电容式传感器及陀螺仪的制作方法

xiaoxiao2020-7-23  10

专利名称:电容式传感器及陀螺仪的制作方法
技术领域
本发明涉及一种传感器,尤其涉及一种电容式传感器及使用该电容式传感器的陀 螺仪。
背景技术
利用电容来测量两个物体之间的相对位置是众所周知的。传统的检测方法是把两 片导电板分别固定在两个相对运动的物体上,使得两个导电板彼此对应且间隔一定距离。 所述两片导电板和夹在中间的电介质(如空气)一起构成电容,当两片导电板之间的间距 一定时,所述电容的电容量依赖于两片导电板彼此重叠的面积。当物体移动时,重叠面积发 生变化,导致两片导电板之间的电容量产生相应的变化。根据电容量的变化就可确定物体 之间的相对运动量。然而,传统的电容式传感器一般用于量测两个物体之间的直线运动量或者物体的 加速度,不能将物体的角速度上变化转化为导电板之间电容量的变化,从而无法实现对物 体角速度的量测。

发明内容
有鉴于此,有必要提供一种能量测物体角速度的电容式传感器及使用该电容式传 感器的陀螺仪。一种电容式传感器,其包括一定极板、一动极板及一弹性装置;所述定极板包括一 底板、一侧壁、多个第一支架及多个定栅;所述侧壁呈圆环状,固设于底板边缘;所述多个 第一支架间隔均勻的固设于侧壁内侧;所述多个定栅沿同一方向垂直固设于第一支架上; 所述弹性装置一端固设于底板上,另一承载所述动极板;所述动极板包括多个第二支架及 多个动栅;所述多个第二支架间隔均勻的固设于弹性装置的另一端;所述多个动栅沿与定 栅的朝向相反的方向垂直固设于第二支架上;所述定栅与动栅相互交错重叠从而形成电容 的两极。一种陀螺仪,其包括一承载装置、一电路模块及三个电容式传感器;所述三个电容 式传感器分别沿空间坐标轴的三个相互垂直的方向固设在承载装置上;所述电路模块对电 容式传感器感测的信号进行处理;所述电容式传感器包括一定极板、一动极板及一弹性装 置;所述电容式传感器包括一定极板、一动极板及一弹性装置;所述定极板包括一底板、一 侧壁、多个第一支架及多个定栅;所述侧壁呈圆环状,固设于底板边缘;所述多个第一支架 间隔均勻的固设于侧壁内侧;所述多个定栅沿同一方向垂直固设于第一支架上;所述弹性 装置一端固设于底板上,另一承载所述动极板;所述动极板包括多个第二支架及多个动栅; 所述多个第二支架间隔均勻的固设于弹性装置的另一端;所述多个动栅沿与定栅的朝向相 反的方向垂直固设于第二支架上;所述定栅与动栅相互交错重叠从而形成电容的两极。与现有技术相比,本发明提供的电容式传感器,通过可转动连接于弹性装置的动 栅的转动,使动栅与其相互交错重叠的定栅之间相对面积发生改变,从而定极板与动极板之间电容量的变化,则实现对带动电容式传感器转动的装置的角速度量测。本发明还提供 一种使用该电容式传感器的陀螺仪。


