专利名称：电容式位移变送器的制作方法
技术领域：
本发明涉及能够用在惯性传感器中的电容式位移变送器领域，更具体地说，涉及 能够用在宽带弱动惯性传感器中的低阻尼空间有效电容式位移变送器。
背景技术：
在流体中自由摆动的机械系统被与质量块的速度成比例的粘性阻力阻尼至静止。 在被阻尼时，机械系统将能量传送给周围的流体。若假设机械系统处于周围有流体的热平 衡条件下，则该能量必定会通过粒子碰撞传回该系统。这些粒子碰撞传递压力，引起加速 度，位移变送器将该加速度解释为有效信号。这是涨落耗散定理的一个例子，并且结果被已 知为热噪声。热噪声为感应位移、速度或加速度的机械仪器的准确性设置基本限制。更具体地 说，由惯性质量块与周围流体的交互产生的热噪声损害了惯性传感器测量地动的能力。由 粘性阻尼产生的热噪声具有白频谱，因此在全频率下被观测到。由于流体粒子的布朗运动 引起热噪声这一事实的存在，它对惯性传感器的准确性的限制经常称为布朗噪声基底。图1示出惯性传感器的灵敏度的限制地球本身的背景地动，通常称为新低噪声
模型(NLNM) 1。在设计良好的地震穹的典型噪声频谱的幅度可以比这高很多次幂，但是基本
不会比这低。传感器的自噪声经常与NLNM 1对比，这是由于两者都对地动的可观测幅度设
置了下限。宽带、弱动惯性传感器针对它们的通带中的1II^ (通常从0.1到100秒)，通 常需要低于-160dB2的自噪声。惯性传感器中的热加速度噪声ath的幅度通过以下公式给出<formula>formula see original document page 4</formula> (Eq.l)其中kb是玻耳兹曼常数；Ta是周围温度；B是粘性阻尼系数；以及M是地震质量块。从公式Eq. 1看来，有两种方式来减小热加速度噪声的幅度(1)通过减小B，粘性 阻尼系数，或者(2)通过增加M，地震质量块。尽管已经作出各种减小粘性阻尼系数的幅度 的尝试，但是限制布朗噪声基底对传感器性能的影响的最通用的方法是通过使用大的地震 质量块(例如，超过100克)。使用大的地震质量块不可避免地使传感器尺寸变大。减小布 朗噪声基底的幅度的替代方法是减小粘性阻尼系数的幅度。对于同样的布朗噪声基底，较 低的粘性阻尼系数呈现出使用较小的地震质量块和制造出较小的传感器的可能性。除了便 于携带的优势之外，降低地震质量块还具有两个额外的好处由于将质量块固定在操作点 处所需的力较小，因此力反馈仪器中的功耗较低，并且对振动和冲击的物理鲁棒性增加。对于已利用大的地震质量块的传感器来说，粘性阻尼系数的降低呈现出布朗噪声基底进一步 减小的可能性。因此，降低粘性阻尼系数通常会增加传感器的单位体积性能。
惯性传感器为了测量地动经常使用两个或更多间隔近的导电板(称为电容器板、 电容板或仅仅叫做板)。一个或更多固定的电容器板通常连附于一框架，而一个或更多移动 的电容器板通常连附于惯性质量块。对立板的板间隔变化Ah和随之产生的板间电容变化 使得惯性质量块的位移能够被检测到。对于通用高阻力三板电容式位移变送器来说，中心 电容器板的电荷变化AQ与板间隔变化Ah之间遵循以下关系
^QocA ( Eq.2 ) _4] Ah h2 ^其中Ae是电容器板的电容有效面积；并且h是标称电容器板间隙高度。由于电容式位移变送器被期望具有高的电荷输出Δ Q，因此有利的是，同时具有大 的电容有效面积Ae和小的电容器板间隙h。因此，位移变送器中的电容器板被放置得非常 靠近(例如通常小于0. 5毫米)。
