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专利名称：一种容栅位移传感器及其制作方法
技术领域：
本发明属于测量直线位移与角位移的传感器领域，尤指用容栅原理制作的传感器。
容栅位移传感器不必经A/D转换可直接数字化，同时具有体积小、功耗低的优点，在位移检测中得到了广泛的应用。容栅传感器的分辨率取决于相邻栅极的间距。通常的8路驱动鉴相式容栅传感器的分辨为0.01mm，相邻发射电极栅条的间距为0.635mm，一组栅极为8根，实际传感器用多组栅极并联，组间距为5.08mm，将各组中相同相位的栅极互联，目前常规是用印刷线路板(PCB板)双面布线的方法通过金属化小孔来实现。用现有的8路驱动鉴相式IC，容栅传感器若要达到0.001mm的分辩率，则相邻发射栅的间距应减小到0.0635mm，现今的光刻技术将栅刻细到0.0635mm以下是没有问题，但是在如此细的栅条上过孔连接就很困难，通常的PTH法(在印刷线路板上钻孔再金属化小孔)是不可能实现，用新近的多层印刷线路板技术IVH法(在未硬化的基板上光刻小孔并填充导电材料再将基板与铜箔层压成复合板)以及B2IT法(在铜箔上印导电桩，待干燥后再与未硬化的基板层压使导电桩穿透基板连通到另一铜箔)来制作0.001mm分辩率的栅片也非常困难，即使能制作出来，也由于所用的覆铜板基材不可避免地包含有环氧、酚醛等树脂材料，这些材料热膨胀系数大，且易吸潮，使得制成的栅片尺寸稳定性差，传感器精度难以提高。为了克服上述困难，中国专利CN1047436C公布了一种在陶瓷或玻璃基片上制作容栅传感器栅片的叠层法，一定程度上把栅作得更细了。该方法是先在陶瓷或玻璃基片上蒸镀金属层并做出栅条，再在金属层上制作绝缘层并在绝缘层上开窗口，最后在绝缘层上蒸镀第二金属层来连接同相位的栅条，这种一层叠一层的制作方法类似于在硅片上制作多层电路的IC工艺，需要进行多次对位光刻，第一次光刻细栅不困难，第二次光刻窗口必需对位(窗口对准细栅)，这需要有昂贵的精密对位光刻机，使得叠层法难以扩广应用。用一般的对位设备目前仅制作出了0.127mm间距的细栅，分辩率为0.002mm。叠层法的另一个缺点是两个蒸镀金属层通过窗口的电气连接常常不可靠，补救的办法是在制成的产品的每一个电气连接窗口处再施加压力，这样作了之后，可以使一些不导通的点导通，但也不能完全解决可靠性问题。
本发明的目的是要克服上述问题，另辟新径来制作容栅传感器，使分辩率达到0.001mm。
现有的将同相位的发射电极栅互连通的方法，无论是叠层法还是多层印刷线路板技术的PTH，IVH与B2IT法，均要在同一基片进行多次光刻，如叠层法的在蒸镀金属层上制作栅条，在绝缘层上开窗口，以及在第二蒸镀金属层上制作出8根不同相位的连线条，是在同一基片上一次又一次地对位刻蚀出来的。再如多层印刷电路的PTH，IVH和B2IT法，尽管连接两层铜箔的方法不同(PTH法是先层压铜箔成双面PCB板再钻孔并金属化小孔，IVH法是先在未硬化的树脂板上光刻内孔并填充导电料再将两铜箔与之层压成双面PCB板，B2IT法是先在一铜箔上制作导电桩，待导电桩干燥后，再将它与未硬化树脂板和另一铜箔压层成双面PCB板)，但是双面PCB板上两个铜箔面的电路是层压好之后再刻蚀的，同样要在同一基片上多次光刻。第二次光刻必需与第一次光刻的图形对准位置，才能实现层间的电气连接，发射电极栅愈细，对位精度要求愈高。夲发明首先是要突破制作高分辨率的容栅传感器依赖于精密对位的光刻设备的现状。