图1为本发明实施方式提供的电容式传感器的结构示意图。图2为图1中电容式传感器的使用状态示意图。图3为使用图1中电容式传感器的陀螺仪的立体示意图。
具体实施例方式请参阅图1,本发明实施方式提供的一种电容式传感器100,其用于对物体的角速 度进行量测。所述电容式传感器100包括一模拟装置10、一电容量测电路20及一数/模转 化模块30。所述模拟装置10用于将角速度转化为电容量的变化,所述电容量测电路20用 于将微小的电容量的变化转化为电压信号,所述数/模转化模块30将模拟的电压信号转化 为数字信号。所述模拟装置10 呈圆柱状,其是采用 MEMS (Micro Flectro Mechanical Systems) 技术在硅材料上蚀刻而成。该模拟装置10包括一定极板11、一动极板12及一弹性装置13。 所述动极板12固设于弹性装置13上,并与所述定极板11相重叠。所述定极板11包括一底板111、一侧壁112、多个第一支架113及多个定栅114。 所述底板111为一圆形基板。所述侧壁112呈圆环状,其固设于底板111边缘,并环绕所述 底板111。所述多个第一支架113间隔均勻的设置于侧壁112内侧,且每个第一支架113都 垂直于底板111与侧壁112。所述定栅114为多个具有同一圆心的弧形片,所述定栅114沿 顺时针方向垂直设置于第一支架113上。设置在同一第一支架113上的多个定栅114呈等 间距排列,所述多个定栅114的弧长从靠近侧壁112的一端到远离侧壁112的另一端逐渐 减小。本实施方式中,所述定极板11包括四个第一支架113,在每个第一支架113上设置有 三个定栅114。所述动极板12包括多个第二支架121及多个动栅122。所述动栅122为多个具有 同一圆心的弧形片,所述动栅122沿逆时针方向垂直固设于第二支架121上。设置于同一 第二支架121上的多个动栅122呈等间距排列,所述多个动栅122的弧长从靠近侧壁112 的一端到远离侧壁112的另一端逐渐减小。本实施方式中,所述动极板12包括四个第二支 架121,在每个第二支架121上设置有三个动栅122。所述弹性装置13为一弹性材料螺旋上升绕设而成的塔簧,所述弹性装置13由下 至上的旋转半径逐渐增大。当在所述弹性装置13的外圈上施加扭力时,所述弹性装置13可 向其圆心处收缩或者相对其圆心向外扩展。可以理解,当在所述弹性装置13的外圈上施加 压力时,所述弹性装置13的外圈可向其圆心压缩或远离圆心而伸长。所述弹性装置13也 可以是弹性材料在同一表面上依次绕设而成的涡卷簧。在组装过程中,所述弹性装置13圆心处的一端设置于底板111的中心,所述第二 支架121间隔均勻的设置在所述弹性装置13的外圈上,且所述第二支架121与所述第一支 架113依次交替使得所述定栅114与动栅122相互交错从而形成电容的两极。为提高电容 式传感器100的灵敏度,可减小定栅114与动栅122之间的间距,或提高定栅114和动栅122的片数以增加定极板11与动极板12重叠的面积。请参阅图2,在封装过程中,所述电容式传感器100被封装在一方形壳体200内,所 述定极板11固设于所述方形壳体200内。所述方形壳体200包括一电源端201、一接地端 202及一信号端203。所述信号端203与数模转化模块30相电性连接。在量测过程中,封装后所述电容式传感器100放置于待测物体300上,当待测物体 300沿如图2所示方向A转动时,由于所述定极板11固设于方形壳体200内,则定极板11 与待测物体300 —起沿方向A转动。而所述动极板12在惯性的作用下保持不动,所述动极 板12相对定极板11沿与方向A相反的方向转动。根据公式C= ε ε(ιΑ/δ,其中C为电 容量,^为真空介电常数,ε为极板间介质的相对介电常数,A为极板间相对面积,δ为极 板间距。由于动极板12相对定极板11转动过程中,定极板11与动极板12的重叠面积发 生改变,且其他参数都没有发生变化,则定极板11与动极板12之间的电容量发生变化。本 实施方式中,所述沿方向A的角速度越大,则定极板11与动极板12的重叠面积就越大;反 之,则越小。所述电容量测电路20将当前状态定极板11与动极板12之间的电容量的微小 变化转化为电压信号。数/模转化模块30将电压信号转化为数字信号,从而完成对待测物 体300的角速度的量测。可以理解,所述电容式传感器100也可用于线速度的量测,当所述待测物体300沿 垂直于底板111的方向运动时,所述定极板11与动极板12的重叠面积发生改变,所述电容 量测电路20也可根据当前电容量的变化量测出待测物体300的线速度。