当电容器板没有被打孔时，板间的在一起移动时被挤压或者在分开移动时变稀薄 的空气膜提供基本的粘性阻尼力。通常，这些板至少被最小限度地打上孔，以减小粘性阻尼 系数的幅度。电容式位移变送器的阻尼通常是机械系统中粘性阻尼的主要来源。然而，电容器板中的孔减损电容有效的面积，使得电容式位移变送器的空间有效 性降低。电容器板的尺寸可以是传感器的总体尺寸中的驱动因素。因此，通过制造空间有 效的电容式位移变送器，可以改进传感器的单位体积性能。对于最佳电容式位移变送器的设计，有两个需要考虑的参数单位电容有效面积 的粘性阻尼；以及电容有效面积与电容器板的总体面积之比。期望的是，前者被最小化而后 者很大(对于空间有效的变送器来说，超过0. 5)。未能全面考虑电容器位移变送器中的板-流体交互导致当前的传感器技术不能 达到有利地高的传感器单位体积性能。需要对电容式位移变送器进行优化以在维持高的空 间效率的同时获取尽可能最小的粘性阻尼系数。
发明内容
特定示例性实施例可提供一种用在宽带弱动惯性传感器中的电容式位移变送器， 该宽带弱动惯性传感器具有框架、可移动惯性质量块、用于在操作期间保持该惯性质量块 相对于该框架固定的力变送器以及用于将该可移动质量块悬挂在该框架中的弯曲部件。两 个或更多间隔近的、基本平行的电容器板(至少一个电容器板连附于该框架，一个电容器 板连附于该可移动惯性质量块)形成电容式位移变送器。所述电容器板具有多个孔隙，所 述多个孔隙具有被选择为同时最小化阻尼导致的热噪声并提供高空间效率的尺寸和布置。 一个实施例包括三个电容器板，每个电容器板具有相同的六角形图案的圆孔；所述孔在所 有三个电容器板上被对齐。孔的半径和间距由确定期望的空间效率、间隙高度和电容器板 厚度的单位电容有效面积的最小阻尼的关系指定。在一个实施例中，电容器板由印刷电路 板材料制成，该印刷电路板材料通过薄传导层的蚀刻，无需使用非传导垫片就可以直接安装至传导框架和传导惯性质量块。
图1例示示出地震仪灵敏度的实际极限的图；图2A、2B、2C和2D例示包括惯性质量块、弯曲元件、框架、力变送器以及在一个或 更多板中带有孔的三板电容式位移变送器的惯性传感器轴的一般实施例；图3A、3B、3C、3D、3E和3F例示孔的图案和孔的形状的若干个可用的实施例；
图4A和4B例示三电容器板的实施例的截面图和该实施例的三个单位格子各自的 视图；图5示出流体阻尼电路模型的示意图；图6例示作为孔_格子比的函数的各种不同类型的阻尼和电容有效面积的图；图7例示示出雷诺条件、压力上升、剪切和作为孔半径的函数的总阻尼密度，以及 都在0. 8的电容有效面积分数的最佳孔半径的图；以及图8例示示出对于作为孔半径的函数的各种电容有效面积分数的总阻尼密度的 图。
具体实施例方式图2A、2B、2C和2D示出惯性传感器的各种示意图，该惯性传感器具有通过一个或 更多弯曲元件5(图2A-2D示出四个这样的元件，但是在操作中一个就足够)枢轴地安装在 框架4上的惯性质量块3。在一个实施例中，位移变送器10由三个电容器板形成底板6、 框架板7和顶板8 (尽管论述了三个电容器板，一个固定且一个可移动的两个电容器板对于 传感器的操作就已足够；此外，替代实施例可具有装在框架上的外板和装在惯性质量块上 的内板)。框架板7机械连接(但不电连接)到框架4，框架4又机械连接到地。通过这种 连接，地的位移对应于框架4的位移。底板6和顶板8机械连附(但不电连附)于惯性质 量块3，并且由诸如金属之类的传导性材料或至少一个外表面上具有传导性材料的印刷电 路板制成。在一个实施例中，惯性质量块3和框架4由金属制成，电容器板6、7、8由印刷电 路板材料制成。在一个实施例中，电容器板6、7、8的框架支座11和吊杆支座12分别与框 架4和惯性质量块3是一体的。为了防止电容器板6、7、8与惯性质量块3或框架4短路， 可将电容器板6、7、8上的顶部金属层沿支座11、12的周围蚀刻掉，只剩下非传导性印刷电 路板材料16。在一个替代实施例中，非传导性涂层可沉积在电容器板6、7、8的传导性材料 的顶部，这样可便于使用一体的支座11、12。在另一实施例中，电容器板6、7、8通过光化学 加工工艺由合适的传导性材料制造而成；在该实施例中，框架支座11和吊杆支座12是非传 导性的，并且与框架4或惯性质量块3不是一体的。底板6和顶板8被供应以差分振荡电 信号。