度变电容传感器的结构图。
集成在绝缘底板10上的可变电容器20包括第一电容器C1和第二电容器C2，其中，第一电容器C1由第一极板21和振动板23借助于第一垫块24彼此平行且间隔地放置来形成，并且第二电容器C2由第二极板22 和振动板23借助于第二垫块25彼此平行且间隔地放置来形成。
第一极板21和第二极板22由金属制成。
振动板23由树脂薄膜制成，其上表面和下表面通过溅射法层叠有导电物质，例如Ti、Au等，其中，Ti的厚度大于50埃并且小于150埃；Au 的厚度大于800埃并且小于1500埃。图4A和图4B分别示出了本发明一个实施例的振动板23的立体结构图和俯视图。如图4A和图4B所示，振动板23分为电容区域231、空白区域232和静电场区域233。为了使可变电容器20和静电极板30的结构一致性，通常在溅射过程中利用掩模板对振动板23的变电容区域231和静电场区域233进行溅射。
第一垫块24和第二垫块25均为绝缘体，并且可以由二氧化硅或者其它刚度较好的绝缘材料制成。但是，第二垫块25的上表面通过溅射法层叠有导电物质，例如Ti、Au等，其中，Ti的厚度大于50埃并且小于150 埃；Au的厚度大于800埃并且小于1500埃。由于第二垫块25的上表面层叠有导电物质，因此可以直接地连接信号线来传送信号。
在第一电容器C1中，第一极板21与第一垫块24、第一垫块24与振动板23之间均通过诸如环氧树脂之类的粘接剂进行粘接。在第二电容器 C2中，第二垫块25与第二极板23之间通过诸如环氧树脂之类的粘接剂进行粘接。由于第二垫块25的上表面层叠有导电物质，因此振动板23与第二垫块25之间可以通过离子键合进行粘结，也可以通过具有预定强度的导电胶进行粘结，其中，经由离子键合的粘结比经由导电胶的粘合可使得振动板23与第二垫块25之间具有更高的强度。
如图3所示，由于振动板23以悬臂的方式夹置在第一极板21与第二极板22之间，振动板23与第一极板21之间构成的第一电容器C1和振动板23与第二极板22之间构成的第二电容器C2分别也是电容值随着振动板23的偏转发生变化的可变电容结构，两者共同构成了一对可变电容结构，即可变电容器20。换言之，当振动板23相对于第一极板21与第二极板22发生位移时，可变电容器20产生信号输出，即第一电容器C1的电容值和第二电容器C2的电容值可以随之发生变化。
集成在绝缘底板10上的静电极板30由第三极板31和第四极板32借助于隔板33彼此平行且间隔地放置来形成。第三极板31与第四极板32分别由金属制成。隔板33为绝缘体，并且可以由二氧化硅或者其它刚度较好的绝缘材料制成。第三极板31与隔板33之间以及隔板33与第四极板 32之间均通过诸如环氧树脂之类的粘接剂进行粘接。
第三极板31和第四极板32中的一者具有正电极，并且第三极板31和第四极板32中的另一者具有负电极，由此在第三极板31与第四极板32之间产生了静电场。由于第三极板31和第四极板32彼此上下放置，因此该静电场的方向为垂直方向。当振动板23发生偏转时，振动板23的伸入到第三极板31与第四极板32之间的那部分(即另一端部)会因该静电场的作用发生静电感应。
因此，根据本发明的实施例的低频负刚度电容传感器100，当不存在任何振动时，由于可变电容器20和静电极板30在垂直方向上的结构是对称的，因此，振动板23在平衡力的作用不发生任何偏移，即振动板23相对于第一极板21和第二极板22的位置保持不变，由此第一电容器C1和第二电容器C2的电容值将维持恒定，可变电容器20的信号输出为零。但是，当低频负刚度电容传感器100监测到振动时，振动板23也将沿垂直方向发生位移，即以悬臂方式设置的振动板23将以其固定的一端部为支点沿垂直方向发生偏转。此时，由于在第三极板31与第四极板32之间存在有静电场，因此，振动板23的可振动部分，即振动板23的伸入到第三极板31与第四极板32之间的那部分(即另一端部)将在静电场的作用下发生进一步的偏转。振动板23的进一步偏转会大幅度地改变第一电容器 C1和第二电容器C2的电容值，由此改变可变电容器20的信号输出。因此，根据本发明的实施例的低频负刚度电容传感器，能够实现低频信号的非线性放大。
另外，由于根据本发明的实施例的低频负刚度电容传感器是基于负刚度原理来设计的，因此该低频负刚度电容传感器幅频特性可通过以下传递函数来表示：
