[發(fā)明專利]通過電容技術(shù)感測間隙變化

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200580032893.7
• 申請日: 2005-09-28
• 公開（公告）號: CN101199050A
• 公開（公告）日: 2008-06-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 威廉·D·達(dá)倫巴赫;迪夫亞西姆哈·哈里什
• 申請（專利權(quán)）人: 北極星傳感器公司
• 主分類號: H01L23/34
• 分類號: H01L23/34
• 代理公司: 北京康信知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 章社杲;吳貴明

技術(shù)領(lǐng)域

本公開通常涉及測量裝置的技術(shù)領(lǐng)域，并且在一個(gè)實(shí)施例中涉及通過電容技術(shù)來感測間隙變化。

背景技術(shù)

測壓元件可以是將力轉(zhuǎn)換成差動信號(例如，差動電信號)的裝置(例如，換能器)。測壓元件可以用于各種工業(yè)用途(例如，標(biāo)度盤、卡車測重站、拉力測量系統(tǒng)、力測量系統(tǒng)、載荷測量系統(tǒng)等)。測壓元件可以通過使用應(yīng)變儀制成。應(yīng)變儀可以用于測量物體的變形(例如，應(yīng)變)。應(yīng)變儀可以包括柔性襯墊，該襯墊支撐蝕刻于該柔性襯墊上的金屬箔圖案。隨著物體發(fā)生變形，金屬箔圖案也發(fā)生變形，導(dǎo)致其電阻發(fā)生變化。

應(yīng)變儀可以與其它應(yīng)變儀相連接，從而以惠斯通電橋的結(jié)構(gòu)形成測壓元件(例如，由四個(gè)應(yīng)變儀構(gòu)造而成，該四個(gè)應(yīng)變儀中，其中一個(gè)具有未知值，其中一個(gè)是可變的，并且其中兩個(gè)是固定且相等的，它們連接成正方形的側(cè)邊)。當(dāng)輸入電壓施加到惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的測壓元件時(shí)，輸出可以變成與該測壓元件上的力成比例的電壓。該輸出可能需要通過放大器放大(例如，125X)后才可被用戶讀取(例如，因?yàn)榛菟雇姌蚪Y(jié)構(gòu)的原始輸出可能僅為幾毫伏)。此外，惠斯通電橋結(jié)構(gòu)下的測壓元件在操作時(shí)可能消耗大量能量(例如，數(shù)毫瓦的能量)。

制造惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的測壓元件可以包括一系列的操作(例如，精密加工、連接應(yīng)變儀、匹配應(yīng)變儀、環(huán)境保護(hù)技術(shù)、和/或信號調(diào)節(jié)電路中的溫度補(bǔ)償?shù)?。這些操作可能增加復(fù)雜性，其可提供僅為60％的生產(chǎn)率，并且可能使得測壓元件的特定設(shè)計(jì)僅能用于有限的測量范圍(例如，10-5,000磅之間)。此外，惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的局限性可能僅允許有限數(shù)量的波形因數(shù)(例如，S型波形因數(shù)和/或單點(diǎn)波形因數(shù)等)，以獲得所需的測壓元件特性。對于許多工業(yè)應(yīng)用來說，制造和使用測壓元件的各種操作的復(fù)雜性可能使得成本增加(例如，數(shù)百和數(shù)千美元)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明公開了一種通過電容技術(shù)來感測間隙變化。在一個(gè)方面中，裝置包括：第一導(dǎo)電表面和第二導(dǎo)電表面，該第二導(dǎo)電表面基本上平行于第一導(dǎo)電表面；以及傳感器，用于基于第一導(dǎo)電表面與第二導(dǎo)電表面之間的間距變化而產(chǎn)生測量值。該間距變化可以由第一導(dǎo)電表面相對于第二導(dǎo)電表面的偏移(deflection)而引起，并且該偏移可以是壓縮力和/或膨脹力。該間距變化可以由第一導(dǎo)電表面與/或第二導(dǎo)電表面之間的隔板的厚度變化而引起。

傳感器可以應(yīng)用算法，該算法將電容變化轉(zhuǎn)換成電壓變化和/或頻率變化，以產(chǎn)生測量值。該測量值可以是相對于第二導(dǎo)電表面施加于第一導(dǎo)電表面上方的表面的力。該間距變化可以由施加于第一導(dǎo)電表面和/或第二導(dǎo)電表面上方的表面的載荷而引起。第一導(dǎo)電表面和第二導(dǎo)電表面可以形成傳感電容器(例如，可變電容器)，并且傳感電容器的電容變化可以和第一導(dǎo)電表面與第二導(dǎo)電表面之間的間距變化成反比。

與裝置相連接的標(biāo)準(zhǔn)電容器可以使得傳感器能夠基于一個(gè)或多種環(huán)境條件(例如，第一導(dǎo)電表面與第二導(dǎo)電表面之間的間隙中的濕度、裝置的溫度、和/或裝置周圍環(huán)境的氣壓等)而調(diào)節(jié)(例如，補(bǔ)償)測量值。第一導(dǎo)電表面和/或第二導(dǎo)電表面可以制造成任何幾何形狀，包括矩形形狀、橢圓形形狀、和/或具有長度不全相同的側(cè)邊的形狀。第一導(dǎo)電表面和第二導(dǎo)電表面可以涂刷(paint)于形成裝置的任意個(gè)非導(dǎo)電印刷電路板上。

在另一方面中，裝置包括：標(biāo)準(zhǔn)電容器，其電容基于裝置周圍的環(huán)境條件而變化；傳感電容器，其電容基于形成傳感電容器的板的偏移和/或環(huán)境條件而變化；以及電路，用于在從傳感電容器的電容中消除環(huán)境條件的影響之后產(chǎn)生測量值。可以包括殼體，該殼體包圍標(biāo)準(zhǔn)電容器、傳感電容器、和電路。

經(jīng)受偏移的板可以結(jié)合于殼體中。該殼體可以由金屬板形成，這些金屬板均被激光蝕刻和/或粘合在一起，以形成所述殼體。殼體可以由可被磨削以形成該殼體的單個(gè)金屬塊形成。形成傳感電容器的板的偏移可以由施加于殼體的載荷引起，并且測量值可以是施加于殼體的力(例如，該力可以由載荷引起)。標(biāo)準(zhǔn)電容器與殼體底部之間的屏蔽隔板可以使影響測量值的寄生電容的影響最小化，并且屏蔽隔板的高度可以比標(biāo)準(zhǔn)電容器的板之間以及傳感電容器的板之間的板隔板大至少十倍。

形成標(biāo)準(zhǔn)電容器的每個(gè)板的面積可以比形成傳感電容器的每個(gè)板的面積大至少十倍，以減少產(chǎn)生測量值所需的放大量。電路可以包括無線發(fā)送器和無線接收器，并且裝置可以通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通信，該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析由裝置的各種操作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。