CN112815817B - 一种非接触式电容传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式电容传感器装置，包括第一支架，以及与第一支架相对的待测物体；第一支架中包括第一磁铁、第一U型弹簧片、绝缘介质层、电容器和夹板；第一磁铁与第二磁铁相对设置，待测物体与第二磁铁一起移动，第一磁铁通过连线连接第一U型弹簧片，第一U型弹簧片靠近第一磁铁的一端固定连接绝缘介质层；电容器包括正极板和负极板，正极板和负极板在垂直方向上交叉排列，绝缘介质层平行于正极板和负极板，且部分位于相邻的正极板和负极板之间，正极板和负极板连接至信号检测单元；电容器被固定在夹板上。本发明通过磁铁控制的非接触式电容传感器；可以通过电容变化确定待测物体的移动方向和位移，具有较高的响应频率。

Description

一种非接触式电容传感器装置

技术领域

本发明属于电容器设计领域，具体属于一种非接触式电容传感器装置。

背景技术

众所周知的，电容器的电容量与平行电极间介质的介电常数近于正比，与两个极片的相对重叠面积成正比，与电容器极板之间的间隙成反比。因此电容量的大小随着两个极片之间相对面积和间隙距离的变化而变化，根据上述电容器上述远离可以制备出各种传感器，包括位移测量传感器。

在现有的位置测量传感器中，可以通过两种方法实现电容测量位移。一种方法是检测由于电容的两个极片的间隙变化引起的电容变化，此时运动方向垂直于极片表面。然而电容器的电容量对间隙的变化非常敏感，特别是间隙较小的时候。目前的纳米定位系统中广泛采用这种方法，这种传感器的最大量程只有几百个微米，不适用于宏观的位移监测。

另外一种方法是检测由两个电容的平行极片相对重叠面积变化所引起的电容量变化，此时运动平行于极片表面。由于制造简单和生产成本低等原因，可以广泛应用在宏观位移的测量过程中。然而这种位移传感器在制造过程中遇到了很大的挑战，这是因为当平行极片沿着平行于极片方向运动时，会带来极片重叠面积的变化，但是很难保证极片之间的间隙不会发生变化，以至于测量信号不能单一表征来自重叠面积的电容变化。同时，现有技术中电容位移传感器在测量物体的相对位移时，现有的电容传感器都是一体式的，并且在保证高精度测量时，只能测量静态物体的电容变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种非接触式电容传感器装置，通过磁铁控制的非接触式电容传感器；根据电容传感器装置的电容变化计算待测物体移动方向和位移，具有较高的响应频率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种非接触式电容传感器装置，包括第一支架，以及与第一支架相对的待测物体；所述第一支架中包括第一磁铁、第一U型弹簧片、绝缘介质层、电容器和夹板；

所述第一磁铁与第二磁铁相对设置，待测物体与第二磁铁一起移动，所述第一磁铁通过连线连接第一U型弹簧片，所述第一U型弹簧片靠近第一磁铁的一端固定连接绝缘介质层；

所述电容器包括正极板和负极板，所述正极板和负极板在垂直方向上交叉排列，所述绝缘介质层平行于正极板和负极板，且部分位于相邻的正极板和负极板之间；所述正极板和负极板连接至信号检测单元；所述电容器被固定在夹板上；

当所述待测物体移动时，所述第一磁铁和第二磁铁之间的作用力发生变化，所述第一磁铁带动连线和第一U型弹簧片的位置发生变化，所述第一U型弹簧片带动所述绝缘介质层的位置发生变化，从而使得相邻正极板和负极板之间被绝缘介质层覆盖的面积发生变化，获取电容器的电容值变化信息。

进一步的，还包括第二支架，所述第一支架位于所述第二支架中，所述第二支架中还包括第二U型弹簧片和调节螺丝，所述第二U型弹簧片的一端与所述第一支架中第一U型弹簧片所在一侧连接，另一端连接所述调节螺丝，所述调节螺丝和所述第二U型弹簧片通过螺纹连接，所述调节螺丝旋转可以带动第二U型弹簧片以及第一支架朝着第二磁铁移动；所述调节螺丝调节第一磁铁和第二磁铁之间的距离，使得电容器位于所述第一磁铁和第二磁铁的力程之间。

