CN218274277U - 电容器装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电容器装置，电容器装置包括电容器和金属针，金属针的一端可伸缩设置于电容器中，金属针的另一端接地，用于调整电容器的电容值。其中，金属针的直径小于预设直径阈值。本装置中通过将金属针的一端可伸缩设置于电容器中，金属针的另一端接地，从而改变输出的电容值的大小，并且，在金属针的直径小于预设直径阈值，且设置于电容器中的金属针的一端的长度较小时，可以引起输出电容值的微小变化，提高了电容分辨率。

Description

电容器装置

技术领域

本申请涉及电容器技术领域，特别是涉及一种电容器装置。

背景技术

随着电子信息技术的日新月异，电子产品的更新换代速度越来越快，而这些电子产品产销量持续增长，带动了电容器产业增长。以可计算电容器为例，被应用于测微压力计、测量液体介电常数的精密系统。目前的可计算电容器，主要工作在真空环境下，输出的电容C和屏蔽电极距离l的关系表示为C＝C₀l，其中，C₀是一个可以确定的常数值，则输出电容大小仅与屏蔽电极距离有关，若要获得高分辨率的电容变化，则需要较高的屏蔽电极的位移控制精度。例如，若要获得0.1aF的电容变化，则需要位移控制精度优于52nm，然而，目前的屏蔽电极的位移控制精度和位移测量精度难于实现，因此导致可计算电容器输出的分辨率受限。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高电容器分辨率的电容器装置。

第一方面，本申请提供了一种电容器装置，所述电容器装置包括电容器和金属针，所述金属针的一端可伸缩设置于所述电容器中，所述金属针的另一端接地，用于调整所述电容器的电容值；其中，所述金属针的直径小于预设直径阈值。

在其中一个实施例中，所述金属针为圆柱体或多边体。

在其中一个实施例中，所述金属针的一端为尖端。

在其中一个实施例中，所述电容器包括第一屏蔽电极、关于所述第一屏蔽电极对称设置的两个第一电极，第一长度小于两个所述第一电极的第二长度，其中，所述第一长度等于所述第一屏蔽电极与所述两个第一电极在轴向方向上重叠的长度；

所述金属针的一端沿第一目标电极的径向方向、且朝向所述第一屏蔽电极插入在所述第一目标电极的目标区域，并穿透所述目标区域；

其中，所述第一目标电极包括两个所述第一电极中的任一个电极，所述目标区域包括所述第一目标电极上除去与所述第一长度对应的区域之外的其他区域。

在其中一个实施例中，所述电容器还包括关于所述第一屏蔽电极对称设置的两个第二电极，所述第一屏蔽电极、所述两个第一电极以及所述两个第二电极组成可计算电容器，且所述两个第二电极的长度等于所述第二长度；

所述第二目标电极包括两个所述第二电极中的任一个电极，所述目标区域还包括所述第二目标电极上除去与所述第一长度对应的区域之外的其他区域。

在其中一个实施例中，所述金属针的一端经过所述第一目标电极的轴心插入在所述目标区域，或者，所述金属针的一端经过所述第二目标电极的轴心插入在所述目标区域。

在其中一个实施例中，所述可计算电容器还包括第二屏蔽电极，所述两个第一电极关于所述第二屏蔽电极对称设置，所述两个第二电极关于所述第二屏蔽电极对称设置，且所述第一长度与第三长度之和小于所述第二长度；其中，所述第三长度等于所述第二屏蔽电极与所述两个第二电极在轴向方向上重叠的长度。

在其中一个实施例中，所述目标区域包括所述第一目标电极上除去与所述第一长度和所述第三长度对应的区域之外的其他区域。

在其中一个实施例中，所述两个第一电极和所述两个第二电极均为圆柱体。

在其中一个实施例中，所述电容器包括平行板电容器，所述平行板电容器包括第一平行板电极和第二平行板电极，所述金属针的一端设置于所述第一平行板电极和所述第二平行板电极之间。

上述电容器装置包括电容器和金属针，金属针的一端可伸缩设置于电容器中，金属针的另一端接地，用于调整电容器的电容值。其中，金属针的直径小于预设直径阈值。本装置中通过将金属针的一端可伸缩设置于电容器中，金属针的另一端接地，从而改变输出的电容值的大小，并且，在金属针的直径小于预设直径阈值，且设置于电容器中的金属针的一端的长度较小时，可以引起输出电容值的微小变化，提高了电容分辨率。