底板6与框架板7之间的底部间隙13最初等于框架板7与顶板8之间的顶部间隙 14。当底板6和顶板8被置于中心时，框架板7上的输出为零。地发生位移时，框架4以相 同的方向和幅度发生位移，而惯性质量块3暂时保持固定。顶部间隙13与底部间隙14变得 不相等；该间隙变化导致底部间隙13与顶部间隙14的电容不相等。当底板6和顶板8关 于框架板7不处于中心时，框架板7上的输出为非零。使用该信号的幅度和相位，可以推导 出地的位移的幅度和方向。因此，三个电容器板6、7、8和相关联的电子器件(未示出)形成电容式位移变送器。反馈电子器件处理由位移变送器10输出的信号，并使用该信号来驱 动力变送器15 (例如磁性线圈-磁体发动机，或静电力变送器)。当被合适的信号驱动时， 力变送器15在正常的操作条件下保持底部间隙13与顶部间隙14基本相等。当顶板8向框架板7移动时，顶部间隙高度14变�。撞考湎陡叨�13变大。假设流体不可压缩，这意味着顶部间隙14内所包含的某些流体必须流出，而某些另外的流体 必须进入底部间隙13以填充新产生的空隙。为了发生这个流动，底板6和顶板8的每个 点上都必须存在压力梯度(局部压力最大值和最小值除外)。孔/孔隙/空隙9被形成为 通过电容器板6、7、8中的至少一个。底板6和顶板8上的孔9的面向外的侧以及板6、7、8 的边缘暴露于周围流体，因此暴露于周围压力。因此，向框架板7移动的顶板8的面向内的 侧上的任何点处于高于周围压力的压力下，从而促进流体向外流动；相反，远离框架板7移 动的底板6上的面向内的侧上的任何点处于低于周围压力的压力下，从而促进流体向内流 动。电容器板6、7或8上的点与周围压力下的点之间的最小路径越大，在该点处与周围的 压力差就越大。移动电容器板6或8的两侧之间的压力差产生阻碍惯性质量块3移动的阻 力。因此，通过减小电容器板6、7、8上的点与周围压力的点之间的平均最小路径，可减小粘 性阻尼的这种形成，这通常称为雷诺条件阻尼。在实践中，孔9间的距离测量值17 ；同一孔 9的两个分离部分之间的第二距离测量值18 ；以及孔与电容器板的边缘之间的第三距离测 量值19在可行的情况下都被制得尽可能小。图3A、3B、3C、3D、3E和3F例示离散孔的图案和形状的若干个实施例。单位格子 (unit cell)例示最小的重复图案。在图3A中方形图案定型的圆孔45形成单位格子46 ； 在图3B中以六角形定型的圆孔45形成单位格子26 ；图3C中以方形图案定型的方孔47形 成单位格子48 ；图3D中以六角形定型的方孔47形成单位格子49 ；图3E中以线条定型的狭 槽50形成单位格子51 ；图3F中以六角形定型的六角孔52形成单位格子53。图3B、3D和 3F中示出的六角形定型孔排布具有所有的孔与所包围的孔等距离的特性，而图3A和3C中 示出的方形定型孔排布不具有这种特性。由孔的六角形排布提供的对称性减小了雷诺条件 阻尼系数的幅度。图3E中示出的狭槽结构提供低阻尼系数，并且可用在电容器板6、7、8由 金属制成且相对较厚的应用中。图4A示出根据例示的实施例的多个电容器板6、7、8的结构的截面。三个电容器板 包括通过底板6的多个孔20、通过框架板7的多个孔21以及通过顶板8的多个孔22。替 代实施例可消除在底板中的孔20和顶板中的孔22，或者消除在框架板中的孔21。再次参见图4A，所有三个电容器板6、7、8中的孔20、21、22被对齐成使得垂直于电 容器板且穿过孔的中心的中心线23还穿过另外两个板上的孔的中心。对齐孔20、21和22 建立起通过与对立板上的电容有效面积重叠来利用所有潜在的电容有效面积的结构。当底板6和顶板8关于框架板7被置于中心时，间隙高度13、14极小。由于在实践 中，力变送器15保持外板6、8在中心，间隙高度13、14总是接近极小。三个电容器板的厚 度24和孔半径25都是一致的。参见图4B，孔被置于六角形图案的单位格子26中(三个单 位格子被六角形30圈住)，具有χ节距27和对应的y节距28。由于所有的孔是等间距的， 因此χ节距27也是孔中心之间的对角距离。以下用于阻尼分析的格子半径29通过将圆的 面积等同于单位格子26的面积来找到；得到的圆半径是由以下公式给出的格子半径29r。[οο38] <formula>formula see original document page 8</formula>