进一步的，所述第二支架接地。

进一步的，所述调节螺丝包括固定锁死单元，用于固定所述第一支架的位置。

进一步的，还包括振荡电路、前置放大器，所述电容器连接所述振荡电路，所述振荡电路连接所述前置放大器，所述前置放大器连接所述信号检测单元。

进一步的，所述电容器的正极板之间相连，负极板之间相连，实现电容器的并联。

进一步的，所述第一磁铁位于所述第一支架的内部，且所述第一支架侧面上正对第一磁铁的位置设置窗口，所述窗口上覆盖可供磁力线穿过的金属薄膜。

进一步的，所述第一支架内部还包括热膨胀补偿单元，所述热膨胀补偿单元包括底座和凸起，所述底座固定在所述第一支架上，所述凸起连接在所述夹板的一侧；所述电容传感器装置的温度发生变化时，所述电容器极板膨胀的长度与所述凸起部分膨胀的长度抵消。

进一步的，所述热膨胀补偿单元位于所述夹板远离第二磁铁的一侧。

进一步的，所述待测物体移动时，获取电容器的电容值变化信息，根据电容传感器装置的电容变化计算待测物体移动方向和位移。

本发明具有如下有益效果：本发明通过两块不接触的磁铁相互作用测得非接触式电容传感器的电容变化，再根据电容传感器装置的电容变化计算待测物体移动方向和位移，具有有高精度，高灵敏度以及响应频率快的优势。

附图说明

附图1为本发明电容传感器装置的剖面示意图；

附图2为本发明电容传感器装置的立体示意图；

附图3为第一支架中对应结构的立体示意图。

图中：1第一支架，11第一磁铁，12第一U型弹簧片，13绝缘介质层，14夹板，15第二磁铁，16电容器，17信号检测单元，18连线，19窗口，2第二支架，21第二U型弹簧片，22调节螺丝，23振动电路，24前置放大器，25外孔，26内孔，3热膨胀补偿单元，31底座，32凸起，4待测物体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如附图1-3所示，一种非接触式电容传感器装置，包括第一支架1，以及与第一支架1相对的待测物体；第一支架1中包括第一磁铁11、第一U型弹簧片12、绝缘介质层13、电容器16和夹板14，第二磁铁15与待测物体4一起移动。本发明中第一支架1所在部位为传感器主体，固定在长程台上，第二磁铁15固定在短程台上。

请参阅附图1-3，电容器16包括正极板和负极板，正极板和负极板在垂直方向上交叉排列，绝缘介质层平行于正极板和负极板，且部分位于相邻的正极板和负极板之间，即电容器极板和绝缘介质层呈叉指状分布；本发明中绝缘介质层和电容器极板可以接触或者不接触。正极板和负极板连接至信号检测单元17。第一磁铁11与第二磁铁15相对设置，第一磁铁11通过连线18连接第一U型弹簧片12，第一U型弹簧片12靠近第一磁铁11的一端固定连接绝缘介质层13，绝缘介质层13和第一磁铁11之间固定电容器16，电容器16被固定在夹板14上，夹板14固定在第一支架1上；夹板是为了固定电容器极板，防止电容器极板下垂变形，如附图3所示，假设电容器极板的中心为原点，绝缘介质层移动方向为x轴，本发明中绝缘介质层被固定在第一U型弹簧片上，且随着第一U型弹簧片沿着x轴方向移动，为了确保绝缘介质层在x轴方向上移动顺畅，本发明中夹板连线平行于y轴方向。也就是说，第一磁铁和第二磁铁之间的作用力发生变化时，第一磁铁通过第一U型弹簧片带动绝缘介质层移动，但是夹板以及电容器是固定不变的；而绝缘介质层填充在正极板和负极板之间的相对面积发生变化，使得电容器中正极板和负极板之间被绝缘介质层覆盖的面积发生变化。

优选的，绝缘介质层采用热膨胀系数较小的材料制备而成，例如陶瓷、云母等，其厚度可以根据实际需要进行调整(100～150um)，绝缘介质层上下是电容器的正极板和负极板，具体的正极板和负极板可以为金属极板，例如铜片，其厚度可以为100～150um。电容器极板通过两个夹板固定在第一支架上，防止电容器极板下垂变形。

本发明电容器的正极板之间相连，负极板之间相连，实现电容器的并联。附图3中以三个电容器并联为例，实际根据对精度的要求可以进行更多个电容器的并联，具体可以采用10-1000个电容器进行并联。假设一个电容器的精度为100nm，通过100个电容器并联，精度提高100倍，即10个电容器并联之后的电容精度为10nm，1000个电容器并联之后的电容精度为0.1nm，精度可以达到1nm以下，这种精度水平的电容器应用在对精度要求极高的设备中，例如光刻机中。