本发明的技术方案是组成容栅位移传感器除了通常的可相对位移的制作了栅状电极的基片A和基片B之外还有第三个基片C，用粘胶将制作有发射电极栅的基片A与制作有连线电路的基片C对位叠合并加热(或用紫外光照射)和加压力固化而联成一体，同时由定点分布的导电料来连通基片A上电路的某些指定点与基片C上的电路中对应的指定点，使同相位的发射栅极互连导通。本发明的层间连线方法与以往的方法本质不同之处在于本发明的被连接的两面电路是分别在两个基片上各自独立地制作出来的，每个基片均只需光刻一次，不再需要对位光刻，从而避免了对精密对位光刻设备的依赖，用普通的光刻机就可制作了。当然，两面电路导通点的对准是必需的，也就是说，对位这一不可少的步骤从光刻过程转移到了叠合过程，对位叠合也是发射电极栅条愈细，对位的精度要求愈高。本发明为解决细栅不易在叠合中对位的问题，巧妙地避开直接由发射电极栅条向上导通到连线电路，而是用比栅条更细的引线将每组8条沿测量的位移方向排列的发射电极栅条，连到每组8个沿与测量的位移方向成一定角度(最好成90度)排列的导通盘上，由于引线比栅条更细，导通盘沿测量的位移方向的尺寸就比栅条的宽度大很多，例如，栅条的宽度为0.0635mm(包括缝宽)，每组8条发射电极栅沿测量的位移方向的总宽度为0.508mm，可实现的引线的宽度为0.03mm(包括缝宽)，导通盘沿测量的位置方向的宽度可作到(0.508-7×0.03)≈0.3mm。导通盘在垂直于测量的相对位移方向的尺寸可以自由选取(只受传感器指定的外形尺寸的限制)，例如选取为0.5mm。层间连通是由基片A上与发射电极栅相连的导通盘向上经导电料连接到基片C上的对应的导通盘，基片C上的导通盘可与基片A的导通盘制作得同样大�。�将基片C上同相位的导通盘互联成8串，就实现了同相位的发射栅极的互连通。本发明的重要特征之一的导通盘的引入，使得制作0.001mm分辨率的容栅传感器栅片，叠合对位精度可降低到0.1mm，用通常的目视对位也能满足要求，用放大镜或CCD光学对位当然更好。
本发明中定点分布在上、下导通盘之间的导电料可以是导电粉，如银粉、镍粉、金粉、碳粉等，推荐的最佳导电料是表面镀导电层(表面镀镍或镀镍层上再镀金)的塑料微球，导电微球直径从2μ到20μ均有商品供应，建议选用5μ到15μ范围的表面有镀金层的镀镍塑料微球以便于工业化生产。
本发明用于粘合基片A与基片C的粘胶，可以是热固性粘接剂如环氧树脂、酚醛树脂等，也出可以是光固性粘接剂如UV胶等，通过加热或紫外光照射使之固化，为保证层间电气连接的可靠性并加强粘合牢度，固化过程应适当加压力，让导电微球压缩10％到15％成为椭球，以增加导电微球与导通盘的电接触面积并形成为弹性压触，压力下粘胶与基片表面的的粘接牢度也会更大。
本发明将导电料定点分布在各导通盘中的方法有多种(1)将导电料掺入到粘胶中成导电胶，用印刷的方法将导电胶仅印在各导通盘上，基片A和C的粘合可以单由导电胶实现，也可以在导通盘之外再印未掺导电料的粘胶用以保护細小的引线和加强粘合牢度。(2)在基片C或基片A上的各导通盘的周围印上粘胶，用模板将导电料撒布在导通盘中，模板可以是金属薄板打孔，也可以是菲林网板，模板的孔位应对准导通盘。(3)在基片A和基片C中之一的导通盘上印导电胶或撒上导电料，在另一基片上均布粘胶，用较大压力叠合，使导通盘上的导电料贯穿另一基片的导通盘上的粘胶实现上、下导通盘的互导通。
本发明用作基片的材料为具有导电膜的绝缘材料片，可以在绝缘材料片上自已制作导电膜，例如在玻璃或陶瓷片上蒸镀、溅射或化学镀导电层，如镀铝、镍、铬、银、金以及不锈钢等金属膜，推荐的最佳选择是用商品导电膜基材，如透明的ITO(氧化铟-氧化锡)导电膜玻璃、铬板玻璃、覆铜树脂玻璃纤维布层压板以及柔性印刷电路板等，因为大规模生产的商品导电膜材料不但成本低，而且一致性和稳定性均比自行制作的好，尤其是便于传感器的工业化生产。基片A、B、C可以用同一种导电膜材料，也可以用不同的导电膜材料，基片A和B要求尺寸稳定性好并有一定刚度，以选用导电膜玻璃和优质印刷电路板(PCB)为宜。基片C除了可用与基片A和B相同的材料之外，还可选用柔性印刷电路板，如在聚酰亚胺(PI)、聚酯等塑料基片上覆铜箔或覆ITO导电膜制成的柔性PCB板。基片B在有剛性支承的条件下也可选用柔性印刷电路板。