其中ξ h是χ孔节距27 ；rh是孔半径25 ；以及c是孔半径25与格子半径29之比。图5示出根据图4A中所示的板结构的例示实施例的流体阻尼电路模型的示意图。顶地55和底地56指示周围压力。孔口阻抗31表示当流体离开孔口进入大蓄水池时发生 的压力损耗。通道阻抗32表示通过图4A所示的通道54来自剪切阻力的类似管道的损耗。 过渡阻抗33表示与从挤压膜流动过渡为通道流动的过渡相关联的孔口型损耗。格子环流 量源34表示在孔半径25与格子半径29 (见图4B)之间的环中挤压的流体的体积流量。移 动板流量源35表示外板6、8在移动，因此比框架板7具有更多的流体穿过它们的通道的事 实。周围压力与格子环之间的阻抗意味着除了由雷诺条件流动导致的压力梯度之外，再次 作用以阻碍外板6、8移动的压力还会额外地上升或下降。由这种效应产生的阻尼称为压力 上升阻尼。作为背景技术，将论述影响阻尼系数B的幅度的因素。三打孔板布置中的阻尼的 来源可以划分成以下三个不同的源雷诺条件阻尼(阻尼系数为Bk)；压力上升阻尼(阻尼 系数为Bp)；以及由对移动板6、8的通道54壁施加的剪切力导致的剪切阻尼(阻尼系数为 Bs)。这三种作用加起来以获得总阻尼系数。为了分析，电容器板被划分成半径r。的圆格子 29，使得半径对称的一维关系能够用于雷诺条件阻尼系数。假设没有流量穿过格子便捷。划 分成离散、圆形、一维格子适合于六角形图案的圆孔，但是可用作其它规则图案的离散穿孔 的近似。就单个圆格子来说，支配流体阻抗Zx、雷诺条件阻尼Bk、压力上升阻尼Bp以及剪切 阻尼Bs的公式被给定如下
<formula>formula see original document page 8</formula>其中μ是流体的粘度；h是电容器板间隙的高度(13或14)；rc是格子半径29 ；rh是孔半径25 ；Ztj是进入或离开孔的孔口的流体的流体阻抗31 ；Zc是穿过由孔形成的类似管道的通道的流体的流体阻抗32 ；Tcp是电容器板的厚度24 ；以及
Zt是挤压膜流动与通道流动之间的过渡区域中的流体的流体阻抗33。为了简化起见，电容器板的边缘处的流体阻力被忽略。间隙高度13、14和电容器板厚度24的选择分别根据灵敏度和尺寸稳定性的要求被设置，并不考虑优化。图6是例示雷诺条件阻尼36的图、压力上升阻尼37的图和剪切阻尼38的图的图， 它们都是孔半径25与格子半径29之比c的函数。这些值关于它们在c = 0. 5时的值被归 一化，并且格子半径29、电容器板厚度24、电容器板间隙13或14、以及流体的粘度μ都被 任意设置为1。还示出了电容有效的格子面积的分数39 ；它完全是孔_格子比c的函数，等 于1-c2。有效面积的分数39是电容式位移变送器的空间效率的测量值；最大化没有被打孔 并且因此对电容有用的面积分数39将最小化特定的电容器板区域所需的总空间。电容有
效面积的可接受分数39的合理范围在0. 5到0. 9之间(针对此，c的值分别为+和;^
)。对于低于0. 5的值和给定的所需有效面积，电容式位移变送器的尺寸快速增加；对于高 于0. 9的值，阻尼的幅度快速增加。如图6中的图36、37、38、39所示，最大化有效电容面积 和最小化总阻尼的要求是相互矛盾的。图7是例示当电容有效面积的分数39为0. 8时阻尼密度与孔半径之间的关系的
图；对于该分数，孔-格子比c为;J『。阻尼密度被定义为被电容有效面积除的阻尼系数，并