本发明中电容器能够测量位移的原理为：当待测物体移动时，第一磁铁和第二磁铁之间的作用力发生变化，第一磁铁带动连线和第一U型弹簧片的位置发生变化，第一U型弹簧片带动绝缘介质层的位置发生变化，从而使得相邻正极板和负极板之间被绝缘介质层覆盖的面积发生变化，获取电容器的电容值变化信息，根据电容传感器装置的电容变化计算待测物体移动方向和位移。例如，当待测物体朝着靠近电容传感器方向移动时，第一磁铁带动连线、第一U型弹簧片和绝缘介质层朝着与待测物体移动方向相同的方向移动，此时，相邻正极板和负极板之间被绝缘介质层覆盖的面积变大，电容器的电容值变大，且电容值的变化与待测物体的移动位移具有对应关系；相反的，当待测物体朝着远离电容传感器方向移动时，电容器的电容值变小，且电容值的变化与待测物体的移动位移具有对应关系。本发明可以根据电容器电容值的变化来计算待测物体的移动方向和位移。

本发明还包括第二支架2，第一支架1位于第二支架2中，第二支架2中还包括第二U型弹簧片21和调节螺丝22，第二U型弹簧片21的一端与第一支架1中第一U型弹簧片12所在一侧连接，另一端连接调节螺丝22，调节螺丝22和第二U型弹簧片21通过螺纹连接，调节螺丝22旋转可以带动第二U型弹簧片21以及第一支架1朝着第二磁铁15移动；调节螺丝22调节第一磁铁和第二磁铁之间的距离，使得电容器位于第一磁铁和第二磁铁的力程之间。本发明中电容器安装时，通过调节螺丝带动第二U型弹簧片，将电容传感器固定在第一磁铁和第二磁铁的力程中间，这样无论短程台远离还是靠近长程台，都有足够的灵敏度。可以通过调整磁铁的横截面，调整相互作用磁力，进而调整作用的距离；横截面越大，相互作用力越大，可以非接触的距离可以设置的越大。第二支架接地。在要求安装精度较高的地方，调节螺丝需要包括固定锁死单元，用于固定第一支架的位置。需要注意的是，第一支架的位置是固定不变的，但是第一支架中的第一U型弹簧片以及绝缘介质层的位置是随第一磁铁与第二磁铁之间的相对力而变化的。

本发明还包括振荡电路23、前置放大器24，电容器16连接振荡电路23，振荡电路23连接前置放大器24，前置放大器24连接信号检测单元17。电容器的电容信号放大后，可以通过加一外置电阻R，和电容器C形成振荡电路，C＝ε₀ε_r S/d，振荡频率f＝1/RC，根据需要的响应频率来选择外置电阻的大小。同时在振荡电路中加运算放大器，增加测量的灵敏度。

请继续参阅附图1-3，第一磁铁11位于第一支架1的内部，且第一支架1侧面上相对第一磁铁11的位置设置窗口19，该窗口为透磁窗口；窗口上覆盖金属薄膜，例如铝。为了减小噪声，第二支架是金属支架，并将第二支架接地；为了不影响磁力，第一支架在第一磁铁处开口所覆盖的薄膜是金属膜并不阻碍磁力线通过。信号从第二支架内部引出来时，需要在第二支架和第一支架上钻孔，如附图1所示，通过内孔26以及外孔25以及信号引线将前置放大器的信号进行引出。为了不影响屏蔽效应，信号引线需要用热膨胀系数极小的材料，且尽量细的信号线。