本发明的容栅位移传感器在基片A和B的各栅状电极上覆盖有绝缘材料的保护层，推荐的最佳保护层为二氧化硅(SiO2)层，其绝缘性能好，介电系数稳定，机械强度与耐磨性也好，用液态SiO2材料制作SiO2膜可以用印刷方法涂布(空出导通盘与电极引出腳不印)再加热成膜，制作出的膜均匀性很好，尤其对玻璃基片有优异的附着性。其他的绝缘保护膜，如聚酰亚胺(PI)，绝缘漆等也可以用，特别是印刷电路板的绝缘保护漆膜，成型工艺已很成熟，可直接沿用。基片A和基片B的栅状电极上制作有绝缘材料保护层，不仅起着保护栅状电极的作用，还起着形成与保持容栅传感器的容栅间隙的作用。因为栅愈细，面面相对的基片A与基片B上的电极之间的间隙要求愈�。�很难用机械轨道装置来保持这一微小间隙，实用的方法是让基片A与基片B轻压接触，栅状电极上的绝缘材料的保护层，就成了天然的间隙，当基片A与基片B相对滑移时，此天然间隙能基本上保持不变。
本发明的容栅位移传感器，由于用了连线片C，发射电极的引出腳可制作在基片C上直接从基片C引出，基片C选用柔性印刷电路板时，能方便地连接到IC的相应电极上，因为IC可以直接邦定在柔性印刷电路板上，也可邦定在另一块与柔性印刷电路板连通的印刷电路板上。发射电极的引出脚也可制作在基片A上，对于间接藕合式传感器，接收电极的引出脚也在基片A上，各电极的引出脚用同一连线方式连接到IC是比较有利的，尤其是对于以导电膜玻璃为基片A的传感器，现有的液晶显示器的连线工艺可以直接沿用如将IC芯片邦定在玻璃基片上的COB法，用热压导电条(斑马纸)、粘性导电膜(ACF)、柔性印刷电路板、导电橡胶条等连接玻璃基片上的电极引出脚到邦定有IC的PCB板，和在导电膜玻璃的电极引出脚上夹出金属引脚的夹Pin法，等等。
本发明的容栅位移传感器不但可作到0.001mm的高分辨率，而且非常适于工业化生产，因为从技术方案制定到选材我们总是从大规模生产的要求考慮的。


图1到图8是本发明的容栅位移传感器八种最基本的电极结构形式的示意图。
图9是本发明特有的連线基片C上导通盘与发射电极栅基片A上导通盘对位叠合的示意图。
图10是本发明的传感器基片C与基片A粘合成一体后的一个剖面示意图，展示导电料夹在上下兩导通盘之间起电气連通作用。
图11到图21是本发明的容栅位移传感器多种实施例的示意图。
本发明的容栅位移传感器最容易看得见的特征是每一条发射栅条都通过引线连到一导通盘，在相对位移方向的尺寸，引线最窄，发射电极栅条居中，导通盘最宽，8N条发射电极栅一一对应着8N个导通盘，根据导通盘与发射电极栅条相对位置排列的不同，有三种主要的不同形式(1)8N个导通盘在基片A中央，4N条相位顺序为1，3，5，7的奇数发射电极栅連在导通盘的一侧，4N条相位顺序为2，4，6，8的偶数发射电极栅連在另一侧，如图1A所示，相应的基片B上的接收电极栅也排成兩列如图1B所示；(2)8N条发射电极栅在基片A中央，4N个连到相位顺序为1，3，5，7的奇数发射电极栅的导通盘排在发射电极栅条的一侧，4N个连到相位顺序为2，4，6，8的偶数发射电极栅的导通盘排在另一侧，如图2A所示，相应的在基片B上接收电极排成一列如图2B所示。(3)8N条发射电极栅条全部从同一侧连到8N个导通盘，如图3A所示。基片B上制作相应的接收电极栅排成一列如图3B所示。图1，2，3所示的结构形式均是直接藕合式，接收电极栅都制作在可相对基片A位移的基片B上，直藕式的N条接收电极栅必须并联在一起，再连接到传感器IC的接收电极。为避开与引线和导通盘的交叉干扰，图1所示的并联方式是在兩列接收电极的外侧边用連接线先并联成兩个梳子状电极之后再一同連接到IC的接收电极，图3所示的并联方式是用连接线在接收电极的外侧边(与导通盘相对的另一边)並联成一个梳子状电极，图2所示的结构形式是通过双面PCB连接技术从接收电极栅的背面进行并联连接(由于接收电极栅条比发射电极栅条宽，用PTH、IVH以及B2it方法中任一种均可实现)。