请参阅图3,本发明还提供一种陀螺仪400,其包括一承载装置410、一电路模块 420及三个电容式传感器100a、IOObUOOc ;所述三个电容式传感100a、IOObUOOc器分别沿 空间坐标轴的三个相互垂直的方向固设在承载装置410上;所述电路模块420对电容式传 感器100a、100b、IOOc感测的信号进行处理;所述电容式传感器100a、100b、IOOc分别对空 间坐标轴X、Y、Z三个方向上的角速度进行量测。可以理解,所述陀螺仪400也可用于对空 间坐标系的线速度的量测。本发明实施方式提供的电容式传感器及陀螺仪,通过可转动连接于弹性装置的动 栅的转动,使动栅与其相互交错重叠的定栅之间相对面积发生改变,从而定极板与动极板 之间电容量的变化,则实现电容式传感器对角速度的量测。可以理解的是,对于本领域的普通技术人员来说,可以根据本发明的技术构思做 出其它各种相应的改变与变形,所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范 围。
权利要求
一种电容式传感器,其包括一定极板、一动极板及一弹性装置;所述定极板包括一底板、一侧壁、多个第一支架及多个定栅;所述侧壁呈圆环状,固设于底板边缘;所述多个第一支架间隔均匀的固设于侧壁内侧;所述多个定栅沿同一方向垂直固设于第一支架上;所述弹性装置一端固设于底板上,另一承载所述动极板;所述动极板包括多个第二支架及多个动栅;所述多个第二支架间隔均匀的固设于弹性装置的另一端;所述多个动栅沿与定栅的朝向相反的方向垂直固设于第二支架上;所述定栅与动栅相互交错重叠从而形成电容器的两极。
2.如权利要求1所述的电容式传感器,其特征在于所述电容式传感器是采用硅材料 制成。
3.如权利要求2所述的电容式传感器,其特征在于所述电容式传感器是采用MEMS技 术制造。
4.如权利要求1所述的电容式传感器,其特征在于所述电容式传感器还包括一电容 量测电路及一与所述电容量测电路电连接的数/模转化模块,所述定极板与动极板分别与 电容量测电路相电性连接。
5.如权利要求1所述的电容式传感器,其特征在于所述定栅与动栅都呈圆弧状。
6.如权利要求5所述的电容式传感器,其特征在于所述定栅的弧长从靠近侧壁的一 端到远离侧壁的另一端逐渐减小,所述动栅的弧长从靠近侧壁的一端到远离侧壁的另一端 逐渐增大。
7.如权利要求1所述的电容式传感器,其特征在于所述底板为一圆形基板。
8.如权利要求1所述的电容式传感器,其特征在于所述弹性装置为弹性材料螺旋上 升绕设而成的塔簧,所述弹性装置的旋转半径由下至上逐渐增大。
9.如权利要求1所述的电容式传感器,其特征在于所述弹性装置为弹性材料在同一 表面上依次绕设而成的涡卷簧。
10.一种陀螺仪,其包括一承载装置、一电路模块及三个电容式传感器;所述三个电容 式传感器分别沿空间坐标轴的三个相互垂直的方向固设在承载装置上;所述电路模块对电 容式传感器感测的信号进行处理;所述电容式传感器包括一定极板、一动极板及一弹性装 置;所述电容式传感器包括一定极板、一动极板及一弹性装置;所述定极板包括一底板、一 侧壁、多个第一支架及多个定栅;所述侧壁呈圆环状,固设于底板边缘;所述多个第一支架 间隔均勻的固设于侧壁内侧;所述多个定栅沿同一方向垂直固设于第一支架上;所述弹性 装置一端固设于底板上,另一承载所述动极板;所述动极板包括多个第二支架及多个动栅; 所述多个第二支架间隔均勻的固设于弹性装置的另一端;所述多个动栅沿与定栅的朝向相 反的方向垂直固设于第二支架上;所述定栅与动栅相互交错重叠从而形成电容器的两极。
全文摘要
一种电容式传感器,其包括定极板、动极板及弹性装置;定极板包括底板、侧壁、多个第一支架及多个定栅;侧壁呈圆环状,固设于底板边缘;多个第一支架间隔均匀的固设于侧壁内侧;多个定栅沿同一方向垂直固设于第一支架上;弹性装置一端固设于底板上,另一端承载动极板;动极板包括多个第二支架及多个动栅;多个第二支架间隔均匀的固设于弹性装置的另一端;多个动栅沿与定栅的朝向相反的方向垂直固设于第二支架上;定栅与动栅相互交错重叠形成电容的两极。所述电容式传感器通过弹性装置使定栅与动栅之间相对面积改变,实现对带动电容式传感器转动的装置的角速度量测。本发明还提供一种使用该电容式传感器的陀螺仪。
文档编号G01D5/241GK101893451SQ20091030254
公开日2010年11月24日 申请日期2009年5月22日 优先权日2009年5月22日
发明者张仁淙 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司;鸿海精密工业股份有限公司

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