其中，Am为加速度计的动态输出量，As为加速度计的静态输出量， f0k为加速度计的可变频率，f为加速度计的动态频率，ξ为阻尼比。由此可以看出，当激励频率发生变化时，谐振频率并非恒定值，它也将发生改变。具体而言，当激励频率较低时，谐振频率更低，从而也就实现了低频信号的非线性放大。
在一个实施例中，静电场的强弱可以通过耦合到静电极板30的微控制器40来调节。当微控制器40施加到静电极板30的电流越大时，在第三极板31与第四极板32之间产生的静电场越强，由此振动板23的伸入到第三极板31与第四极板32之间的端部的偏转就越大。因此，如果期望对低频信号中的某段频率进行放大时，就可以通过增大施加到静电极板30的电流来实现。
在一个实施例中，可变电容器20的中轴线和静电极板30的中轴线保持在相同位置处。具体而言，在可变电容器20中，为了避免振动板23在偏转过程中发生扭转，振动板23的中心被设置为与第一极板21和第二极板22的轴中心大致上处于同一位置。在静电极板30中，为了避免振动板 23由于边缘效应等带来的扭转，振动板23的中心被设置为与第三极板31 和第四极板32的轴中心大致上处于同一位置。
在一个实施例中，如图3所示，低频负刚度电容传感器100除了包括绝缘底板10、可变电容器20和静电极板30之外，还包括外壳50和底座 60，其中，与绝缘底板10一体化集成的可变电容器20和静电极板30放置在底座60上。外壳50和底座60彼此密封地接合，例如，通过诸如环氧树脂之类的粘接剂进行粘接，从而为绝缘底板10、可变电容器20和静电极板30提供了一个封闭的空间。应注意，外壳50和底座60彼此接合的部分不应被氧化。
因此，根据本发明的低频负刚度电容传感器100可以防止外部的电磁噪声侵入，从而降低振动板的可振动部分以外的部分与第一电极和第二电极之间的寄生电容对振动监测的干扰。另外，由于该低频负刚度电容传感器100具有封闭的结构，因此它可以具有良好的防水性能，可适应户外工作。
图5A和图5B分别示出了本发明一个实施例的外壳的立体结构图和剖视图。如图5A和图5B所示，外壳50的一侧设有用于引出信号线(未示出)的小孔51。由于可变电容器20和静电极板30均放置在由外壳50和底座60构成的封闭空间内，因此，可变电容器20和静电极板30的信号输出线可以借助于外壳50的小孔51引出。此外，在经由小孔51引出信号输出线后，可以通过密封胶以及其它密封手段对小孔51进行密封，以确保为可变电容器20和静电极板30提供封闭的空间。
图6A示出了本发明一个实施例的放置有绝缘底板的底座的立体结构图，并且图6B示出了本发明一个实施例的底座的俯视图。如图6A和图 6B所示，底座60分为与绝缘底板10接触的矩形区域61和除该矩形区域 61以外的其它区域62，其中，其它区域62被设置为不允许被氧化。
在一个实施例中，如图1所示，低频负刚度电容传感器100还包括衬垫(图中示出了三个，即衬垫71、72和73)，其放置在绝缘底板10上，用以固定并连通内接信号线和外接信号线。低频负刚度电容传感器100具有六条信号线(图中未示出)，包括用于可变电容器20的两条信号输入线和两条信号输出线，以及用于静电极板30的信号输入线。具体而言，可变电容器20具有两条信号输入线(一条用于第一极板21的信号输入线和一条用于第二极板22的信号输入线)和两条信号输出线(一条用于振动板23的上表面的信号输出线和一条用于振动板23的下表面的信号输出线)。静电极板30具有两条信号输入线，即一条用于第三极板31的信号输入线和一条用于第四极板32的信号输入线。其中，由于第一极板21和第二极板已经采用了铜基底，因此可以直接从第一极板21和第二极板引出外接信号输入线。另外，由于第二垫块25的上表面因层叠有导电物质并且振动板23与第二垫块25之间通过离子键合进行粘结，因此可以直接从第二垫块25的上表面引出外接信号输出线来获取振动板23的下表面的信号。
此外，振动板23的上表面的信号可以借助于衬垫经由内接信号输出线和外接信号输出线输出，并且第三极板31和第四极板32则可以借助于衬垫经由内接信号输入线和外接信号输入线来调节所输入的电流。下面，以振动板23为例进行说明。振动板23的上表面经由内接信号输出线(例如A1线)与衬垫71连通，接着在衬垫71处连接用于振动板23的上表面的外接信号输出线(例如，比A1线更粗的线)。由此，用于振动板23的上表面的内接信号输出线和外接信号输出线在衬垫71处得以固定和连通。同样地，用于第三极板31的内接信号输入线和外接信号输入线在衬垫72 处得以固定和连通，并且用于第四极板32的内接信号输入线和外接信号输入线在衬垫73处得以固定和连通。以此方式，根据本发明的低频负刚度电容传感器，可以减少因振动所导致的信号线断线等问题，从而提高了信号输出的稳定性。