除上述直接藕合式之外，另一种间接藕合式是将发射电极栅与接收电极栅均制作在基片A上，在可相对基片A位移的基片B上制作感应电极栅。间接藕合方式也有三种主要的不同形式(1)8N个导通盘在基片A中央，4N条相位顺序为1，3，5，7的奇数发射电极栅由引线连在导通盘的一侧，再向外排列隔离地线和一个接收电极，4N条相位顺序为2，4，6，8的偶数发射电极栅由引线连在导通盘的另一侧，再向外排列隔离地线和另一个接收电极，如图4A所示，基片B上制作相应的感应电极栅排成兩列如图4B所示，左、右兩列感应电极栅分别将奇数、偶数发射电极栅的伩号感应到左、右兩接收电极；(2)基片A中央为接收电极栅，4N条相位顺序为1，3，5，7的奇数发射电极栅排在接收电极栅的一侧再向外由引线连到4N个导通盘，4N条相位顺序为2，4，6，8的偶数发射电极栅排在接收电极栅的另一侧再向外由引线连到4N个导通盘，隔离地线排在接收电极栅与发射极栅之间如图5A所示，基片B上制作相应的感应电极栅排成一列如图5B所示；(3)8N条发射电极栅排在基片A的中央，从同一侧由引线连到8N个导通盘，另一侧为隔离地线和接收电极栅，如图6A所示，基片B上制作相应的感应电极栅排成一列如图6B所示。图4，5，6所示的间接藕合方式是发射电极栅与接收电极栅均制作在基片A上，能更方便地与IC连线，实际应用中比直接藕合式更受欢迎，其缺点是比直接藕合式多了个感应电极栅，从而使传感器的尺寸稍大些，在一些尺寸受限制的场合，直接藕合式仍受欢迎。间接藕合式传感器基片B上制作的是感应电极栅，各感应电极栅不用并联连接，特别是图5B所示的结构避开了图2B所示结构的过孔连线而受欢迎。
本发明的方法除了适于制作上述的直接藕合和间接藕合的直线位移传感器，也适于制作直接藕合和间接藕合的角位移传感器。角位移传感器的栅条为扇形，8N条发射电极栅可排成一个整圆环，也可排成圆环的一部分(一个扇形面)，每一发射电极栅条由引线向外连到一导通盘，直接藕合式如图7所示，间接藕合式如图8所示。图7A所示为发射电极栅，图7B所示为接收电极栅，图8A所示为发射电极栅与接收电极，发射电极栅与接收电极之间为隔离地电极，图8B所示为感应电极栅。当8N条发射电极栅条排成一个整圆环，相邻发射电极栅之间的角间距应为2π/8N弧度，当8N条发射电极栅条排成一扇面，相邻发射电极栅之间的角间距可自由选�。�建议选取2π/8M弧度，M为大于N的自然数。8N条发射栅极无论是排成整个圆环还是排成部分圆环(一个扇面)，相邻发射栅之间的角间距取2π/864弧度、2π/432弧度、2π/216弧度三个值是有利的，以取2π/864弧度最为有利，这样取值可以用通常的显示英制“英寸”的8路驱动监相式传感器IC来直接显示角度的“分”，仅需将“英寸”改成“分”，再将小数点向后移三位。当取2π/432弧度或2π/216弧度，则还要利用该IC内附的显示值乘2或乘4的功能。
本发明的实施例之一见示意图11，这是将本发明的容栅位移传感器应用到一种不用螺纹放大的直进式数显千分尺的例子，传感器的容栅采用图4的结构形式，分辨率为0.001mm，量程为25mm，感应电极栅基片112沿基片A与B相对运动方向的长度比发射电极栅基片111至少长出25mm，基片111和112均用导电膜玻璃制作，基片111上的两接收电极和隔离地线的引出脚以及发射电极引出脚是通过热压导电条111A连接到PCB板113的电路上，PCB板113上邦定有IC而且连有显示器114，111和PCB板113均固装在机座115上，直线导轨副的滑块116也固装在机座115上，导轨117可在直线导轨副的滑块116中滑移，感应电极栅112固装在导轨117上，导轨117与机座115之间安装有复位弹簧118，橡胶摩擦阻尼器119用耒阻尼弹簧恢复力，防止导轨复位时的撞击，同时119还起着数显千分尺的防水、防尘的作用。
本发明的实施例之二见示意图12，这是将本发明的容栅位移传感器应用于高精度卡尺的例子，传感器的容栅采用图6所示的结构，121为发射电极栅基片，固装在卡尺的尺框123上，尺框123上挖有槽123H，尺框上的槽能容纳下基片121上的凸出的连线片121C，卡尺的主尺124上安装有感应电极栅基片122，基片121上面固连有PCB板125，125上連有液晶显示器126，121上的发射电极引出脚是通过热压导电条连接到PCB板125的电路上，121上的接收电极引出脚直接用导电胶连到PCB板125的电路上，本实施例传感器的分辨率有0.001mm与0.002mm两种，发射电极栅基片121用ITO玻璃，感应电极栅基片122可用覆铜环氧玻璃纤维布层压板，也可用ITO玻璃，对于大量程卡尺，由于机械精度目前还不能大幅度提高，容栅传感器的分辨率暂取0.002mm为宜，此时感应电极栅基片122用不易断裂的覆铜环氧玻璃纤维布层压板为宜。
