翘板式电容差分传感器及传感系统技术方案

本发明专利技术公开了一种翘板式电容差分传感器及传感系统，该传感器包括：目标件、探针和两个感应件，探针与目标件固连，目标件连接在转动连接部上，转动连接部与两个感应件限制相对移动地固定连接，以将以上各组件连接形成一个结构整体；该结构整体通过两个感应件各自与目标件形成一个单极电容；该结构整体被设置为使得目标件在接收到作用力时绕转动连接部转动至对应的平衡位置，且转动使得两个单极电容的极板间距发生大小相等、且方向相反的变化，以输出差分信号。本发明专利技术传感器的结构可以实现高分辨率以满足微操作领域的要求，而且结构简单，易于加工制造。

【技术实现步骤摘要】
翘板式电容差分传感器及传感系统
本专利技术涉及微测量
，更具体地，本专利技术涉及一种翘板式电容差分传感器、及一种翘板式电容差分传感系统。
技术介绍
一直以来，对微位移、微力等的微测量技术备受人们关注，特别是近些年在MEMS器件的表征、生物细胞的精密操作、新材料表面性质的表征等领域都迫切需要微位移、微力等微测量用传感器。该微位移测量通常指分辨率在100纳米(nm)以内的位移的测量，而微力测量通常指分辨率在100微牛(μN)以下的力的测量。电容式传感器因具有较高的分辨率被广泛地应用在微操作领域。以电容的变化来测量力、位移主要有两种方法，一种是间隙变化型的电容式传感器，另一种是面积变化型的电容式传感器，其中，对于间隙变化型的电容式传感器，目前基本采用使得传感器的动极板在外力的作用下平动的结构，因此，非常有必要提供其它结构形式的间隙变化型的电容式传感器，以丰富电容式传感器的结构形式，进而提供更多的选择。
技术实现思路
本专利技术实施例的一个目的是提供一种间隙变化型的电容式传感器的新的技术方案。根据本专利技术的第一方面，提供了一种翘板式电容差分传感器，其根据本专利技术的第一方面，提供了一种翘板式电容差分传感器，其包括差分信号输出端、接地端、目标件、探针、转动连接部和两个感应件，所述两个感应件与所述差分信号输出端对应连接；所述探针与所述目标件固定连接，以向所述目标件传递作用力；所述目标件连接在所述转动连接部上、且与所述接地端连接；所述转动连接部与所述两个感应件限制相对移动地固定连接，以将所述目标件、所述转动连接部和所述两个感应件连接形成一个结构整体；所述结构整体通过所述两个感应件各自与所述目标件组成一个单极电容；所述结构整体被设置为使得所述目标件在接收到所述作用力时绕所述转动连接部转动至对应的平衡位置，且所述转动使得所述两个单极电容的极板间距产生大小相等、方向相反的变化，以经由所述差分信号输出端输出差分信号。可选的是，所述传感器还包括另外两个感应件，所述另外两个感应件与所述差分信号输出端对应连接，且所述另外两个感应件与所述转动连接部相对固定，以将所述目标件、所述转动连接部和所述另外两个感应件连接形成另一个所述结构整体。可选的是，所述传感器还包括偏置电压输入端和另外两个感应件，所述另外两个感应件均与所述偏置电压输入端连接；所述另外两个感应件与所述转动连接部相对固定，以将所述目标件分别与所述另外两个感应件连接形成一个静电驱动器。可选的是，所述转动连接部为弹性扭梁，所述弹性扭梁的两端与所述两个感应件相对固定，且所述目标件与所述弹性扭梁的中间段连接。可选的是，所述弹性扭梁与所述目标件一体成型。可选的是，所述弹性扭梁为一根金属线，所述目标件设置有一列穿线孔，所述目标件通过使得所述金属线依次穿过每一穿线孔的结构连接在所述转动连接部上；或者，所述弹性扭梁为两根金属线，所述目标件设置有沿相同方向排列的两列穿线孔，所述目标件通过使得每根金属线依次穿过对应列的每一穿线孔的结构连接在所述转动连接部上。可选的是，所述目标件支撑在所述转动连接部上，且所述转动连接部与所述目标件点接触连接。可选的是，所述探针与所述目标件一体成型。可选的是，所述传感器还包括与所述目标件一体成型的夹具预留部，所述夹具预留部经由所述目标件的边缘向外平行延伸；所述探针成型于所述夹具预留部的边缘处，且被弯折为垂直于所述夹具预留部。可选的是，所述感应件包括电容感应体和与所述电容感应体绝缘连接的电容屏蔽体，所述感应件通过所述电容感应体与所述目标件形成对应的单极电容；所述电容屏蔽体与所述接地端连接，所述转动连接部固定连接在任意感应件的电容屏蔽体上，所述目标件通过固定连接在一起的转动连接部和电容屏蔽体与所述接地端连接。可选的是，所述两个单极电容在所述目标件处于非受力的平衡位置下的初始极板间距不等。根据本专利技术的第二方面，提供了一种翘板式电容差分传感系统，其包括信号处理器、显示器、及根据本专利技术第一方面所述的翘板式电容差分传感器，所述传感器的差分信号输出端与所述信号处理器的差分信号输入端对应连接，以将所述传感器产生的差分信号输出至所述信号处理器，所述传感器的接地端与所述信号处理器的地线连接；所述信号处理器被设置为根据所述差分信号计算所述作用力和/或对应所述作用力的极板位移，并将计算结果输出至所述显示器进行显示。本专利技术的专利技术人发现，在现有技术中，应用于微操作领域的电容式传感器存在结构类型单一的问题。因此，本专利技术翘板式电容差分传感器提出了通过翘板式结构形成间隙变化型的电容式传感器的方案，该种结构同样可以实现高分辨率以满足微操作领域的要求，而且结构简单，易于加工制造。通过以下参照附图对本专利技术的示例性实施例的详细描述，本专利技术的其它特征及其优点将会变得清楚。附图说明被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本专利技术的实施例，并且连同其说明一起用于解释本专利技术的原理。图1为根据本专利技术传感器的一种实施例的结构示意图；图2为根据本专利技术传感器的初始极板间距不等的第一种实施例的结构示意图；图3为根据本专利技术传感器的初始极板间距不等的第二种实施例的结构示意图；图4为根据本专利技术传感器的初始极板间距不等的第三种实施例的结构示意图；图5为根据本专利技术传感器的初始极板间距不等的第四种实施例的结构示意图；图6为根据本专利技术传感器的初始极板间距不等的第五种实施例的结构示意图；图7a为图1至图6中感应件的一种实施例的俯视示意图；图7b为图7a所示感应件的A-A向剖视示意图；图8为目标件和转动连接部一体成型的一种实施例的结构示意图；图9为目标件和转动连接部一体成型的第二种实施例的结构示意图；图10为目标件和转动连接部一体成型的第三种实施例的结构示意图；图11为目标件和转动连接部单独成型的一种实施例的结构示意图；图12为目标件和转动连接部单独成型的第二种实施例的结构示意图；图13为目标件和转动连接部单独成型的第三种实施例的结构示意图；图14为两个感应件和转动连接部相对固定的一种固定结构的分解示意图；图15为根据本专利技术传感系统的一种实施结构的方框原理图。附图标记说明：1-目标件；101、102-穿线孔；2-探针；3、3a、3b-感应件；302-电容屏蔽体；303-绝缘主体；3031-绝缘圈；301a、301b-电容感应体；4-夹具预留部；5、5a、5b、5c-转动连接部；502a-扭梁固定件；5021a-连接通孔；6-隔离件；601-连接通孔；SA-结构整体；U1-传感器；U2-信号处理器；U3-显示器；LOUT+、LOUT-：差分信号输出端；LG-接地端；C1-第一单极电容；C2-第二单极电容。具体实施方式现在将参照附图来详细描述本专利技术的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本专利技术的范围。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种翘板式电容差分传感器，其特征在于，包括差分信号输出端、接地端、目标件、探针、转动连接部和两个感应件，所述两个感应件与所述差分信号输出端对应连接；所述探针与所述目标件固定连接，以向所述目标件传递作用力；所述目标件连接在所述转动连接部上、且与所述接地端连接；所述转动连接部与所述两个感应件限制相对移动地固定连接，以将所述目标件、所述转动连接部和所述两个感应件连接形成一个结构整体；所述结构整体通过所述两个感应件各自与所述目标件组成一个单极电容；所述结构整体被设置为使得所述目标件在接收到所述作用力时绕所述转动连接部转动至对应的平衡位置，且所述转动使得所述两个单极电容的极板间距产生大小相等、方向相反的变化，以经由所述差分信号输出端输出差分信号。