为单位灵敏度阻尼提供指标图。图 的图基于0. 242mm的电容器板间隙高度13、14以及 0. 544mm的电容器板厚度24。阻尼密度分解为雷诺条件41、压力42和剪切43阻尼。还示 出总阻尼40。由于在该图中孔-格子比c是常数，因此减小孔半径25伴随着减小孔间的距 离17。雷诺条件阻尼受益于一直减小孔间的距离17，直到孔半径25为零为止。流体阻力 Zx与孔半径25的幂都成反比，这使得当孔半径25逼近零时压力上升阻尼42和剪切阻尼43 急剧上升到无穷大。当所有三个阻尼源的和最小时，出现最佳的孔半径44。在孔半径25小 时，包括最佳孔半径44，压力上升阻尼是阻尼的主要来源。图8是例示对于电容有效面积的若干个分数39，总阻尼密度和孔半径25之间的关 系的图。图8的图基于0. 242mm的电容器板间隙高度13、14以及0. 544mm的电容器板厚度 24。出现最小阻尼密度时的孔半径指示针对有效面积的期望分数39的最低可用阻尼。对于 尺寸不相关的应用来说，减小电容有效面积的分数39能够在任何时候减小阻尼密度的值， 并且因此在任何时候减小热噪声。在每种情况下最小化总阻尼密度的孔半径25的值比现 有技术能看到的要低得多。对于电容器板间隙高度13、14、电容器板厚度24以及电容有效 面积的百分数39的所有值，都存在最小化总阻尼密度的孔半径25。对于图4A中例示的实施例，其中阻尼流体在20°C下的空气中，假设不可压缩，并 且电容有效面积的分数39在0. 5到0. 9之间，针对最佳孔半径25已经获得了作为电容器 板间隙高度13、14、电容器板厚度24以及电容有效面积分数39的函数的关系。该关系式通 过识别出最佳孔半径25、电容器板间隙高度13、14以及电容器板厚度24的三维对数-对 数_对数图形成有效面积的恒定分数39的近似平面而获得。该关系如下<formula>formula see original document page 9</formula>其中rhopt是提供单位有效面积的最低阻尼的孔半径25的值；
h是电容器板间隙高度13、14 ；Tcp是电容器板厚度24 ；以及Fe是电容有效面积分数39。从该公式中显而易见，最佳孔半径对电容有效面积的期望分数39和电容器板间 隙高度13、14最灵敏。在现有技术中，孔半径25与电容器板间隙高度13、14之比通常超过 5。然而，该式披露出对于0. 5到0. 9之间的有效面积分数39以及在间隙高度13、14的1 到4倍之间的电容器板厚度24，孔半径25与间隙高度13、14的最佳比在1到2之间。尽管已经针对特定实施例和应用描述了本发明，但是本领域普通技术人员按照该教导可得出额外的实施例和修改，而不脱离请求保护的发明的精神或超过其范围。因此应 当理解，这里的附图和描述作为示例适于方便理解本发明，而不应当被解释为限制本发明 的范围。
权利要求
一种用在宽带弱动惯性传感器中的电容式位移变送器，该宽带弱动惯性传感器具有框架、可移动惯性质量块、用于在操作期间保持该惯性质量块相对于该框架固定的力变送器以及用于将该可移动质量块悬挂在该框架中的弯曲部件，该电容式位移变送器包括以可操作的方式可连接至该框架的固定传导板；以可操作的方式可连接至该惯性质量块的可移动传导板，该可移动传导板被设置为隔开一间隙地、大致平行于该固定传导板，并且在相对于该固定传导板运动时受到粘性阻尼；所述传导板中的至少一个传导板具有多个孔隙，带有孔隙的传导板具有电容有效面积和总面积；其中所述多个孔隙的尺寸和布置被选择为最小化每单位电容有效面积的粘性阻尼，并提供被定义为所述带有孔隙的传导板的电容有效面积与总面积之比的高空间效率。
2.根据权利要求1所述的电容式位移变送器，其中所述多个孔隙中的大多数孔隙被设 置为具有以下特性所述大多数孔隙中的每个孔隙的轮廓在所述带有孔隙的传导板的平面 中向外偏移1.65mm、包围所选的另一孔隙的至少局部部分，或包围所述传导板的边缘的部 分。