本发明实施例之三见示意图13，这是将本发明的容栅位移传感器应用到千分指示表的一个例子，千分指示表的量程通常都较�。�基片A与B的相对位移就较小，可以选用直接藕合式结构以减小容栅传感器的面积，使指示表小巧。发射电极栅基片131为图1A所示的结构，接收电极栅基片132为图1B所示的结构，基片131和132均为导电膜玻璃，分立在基片132两边的两个梳子状的接收电极是在基片132的背面连接在一起，并通过一根柔性屏蔽电缆线132A连接到邦定有IC的PCB板133上，发射电极栅基片131与PCB板133均固装在支座134上，接收电极栅基片固装在滑杆135上，滑杆上安装有复位弹簧136。柔性屏蔽电缆线132A有适当的长度使得滑杆能自由滑动，同时保持接收电极与IC的电气连接。
本发明实施例之四见示意图14，这是将本发明的容栅位移传感器应用到数量杠杆表的一个例子，由于本发明将容栅位移传感器的分辩率大幅度提高了，使得杠杆表的齿轮放大系统可以取消，直接用拨叉式结构就能分辨到1μ。拨叉式结构的优点是结构简单，不存在齿轮制造误差，其缺点是拨叉转动时，拨触点离转动中心的距离会改变，造成的非线性误差随量程的增大而增大，对于小量程的杠杆表，拨叉的非线性误差可忽略不计，用通常的拨叉结构就行。对于量程较大的杠杆表，为减小非线性误差可用如图143所示的钢球来藕合拨杆与转架，在拨杆与转架上均制作有比钢球直径更小的孔，让钢球部分陷入到小孔中，使藕合点到转动中心的距离基本上保持不变。容栅传感器的发射电极栅基片141用导电膜玻璃制作，采用图7A所示的结构，8N条发射电极栅排列成一个174度的扇面。接收电极栅基片142可用导电膜玻璃制作，也可用PCB板制作，采用图7B所示的结构，(N+S)条接收电极栅排成稍大于174度的扇面，S是由量程的大小决定，使得量程范围内基片142转动时，总是有发射栅扇面与接收栅扇面相重合。N+S条接收电极栅从扇面的内圆弧引出再并联在一起，通过柔性屏蔽电缆线从靠近转轴位置连接到邦定有IC的PCB板149上，基片142固装在转架145上，基片141和PCB板149固装在基座146上，147和148分别为测头和拨杆，148a与148b分别为复位弹簧与钢球定位弹簧。PCB板149上连有液晶显示器144，PCB板149与基片141安装成相互垂直，141上的发射电极引出脚通过热压导电条连到PCB板149的电路上。
本发明的实施例之五见示意图15，这是将本发明的传感器应用到数显高度计的一个例子，高度计的容栅传感器用图5所示的为结构，分辨为0.001mm，发射电极与接收电极栅基片151和感应栅基片152均用导电膜玻璃，基片151固连在PCB板155上，PCB板155上邦定有容栅传感器IC并与液晶显示屏156一起安装在高度计的滑块153上，滑块153上挖有槽153H用以容纳基片151上的突出的连线片151C，基片151上的接收电极是通过在玻璃片上钻孔并填充导电料而与PCB板155上的IC电路相連导通，基片151上的发射电极引出脚是通过夹接金属脚连通到PCB板155上，感应电极栅玻璃基片152是嵌入到高度尺的主尺154中，使机械强度得以提高。
本发明的实施例之六见示意图16，这是本发明的传感器应用到数显量角器的一个例子，量角器的分辨率(最小示值)为0.5′，采用图8所示圆环状栅结构，发射与接收电极栅基片161为圆环状，固装在底盘163上，感应电极栅基片162亦为圆环状，固装在转盘164上，发射电极栅为864条排成一个整圆环，感应电极栅为108条，也排成一个整圆环，邦定有IC的PCB板165以及液晶显示屏166均固装在底盘163上。栅片161的材料为导电膜玻璃，连线片161C的材料为双面柔性印刷电路板，8个发射电极是通过双面印刷电路板层间连接技术从161C上8串连线条的背面做引出脚连接到PCB板165上，接收电极是向内延伸出一个引出脚用夹Pin法连接到PCB板165上。转盘164是由较厚的不锈钢板材制成从而强度高，固装在其上的感应电极栅片162除了可选用ITO玻璃与覆铜玻纤布板之外，选用柔性印刷电路板也能保证精度要求，因为栅排成了一个整圆环，分度的稳定性就大为提高了。