在一个实施例中，第一垫块24、第二垫块25和隔板33均采用矩形形状，但是应理解，第一垫块、第二垫块以及隔板还可以采用正方形、梯形等其它形状。
此外，应理解，可变电容器20的高度可以依据实际需要来设计，例如通过改变第一垫块24和/或第二垫块25的厚度来实现。而且，静电极板 30的高度，即第三极板31与第四极板32之间的距离也可以依据实际需要来设计，例如通过改变隔板33的厚度来实现。
本领域技术人员在考虑说明书及实践本发明所公开的实施例后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖这些实施例的任何变型、替代或者适应性变化，这些变型、替代或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的、本技术领域的公知常识或惯用技术手段。
应当理解，本发明并不局限于上面已经描述的示例性实施例和附图中所示出的具体结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。说明书和实施例均是说明性的，而非限制性的。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (11)
1.一种低频负刚度电容传感器，包括：
绝缘底板；
可变电容器，其放置在所述绝缘底板上并且包括彼此平行且间隔放置的第一极板、第二极板和振动板，所述振动板以悬臂的方式夹置在所述第一极板与所述第二极板之间，从而在所述第一极板与所述振动板之间形成第一电容器，并在所述振动板与所述第二极板之间形成第二电容器；以及
静电极板，其放置在所述绝缘底板上并且包括彼此平行且间隔放置的第三极板和第四极板，所述振动板的一部分伸入到所述第三极板与所述第四极板之间，所述第三极板与所述第四极板之间的静电场是可调节的。
2.根据权利要求1所述的低频负刚度电容传感器，还包括微控制器，其耦合到所述静电极板，以调节所述第三极板与所述第四极板之间的静电场。
3.根据权利要求1所述的低频负刚度电容传感器，其中，所述可变电容器的中轴线和所述静电极板的中轴线保持在相同位置处。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的低频负刚度电容传感器，其中，所述振动板的上表面和下表面通过溅射法层叠有导电物质。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的低频负刚度电容传感器，其中，所述振动板通过在溅射过程中利用掩模板分割成变电容区域和静电场区域。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的低频负刚度电容传感器，其中，所述第一电容器由所述第一极板与所述振动板借助于第一垫块来形成，并且所述第二电容器由所述振动板与所述第二极板借助于第二垫块来形成。
7.根据权利要求6所述的低频负刚度电容传感器，其中，所述第一垫块和所述第二垫块是绝缘体，并且所述第二垫块的上表面通过溅射法层叠有导电物质，以有助于连接信号线来传送信号。
8.根据权利要求7所述的低频负刚度电容传感器，其中，所述振动板与所述第二垫块之间通过离子键合进行粘结。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的低频负刚度电容传感器，还包括由金属制成的外壳和底座，所述外壳与所述底座之间以密封的方式进行接合，以为所述可变电容器和所述静电极板提供封闭空间。
10.根据权利要求9所述的低频负刚度电容传感器，其中，所述外壳的一侧设有用于引出信号线的小孔。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的低频负刚度电容传感器，还包括衬垫，其放置在所述绝缘底板上并且用于固定和连通内接信号线和外接信号线。
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| CN106595722A (zh) | 2017-04-26 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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