电容器极板会因为热胀冷缩造成电容的变化，实施例中，电容器极板的热胀冷缩发生在绝缘介质层移动方向。电容器极板热胀会造成电容器极板在绝缘介质层之间的面积变大，造成电容值变大；反之，电容器极板冷缩会造成电容器极板和在绝缘介质层之间的面积变小，造成电容值变小；此时可以用热膨胀补偿单元3来抵消电容器极板的热胀冷缩，具体的，电容器极板两侧的两个夹板分别对应一个热膨胀补偿单元。其中，热膨胀补偿单元包括底座31和凸起32，热膨胀补偿单元3通过底座31固定在第一支架1上，热膨胀补偿单元3的凸起32固定在夹板一侧，推动或者拉扯夹板进行位置补偿。电容传感器装置的温度发生变化时，电容器极板膨胀的长度与凸起32膨胀的长度抵消，热膨胀材料的长度L根据电容极板的热膨胀系数来决定；当电容器极板发生热胀时，热膨胀补偿单元也会热胀，从而推动夹板14远离热膨胀补偿单元，使得电容器极板在绝缘介质层16之间的面积变小，将变大的电容值再减小到热胀之前水平；当电容器极板发生冷缩时，热膨胀补偿单元也会冷缩，从而推动夹板14靠近热膨胀补偿单元，使得电容器极板在绝缘介质层16之间的面积变大，将变小的电容值再增大到冷缩之前水平。热膨胀补偿单元位于夹板远离第二磁铁的一侧。例如将电容器应用在光刻机上，光刻机所在的工厂温度控制在22±2℃，在这个温度范围内，电容器极板和热膨胀补偿单元材料的膨胀系数是常数。在光刻机中，对于固定的温度变化△T，可以固定突出底座的膨胀材料长度L，使得L在△T范围内的长度变化可以推动夹板，使得正好将电容器极板的膨胀补偿掉。L越大，对同一种材料，同一个温度变化下，膨胀或者缩小的尺寸越大。所以可以选择与电容器极板相同或者不同的材料，通过控制L的长度，调节补偿的位移的大小。

以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种非接触式电容传感器装置，其特征在于，包括第一支架，以及与第一支架相对的待测物体；所述第一支架中包括第一磁铁、第一U型弹簧片、绝缘介质层、电容器和夹板；

所述第一磁铁与第二磁铁相对设置，待测物体与第二磁铁一起移动，所述第一磁铁通过连线连接第一U型弹簧片，所述第一U型弹簧片靠近第一磁铁的一端固定连接绝缘介质层；

所述电容器包括正极板和负极板，所述正极板和负极板在垂直方向上交叉排列，所述绝缘介质层平行于正极板和负极板，且部分位于相邻的正极板和负极板之间；所述正极板和负极板连接至信号检测单元；所述电容器被固定在夹板上；

当所述待测物体移动时，所述第一磁铁和第二磁铁之间的作用力发生变化，所述第一磁铁带动连线和第一U型弹簧片的位置发生变化，所述第一U型弹簧片带动所述绝缘介质层的位置发生变化，从而使得相邻正极板和负极板之间被绝缘介质层覆盖的面积发生变化，获取电容器的电容值变化信息。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式电容传感器装置，其特征在于，还包括第二支架，所述第一支架位于所述第二支架中，所述第二支架中还包括第二U型弹簧片和调节螺丝，所述第二U型弹簧片的一端与所述第一支架中第一U型弹簧片所在一侧连接，另一端连接所述调节螺丝，所述调节螺丝和所述第二U型弹簧片通过螺纹连接，所述调节螺丝旋转可以带动第二U型弹簧片以及第一支架朝着第二磁铁移动；所述调节螺丝调节第一磁铁和第二磁铁之间的距离，使得电容器位于所述第一磁铁和第二磁铁的力程之间。

3.根据权利要求2所述的一种非接触式电容传感器装置，其特征在于，所述第二支架接地。

4.根据权利要求2所述的一种非接触式电容传感器装置，其特征在于，所述调节螺丝包括固定锁死单元，用于固定所述第一支架的位置。

5.根据权利要求1所述的一种非接触式电容传感器装置，其特征在于，还包括振荡电路、前置放大器，所述电容器连接所述振荡电路，所述振荡电路连接所述前置放大器，所述前置放大器连接所述信号检测单元。

6.根据权利要求1所述的一种非接触式电容传感器装置，其特征在于，所述电容器的正极板之间相连，负极板之间相连，实现电容器的并联。

7.根据权利要求1所述的一种非接触式电容传感器装置，其特征在于，所述第一磁铁位于所述第一支架的内部，且所述第一支架侧面上正对第一磁铁的位置设置窗口，所述窗口上覆盖可供磁力线穿过的金属薄膜。

8.根据权利要求1所述的一种非接触式电容传感器装置，其特征在于，所述第一支架内部还包括热膨胀补偿单元，所述热膨胀补偿单元包括底座和凸起，所述底座固定在所述第一支架上，所述凸起连接在所述夹板的一侧；所述电容传感器装置的温度发生变化时，电容器极板膨胀的长度与所述凸起部分膨胀的长度抵消。

9.根据权利要求8所述的一种非接触式电容传感器装置，其特征在于，所述热膨胀补偿单元位于所述夹板远离第二磁铁的一侧。

10.根据权利要求1所述的一种非接触式电容传感器装置，其特征在于，所述待测物体移动时，获取电容器的电容值变化信息，根据电容传感器装置的电容变化计算待测物体移动方向和位移。

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