本发明实施例之七见示意图17，这是本发明的传感器应用到数显水平仪的一个例子，水平仪的灵敏度为0.5′，采用图8所示的扇形栅结构，发射与接收电极栅基片171为长方形导电膜玻璃，216个扇形发射栅排成90度的扇面，相邻发射栅之间的角间距为2π/864弧度，感应电极栅基片172上有36个感应电极栅排成一个120度的扇面，水平仪的量程范围为偏离水平±15度(±900′)，发射与接收栅基片171和邦定有IC的PCB板175以及液晶显示器174均固装在基座173上，感应电极栅基片172固装在重力摆锤176上。用作基片171和172的材料本实施例是选用ITO玻璃，因为ITO膜很薄易刻细线条，有利于制作袖珍型水平仪。对于大型的水平仪，传感器也可作制得比较大，电极栅扇面的内外径可取较大值，同样角分辨率的栅条就较粗，这时可选用导电膜较厚的覆铜环氧玻璃纤维布层压板来作栅片171和172。当用ITO玻璃制作电极栅基片171，将发射电极与接收电极的引出脚从玻璃基片171连到PCB板175可用ACF(粘性导电膜)来实现。
本发明实施例之八见示意图18，这是将本发明的传感器应用到数显厚度仪的一个例子，厚度仪的灵敏度为0.1μ，量程为1mm，采用图8所示的扇形栅结构，发射与接收电极栅基片181制作在长方形导电膜玻璃基片上，600条扇形发射电极栅排成30度的扇形面，从R62到R68为接收电极，从R70到R80为发射电极，连线片从R80到R86。相应的感应电极栅基片182共有95条栅排成38度的扇形面从R62到R80。181固定连接在PCB板上，PCB板上邦定有IC，连同液晶显示器一同固装在基座186上，182固装在杠杆的长臂185上，杠杆短臂184与测杆189通过钢球铰连，钢球183定位在杠杆短臂184的孔中，测杆189可在基座186的套筒187中上下滑动，测杆是由一个与测杆运动方向相垂直的平面与钢球接触，触点会随测杆的运动而变化，这样的铰连方式能减少杠杆运动的非线性误差，杠杆长臂185向下的重力使杠杆短臂184有一个向上的力，此向上的力平衡测杆189向下的重力，回位弹簧188产生的回覆力使被测膜上施加一个基本上恒定的测量压力。
本发明实施例之九见示意图19，这是将本发明的传感器应到数显测长仪的一个例子，测长仪的分辨率为1μ，传感器采用图4所示的结构，191为发射与接收电极栅基片，用ITO导电膜玻璃基片刻蚀而成，通过支架197固装在直线导轨副的滑块193上。192为感应电极栅基片，也是由ITO导电膜玻璃基片刻蚀面成，嵌入到直线导轨副的导轨194内。邦定有传感器IC的PCB板196上面连接有显示器195，一同固装在外壳198上。
本发明实施例之十见示意图20，这是将本发明的传感器应用到数显千分测量头的一个例子，此测量头是一种通用工具，其分辨率为1μ，量程为50mm，在滑动件204上安装深度杆可测深度，安装联动杆可监测多种位移量。测量头的基座203上固装有图4A所示的接收与发射电极栅基片201，滑动件204上固装有图4B所示的感应电极栅基片202，基片201和202均选用ITO玻璃为基材來刻蝕电极栅並在电极栅上制作有二氧化硅保护膜层，基片202轻压在基片201上滑动是通过两排滚珠205来定位的，滚珠205分别与基座203、滑动件204、紧固件206三者接触，通过紧固螺釘可調节到适当的預紧力。本测量头为适合于多种用途，将傳感器IC用COG法邦定在基片201上的测量电路中，用ACF将IC的输出口连接到輸出扦接口207上，其輸出信号是绝对位移和相对位移的二进制相移，由测量头外部配接不同的信号处理器和显示器来满足对测量結果显示的不同的要求，如配接专用单片机电路或接PC机。