附图说明

图1为一个实施例中可计算电容器的原理示意图；

图2为一个实施例中电容器装置的第一结构示意图；

图3为一个实施例中金属针的结构示意图；

图4为一个实施例中电容器装置的第二结构示意图；

图5为一个实施例中电容器装置的第三结构示意图；

图6为一个实施例中电容器装置的第四结构示意图；

图7为一个实施例中电容器装置的第五结构示意图。

100、电容器装置； 10、电容器； 20、金属针；

201、金属针的一端； 202、金属针的另一端； 101、第一屏蔽电极；

102、第一电极； 103、第二电极； 104、第二屏蔽电极；

105、第一平行板电极； 106、第二平行板电极。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如，两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

可计算电容是基于A.M.Thompson和D.G.Lampard在1956年提出的一个静电学上的新定理，这一定理简述如下：如图1所示，对于任意形状截面的无限长导电柱面，用四个无限小的绝缘间隙将其在四个位置隔离开来，使其成为四个电极，相对的一组电极构成一个电容器，四个电极构成了两个电容器。这两个电容器的单位长度电容和存在有关系式：

其中C₀＝(ε₀ε_r)/π*ln 2，是一个可以确定的常数值。ε₀为真空介电常数，ε_r柱面内部空间的介质的相对介电常数。C₁、C₂被称为交叉电容，其平均电容为：

其中，ΔC＝C₁-C₂，当C₁、C₂较为接近时，平均电容与C₀的误差为二阶以上的小量。当电容器的纵向长度为l时，输出的电容量为C＝C₀l，输出的电容仅与轴向长度l有关。在真空条件下，C₀＝1.95354902pF/m。

从上世纪70年代起，可计算电容就被国内外计量机构用作复现电磁计量学中电容、电阻、电感等参量的标准，其中美、澳、日、英的复现精度均在±10^-7以上。可计算电容除了用于复现国际标准单位，也能够作为电容器，应用在高精度的电容传感器上，包括测微压力计、测量液体介电常数的精密系统。可计算电容的特点是其输出的电容值与其轴向长度成正比，与横截面的形状和几何尺寸无关，将电容精度转移到了长度精度上，若要获得高分辨率的电容变化，则需要较高的屏蔽电极的位移控制精度。例如，若要获得0.1aF的电容变化，则需要位移控制精度优于52nm，然而，目前的屏蔽电极的位移控制精度和位移测量精度难于实现，因此导致可计算电容器输出的分辨率受限。因此，本申请提出了一种用于解决上述技术问题的电容器装置。

图2为一个实施例中电容器装置100的第一结构示意图，如图2所示，电容器装置100包括电容器10和金属针20，金属针的一端201可伸缩设置于电容器10中，金属针的另一端202接地，用于调整电容器10的电容值；其中，金属针20的直径小于预设直径阈值。

具体地，电容器10具有高低电位的两极，金属针的一端201可伸缩设置于电容器10的两极之间，由于金属针20的插入，导致电容器10两极之间的部分电场线被阻挡，改变电容器10两极之间的电场分布，从而引起电容器10输出电容的变化。

可选的，预设直径阈值可以为1mm、0.6mm等，当金属针20的直径足够小的时候，引起电容器10输出电容的变化更加精确，提高了电容分辨率。

可选的，金属针20可以为圆柱体或多边体，进一步地，金属针20还可以为一端为圆柱体或多边体，另一端为尖端。如图3所示，金属针的一端201呈圆锥体(即尖端状)，金属针20非尖端状的一端通过引线接地，带尖端的一端可伸缩设置于电容器10的两极之间。若金属针20两端都是不带尖端的，则将任意一端可伸缩设置于电容器10的两极之间，另一端通过引线接地。

在本实施例中，将金属针的一端201设置为尖端，目的也是为了减小金属针20的直径，在将金属针20设置在电容器10中时，若只将金属针20的尖端最顶端设置于电容器10两极之间时，对电容器10输出的电容产生影响的只有金属针20的尖端最顶端部分，从而使得电容器10输出电容的变化量更小，电容分辨率更高。

上述电容器装置包括电容器和金属针，金属针的一端可伸缩设置于电容器中，金属针的另一端接地，用于调整电容器的电容值。其中，金属针的直径小于预设直径阈值。本装置中通过将金属针的一端可伸缩设置于电容器中，金属针的另一端接地，从而改变输出的电容值的大小，并且，在金属针的直径小于预设直径阈值，且设置于电容器中的金属针的一端的长度较小时，可以引起输出电容值的微小变化，提高了电容分辨率。

图4为一个实施例中电容器装置100的第二结构示意图，如图4所示，电容器包括第一屏蔽电极101、关于第一屏蔽电极101对称设置的两个第一电极102，第一长度小于两个第一电极102的第二长度，其中，第一长度等于第一屏蔽电极101与两个第一电极102在轴向方向上重叠的长度；金属针的一端201沿第一目标电极的径向方向、且朝向第一屏蔽电极101插入在第一目标电极的目标区域，并穿透目标区域；其中，第一目标电极包括两个第一电极中102的任一个电极，目标区域包括第一目标电极上除去与第一长度对应的区域之外的其他区域。