3.根据权利要求1所述的电容式位移变送器，其中带有孔隙的传导板的大部分面积被 所述多个孔隙占据，使得直径为1. 65mm的圆能够被放置成包围所述多个孔隙中的给定孔 隙的多个分离部分。
4.根据权利要求1所述的电容式位移变送器，其中所述传导板中的至少一个传导板由 诸如塑料或陶瓷的印刷电路板材料构成，并且在该传导板的至少一侧上具有由导电材料组成的薄层。
5.根据权利要求2或3所述的电容式位移变送器，其中所述传导板中的至少一个传导 板的电容有效面积占所述传导板的总面积的超过50%。
6.根据权利要求4所述的电容式位移变送器，其中所述传导板中的至少一个传导板直 接可安装至所述框架或所述惯性质量块。
7.根据权利要求5所述的电容式位移变送器，其中所述传导板中的至少一个传导板由 诸如塑料或陶瓷的印刷电路板材料构成，并且在该传导板的至少一侧上具有由导电材料组 成的薄层。
8.根据权利要求5所述的电容式位移变送器，其中所述多个孔隙中的大多数孔隙具有 以下特性每个孔隙能够在所述带有孔隙的至少一个传导板的平面中被半径为0. 85mm的 圆包含。
9.根据权利要求5所述的电容式位移变送器，其中对于所述多个孔隙中的大多数孔 隙，完全包含所述多个孔隙中的所选孔隙的圆的半径与间隙高度之比在1到2之间。
10.根据权利要求7所述的电容式位移变送器，其中所述传导板中的至少一个传导板 直接可安装至所述框架或所述惯性质量块。
11.根据权利要求8所述的电容式位移变送器，其中所述多个孔隙被设置成重复图案 以形成孔隙阵列，并且所述多个孔隙中的所选孔隙与所述多个孔隙中直接围绕所述所选孔 隙的所选组孔隙之间的中心到中心距离在所述孔隙阵列的大多数孔隙中大致相等。
12.根据权利要求11所述的电容式位移变送器，其中两个传导板都包括孔隙。
13.根据权利要求12所述的电容式位移变送器，其中两个电容板上的孔隙中的大多数 孔隙在操作期间大致对齐。
14.根据权利要求11所述的电容式位移变送器，其中所述多个孔隙中的大多数孔隙具 有如下特性能够完全包含每个孔隙的圆的最小半径小于由以下公式来描述的孔半径rh。pt 的最佳值的百分之三百<formula>formula see original document page 3</formula>其中电容有效面积的分数Fe等于；<formula>formula see original document page 3</formula>两个对立板之间的电容器板间隙高度为h ； 电容器板厚度为T。p ；并且 两个相邻孔之间的中心到中心距离为�h。
15.根据权利要求2或3所述的电容式位移变送器，其中所述传导板中的至少一个传导 板由合适传导材料的实体片材通过光化学加工制造而成。
全文摘要
一种电容式位移变送器，用在具有框架、可移动惯性质量块、在操作期间保持惯性质量块相对于框架固定的力变送器和将可移动质量块悬挂在框架中的弯曲部件的宽带弱动惯性传感器中。两个或更多间隔近的基本平行的电容器板形成电容式位移变送器。电容器板包括具有被选择为同时最小化阻尼导致热噪声并提供高空间效率的尺寸和布置的多个孔隙。实施例包括三个电容器板，每个具有相同六角形图案的圆孔；孔在所有电容器板上被对齐。孔的半径和间距由确定期望空间效率、间隙高度和电容器板厚度的每单位电容有效面积的最小阻尼的关系指定。在实施例中，电容器板由无需用非传导垫片就通过薄传导层的蚀刻直接安装至传导框架和传导惯性质量块的印刷电路板材料制成。
文档编号G01B7/02GK101825426SQ20101012808
公开日2010年9月8日 申请日期2010年3月5日 优先权日2009年3月6日
发明者尼克·阿克利, 蒂莫西·菲利普·塞特菲尔德, 马克·乔纳森·布里切·海曼 申请人:耐诺度量有限公司
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