本发明实施例之十一见示意图21，这是将本发明的传感器应用到数显分度头的一个例子，此分度头是一种通用工具，其角度分辨率为10″，可安装在各种机器設备上取代机械刻度的分度头。分度头的接收与发射电极栅基片211采用图8A所示的結构由8N(例如2592)条发射电极栅排成一个整园，感应电极栅基片212采用图8B所示的結构由N(例如324)条感应电极栅排成一个整园，基片211和212选用ITO导电膜玻璃，粘固在211上的理线片211C选用柔性PCB板，基片211固装在底座213上，基片212固装在转盘214上。转盘214上有用来連接被测转轴的法兰盘，底座213上有输出接口217用来输出214相对213转过角度的二进制绝对相移和相对相移，由分度头外配接的专用单片机电路转换成度分秒或孤度进行显示，传感器的IC是邦定在連接到接口217上的柔性PCB板上(在底座213内部)，柔性PCB板另一端用ACF导电胶膜粘在ITO玻璃基片211上。滚珠215分别与底座213、转盘214、紧固螺釘216三者接触用来实现无间隙转动，旋动紧固螺釘216可調节到适当的預紧力，使基片212压在基片211上又能自由滑动，基片211和基片212的接触表面上均有二氧化硅保护膜，必要时还可在二氧化硅保护膜上再制作一层金剛石膜。
本发明的上述实施例是为了說明本发明而选取的一些实例，但是本发明不限于上述实施例，在不违背本发明宗旨的范围内可以作各种变更，组成多种上述
权利要求
1.一种容栅位移传感器，包括有集成电路(IC)和容栅，容栅由制作有栅状电极並可相对位移的基片组成，可相对位移的栅状电极面面相对保持一微小的间隙，其特征在于所说的容栅位移传感器由基片A和基片B以及基片C三者所组成，基片A、B、C均为具有导电膜的绝缘材料片；基片A上至少制作有容栅传感器的发射电极栅集合，每条发射电极栅均用引线连接到一个对应的导通盘，基片C上制作有互连通成许多串的导通盘，基片C上的各导通盘与基片A上的导通盘位置一一对应，用粘胶将基片C和基片A对位粘合，再在适当的物理条件下让粘胶固化，同时通过定点分布在基片C与基片A的对应导通盘之间的导电料，使基片A上的导通盘与基片C上的对应导通盘电气相连通，实现同相位的发射电极栅的互連导通；基片B上制作有相应的接收电极栅或感应电极栅；在基片上还制作有发射电极、接收电极和屏蔽地电极的引出脚，用常规的液晶显示器连线工艺将众电极连接到传感器集成电路(IC)的对应引线脚上。
2.根据权利要求1所述的容栅位移传感器，其特征在于基片A上的发射电极栅为8N条(N为自然数)，发射电极栅沿基片A与基片B相对位移方向排列，与发射电极栅相连的8N个导通盘，以8个为一组(共N组)，每组沿基片A与基片B相对位移的方向成一定角度(最好成90度)排成一列，N组导通盘沿基片A与基片B相对位移方向排成N列，连接发射电极栅与导通盘的引线比发射电极栅条本身的宽度更窄，使得导通盘沿基片A与基片B相对位移方向的尺寸比发射电极栅条的宽度更宽。
3.根据权利要求1所述的容栅位移传感器，其特征在于所说的用作基片A、B、C的具有导电膜的绝缘材料片是导电膜玻璃，玻璃上的导电膜可以是透明的ITO(氧化铟-氧化锡)导电膜和不透明的金属导电膜之一，以选用低阻ITO导电膜(一平方厘米的方块电阻低于60欧姆)为佳。
4.根据权利要求1所述的容栅位移传感器，其特征在于所说的用作基片A、B、C的具有导电膜的绝缘材料片是覆铜树脂玻璃纤维布层压板(PCB板)。
5.根据权利要求1所述的容栅位移传感器，其特征在于所说的用作基片C和B的具有导电膜的绝缘材料片是以聚脂膜、PI膜等塑料膜为基材覆铜的柔性印刷电路板(柔性PCB板)。
6.根据权利要求1和2所述的容栅位移传感器，其特征在于在基片A的中央排列8N个(N为自然数)导通盘，8N条发射电极栅中的奇数栅连在导通盘的一侧，偶数栅连在导通盘的另一侧；与基片A上的发射电极栅相对应，基片B上制作有相应的接收电极栅，接收电极栅从与发射电极栅相对应区域的两外侧边延伸再并联连接在一起，成为左、右各一个的梳子状电极。
7.根据权利要求1和2所述的容栅位移传感器，其特征在于8N条(N为自然数)发射电极栅排列在基片A的中央，奇数栅从一侧连接到4N个导通盘，偶数栅从另一侧连通到4N个导通盘；与基片A上的发射电极栅相对应，基片B上制作有相应的接收电极栅，各接收电极栅的互连通是通过双面PCB板连接技术从背面连通来实现。