其中，第一长度等于第一屏蔽电极101与两个第一电极102在轴向方向上重叠的长度，第一长度小于第一电极102的第二长度，因此，第一屏蔽电极101的总的长度可以等于第一长度，也可以大于第一长度，本申请实施例对此不做限制。

其中，目标区域包括第一目标电极上除去与第一长度对应的区域之外的其他区域。即图4中对应的第一屏蔽电极101的下端至第一电极102底端的距离部分。

在本实施例中，如图4所示，在两个第一电极102构成的电容器的基础上，设置第一屏蔽电极101，第一屏蔽电极101用来阻挡两个第一电极102在该段区域上的电场线。此时，将金属针的一端201沿两个第一电极102中的任意一个电极的径向方向、且朝向第一屏蔽电极101插入在第一目标电极的目标区域，并穿透目标区域，穿透过目标区域的金属针为对电容器的电容值产生影响的部分。同样的，金属针穿过目标区域的部分越少，电容器的电容值的变化量越小，即电容分辨率越高。

在本实施例中，电容器包括第一屏蔽电极、关于第一屏蔽电极对称设置的两个第一电极，第一长度小于两个第一电极的第二长度，其中，第一长度等于第一屏蔽电极与两个第一电极在轴向方向上重叠的长度；金属针的一端沿第一目标电极的径向方向、且朝向第一屏蔽电极插入在第一目标电极的目标区域，并穿透目标区域；其中，第一目标电极包括两个第一电极中的任一个电极，目标区域包括第一目标电极上除去与第一长度对应的区域之外的其他区域。由于第一屏蔽电极的位移控制精度难以实现，本实施例不需要改变第一屏蔽电极的位置即可实现电容的微小变化。

图5为一个实施例中电容器装置100的第三结构示意图，如图5所示，电容器还包括关于第一屏蔽电极101对称设置的两个第二电极103，第一屏蔽电极101、两个第一电极102以及两个第二电极103组成可计算电容器，且两个第二电极103的长度等于第二长度；第二目标电极包括两个第二电极103中的任一个电极，目标区域还包括第二目标电极上除去与第一长度对应的区域之外的其他区域。

在本实施例中，如图5所示，两个第一电极102和两个第二电极103之间距离相距很近，构成可计算电容器的四个主电极，分别通过引线输出(即在图5圆柱体的上端截面通过引线输出电容值)，第一屏蔽电极101位于四个主电极构成的间隙之间，第一屏蔽电极101也通过引线输出，并接地，起到屏蔽作用，第一屏蔽电极101可以沿着两个第一电极102和两个第二电极103的轴向方向上下移动，改变电容器电容值的变化。

可选的，两个第一电极102和两个第二电极103均为圆柱体。

可选的，金属针20可以经过第一目标电极或者第二目标电极的轴心穿过目标区域，也可以不经过第一目标电极或者第二目标电极的轴心穿过目标区域。另一方面，金属针20在穿过目标区域时，可以在该目标区域的任意高度位置插入，即金属针20可以在目标区域的任意位置插入第一目标电极或者第二目标电极。

进一步地，图6为一个实施例中电容器装置100的第四结构示意图，如图6所示，可计算电容器还包括第二屏蔽电极104，两个第一电极102关于第二屏蔽电极104对称设置，两个第二电极103关于第二屏蔽电极104对称设置，且第一长度与第三长度之和小于第二长度；其中，第三长度等于第二屏蔽电极104与两个第二电极103在轴向方向上重叠的长度。

目标区域包括第一目标电极上除去与第一长度和第三长度对应的区域之外的其他区域。

在本实施例中，如图6所示，可计算电容器还包括第二屏蔽电极104，第一屏蔽电极101和第二屏蔽电极104设置于两个第一电极102和两个第二电极103的间隙之间，即两个第一电极102同时关于第一屏蔽电极101和第二屏蔽电极104对称设置，两个第二电极103同时关于第一屏蔽电极101和第二屏蔽电极104对称设置。第一屏蔽电极101和第二屏蔽电极104端部的距离可以通过激光干涉的方法来精确测得。

其中，目标区域包括第一目标电极上除去与第一长度和第三长度对应的区域之外的其他区域。即图6中标注为L的部分。

本申请实施例中，分别提供了两种不同的可计算电容器的结构示意图，第一种结构示意图：电容器还包括关于第一屏蔽电极对称设置的两个第二电极，第一屏蔽电极、两个第一电极以及两个第二电极组成可计算电容器，且两个第二电极的长度等于第二长度；第二目标电极包括两个第二电极中的任一个电极，目标区域还包括第二目标电极上除去与第一长度对应的区域之外的其他区域。第二种结构示意图：可计算电容器还包括第二屏蔽电极，两个第一电极关于第二屏蔽电极对称设置，两个第二电极关于第二屏蔽电极对称设置，第三长度小于第二长度，且第一长度与第三长度之和小于第二长度；其中，第三长度等于第二屏蔽电极与两个第二电极在轴向方向上重叠的长度。目标区域包括第一目标电极上除去与第一长度和第三长度对应的区域之外的其他区域。本实施例对电容器装置进行了扩充，提供了多种可能的实现方式。

图7为一个实施例中电容器装置100的第五结构示意图，如图7所示，电容器包括平行板电容器，平行板电容器包括第一平行板电极105和第二平行板电极106，金属针的一端201设置于第一平行板电极105和第二平行板电极106之间。

在本实施例中，如图7所示，电容器是由两个平行板构成的电容器，金属针的一端201设置于第一平行板电极105和第二平行板电极106之间。可选的，可以将金属针的一端201沿着第一平行板电极105和第二平行板电极106的平行方向移动，金属针的另一端202接地，平行板电容器的输出电容就随之发生变化。同样的，第一平行板电极105和第二平行板电极106之间的插入的金属针20的多少，决定了电容分辨率的大小。

需要说明的是，本申请提出的电容器装置不仅限于本申请提出的可计算电容器和平行板电容器，只要是通过金属针改变电容变化、提高电容分辨率都属于本申请所保护的技术范围。

在一个实施例中，按照上述实施例所示的方法，将金属针沿径向插入到可计算电容器的其中第一电极中，金属针的尖端位于第一电极与第一屏蔽电极和第二屏蔽电极之间的空隙之间，金属针的另一端通过引线接地。对该电容器装置进行仿真，基于此方法所获得的电容分辨率可达0.4aF/um，优于可计算电容原理性的C₀＝1.95354902aF/um。由此可知，金属针的加入会使得两个第一电极之间的部分电场线受到了阻挡，影响了电场的分布，因而两个第一电极所构成的电容会发生改变。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电容器装置，其特征在于，所述电容器装置包括电容器和金属针，所述金属针的一端可伸缩设置于所述电容器中，所述金属针的另一端接地，用于调整所述电容器的电容值；其中，所述金属针的直径小于预设直径阈值。

2.根据权利要求1所述的电容器装置，其特征在于，所述金属针为圆柱体或多边体。

3.根据权利要求1所述的电容器装置，其特征在于，所述金属针的一端为尖端。

4.根据权利要求1所述的电容器装置，其特征在于，所述电容器包括第一屏蔽电极、关于所述第一屏蔽电极对称设置的两个第一电极，第一长度小于两个所述第一电极的第二长度，其中，所述第一长度等于所述第一屏蔽电极与所述两个第一电极在轴向方向上重叠的长度；

所述金属针的一端沿第一目标电极的径向方向、且朝向所述第一屏蔽电极插入在所述第一目标电极的目标区域，并穿透所述目标区域；

其中，所述第一目标电极包括两个所述第一电极中的任一个电极，所述目标区域包括所述第一目标电极上除去与所述第一长度对应的区域之外的其他区域。

5.根据权利要求4所述的电容器装置，其特征在于，所述电容器还包括关于所述第一屏蔽电极对称设置的两个第二电极，所述第一屏蔽电极、所述两个第一电极以及所述两个第二电极组成可计算电容器，且所述两个第二电极的长度等于所述第二长度；

第二目标电极包括两个所述第二电极中的任一个电极，所述目标区域还包括所述第二目标电极上除去与所述第一长度对应的区域之外的其他区域。

6.根据权利要求5所述的电容器装置，其特征在于，所述金属针的一端经过所述第一目标电极的轴心插入在所述目标区域，或者，所述金属针的一端经过所述第二目标电极的轴心插入在所述目标区域。

7.根据权利要求5所述的电容器装置，其特征在于，所述可计算电容器还包括第二屏蔽电极，所述两个第一电极关于所述第二屏蔽电极对称设置，所述两个第二电极关于所述第二屏蔽电极对称设置，且所述第一长度与第三长度之和小于所述第二长度；其中，所述第三长度等于所述第二屏蔽电极与所述两个第二电极在轴向方向上重叠的长度。

8.根据权利要求7所述的电容器装置，其特征在于，所述目标区域包括所述第一目标电极上除去与所述第一长度和所述第三长度对应的区域之外的其他区域。

9.根据权利要求5-8任一项所述的电容器装置，其特征在于，所述两个第一电极和所述两个第二电极均为圆柱体。

10.根据权利要求1-3任一项所述的电容器装置，其特征在于，所述电容器包括平行板电容器，所述平行板电容器包括第一平行板电极和第二平行板电极，所述金属针的一端设置于所述第一平行板电极和所述第二平行板电极之间。

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