8.根据权利要求1和2所述的容栅位移传感器，其特征在于基片A上排列8N条(N为自然数)发射电极栅，8N条发射电极栅均从同一侧连接到8N个导通盘；与基片A上的发射电极栅相对应，基片B上制作有相应的接收电极栅，各接收电极栅从与导电通盘位置相对的另一侧延伸再并联连接成一梳子状接收电极。
9.根据权利要求1和2所述的容栅位移传感器，其特征在于在基片A的中央排列8N个(N为自然数)导通盘，8N条发射电极栅中的奇数栅连在导通盘的一侧，偶数栅连在导通盘的另一侧，4N条奇数发射栅的外侧制作有隔离地和一接收电极，4N条偶数发射栅的外侧制作有隔离地和另一接收电极；与基片A上的发射电极栅和接收电极栅相对应，基片B上制作有相应的感应电极栅，該感应电极栅分成左、右两列，分别将奇数发射电极栅与偶数发射电极栅的信号感应到两个接收电极，两个接收电极相并联后再连接到IC的接收电极引线脚上。
10.根据权利要求1和2所述的容栅位移传感器，其特征在于接收电极排列在基片A的中央，其四周为隔离地，再外8N条(N为自然数)发射电极栅的奇数栅排在接收电极栅的一侧，偶数栅排在另一侧，4N条奇数发射栅再向外侧连接到4N个导通盘，4N条偶数发射栅向另一边的外侧连接到4N个导通盘；与基片A上的接收电极和发射电极栅相对应，基片B上制作有相应的感应电极栅；与基片A上的导通盘分成左、右两列相对应，基片C上制作有左、右两边各4串导通盘分别与基片A上两侧的导电盘相粘合。
11.根据权利要求1和2所述的容栅位移传感器，其特征在于在基片A上排列有接收电极、隔离地和8N条(N为自然数)发射电极栅，8N条发射电极栅从与接收电极相对的另一侧连接到8N个导通盘；与基片A上的接收电极和发射电极栅相对应，基片B上制作有相应的感应电极栅。
12.根据权利要求1和2所述的容栅位移传感器，其特征在于在基片A上制作有8N条(N为自然数)扇状发射电极栅，排列成一个圆环状(相邻发射电极栅条的角间距为2π/8N孤度)或部分圆环(一个扇面)状，8N个导通盘排在圆环或扇面的外圆弧之外；与基片A上的扇状发射电极栅相对应，基片B上制作有相应的扇状接收电极栅排列成一个圆环状或扇面状，众接收电极栅向圆环或扇面的内圆弧延伸再並联连接成一个接收电极。
13.根据权利要求1和2所述的容栅位移传感器，其特征在于在基片A中央制作有一个圆环状或扇面状的接收电极，其外为隔离地，再向外制作有8N条(N为自然数)扇状发射电极栅并向外用引线联到8N个导通盘，8N条发射电极栅排列成一个圆环状(相邻发射栅条的角间距为2π/8N孤度)或扇面状；与基片A上的接收电极和发射电极栅相对应，基片B上制作有相应的扇状感应电极栅，排列成一个圆环状或扇面状。
14.根据权利要求1所述的容栅位移传感器，其特征在于基片A和B的栅状电极上均制作有绝缘材料的保护膜层，该保护膜层在基片A与B轻压接触时，保证面面相对的栅状电极之间形成微小的间隙，而且该间隙在基片A和B相对滑移時能基本上保持不变，使基片A和B的栅状电极组成为传感器的容栅。
15.根据权利要求1所述的容栅位移传感器，其特征在于所说的定点分布在基片A与基片C对应导通盘之间的导电料，是表面镀导电层的微型塑料球，对位粘合基片A与基片C时，除提供粘胶固化指定的必要物理条件(加热或紫外光照射)之外，还在基片A和C之间施加一定的压力，使微型塑料球变形10％至15％成为椭球后再被固定在基片A和C的导通盘之间。
全文摘要
本发明的容栅位移传感器，基片A上的8N条发射电极栅均分别用一引线连到8N个导通盘，基片C上有对应的导通盘串连成8串，导通盘中定点分布有导电料，用粘胶对位粘合基片A与C，使同相位N条发射电极栅互连导通。引线可制作得比发射栅条更细，垂直于测量的位移方向排成一列的8个导通盘，在测量的位移方向的尺寸就可制作得比一发射栅条更宽，制作分辨率0.001mm的容栅传感器，粘合的对位精度仅为0.1mm。本发明首创用市售的ITO导电膜玻璃作基片和用市售的表面镀金的塑料微球作弹性压触的导电料来制作容栅传感器，可沿用液晶显示器的制作工艺技术，尤为适于工业化生产。
文档编号G01B7/02GK1469099SQ0214049
公开日2004年1月21日 申请日期2002年7月19日 优先权日2002年7月19日
发明者陈紹光, 陈其良, 陈 光 申请人:陈其良, 陈紹光