【技术特征摘要】
1.一种翘板式电容差分传感器，其特征在于，包括差分信号输出端、接地端、目标件、探针、转动连接部和两个感应件，所述两个感应件与所述差分信号输出端对应连接；所述探针与所述目标件固定连接，以向所述目标件传递作用力；所述目标件连接在所述转动连接部上、且与所述接地端连接；所述转动连接部与所述两个感应件限制相对移动地固定连接，以将所述目标件、所述转动连接部和所述两个感应件连接形成一个结构整体；所述结构整体通过所述两个感应件各自与所述目标件组成一个单极电容；所述结构整体被设置为使得所述目标件在接收到所述作用力时绕所述转动连接部转动至对应的平衡位置，且所述转动使得所述两个单极电容的极板间距产生大小相等、方向相反的变化，以经由所述差分信号输出端输出差分信号。2.根据权利要求1所述的翘板式电容差分传感器，其特征在于，所述传感器还包括另外两个感应件，所述另外两个感应件与所述差分信号输出端对应连接，且所述另外两个感应件与所述转动连接部相对固定，以将所述目标件、所述转动连接部和所述另外两个感应件连接形成另一个所述结构整体。3.根据权利要求1所述的翘板式电容差分传感器，其特征在于，所述传感器还包括偏置电压输入端和另外两个感应件，所述另外两个感应件均与所述偏置电压输入端连接；所述另外两个感应件与所述转动连接部相对固定，以将所述目标件分别与所述另外两个感应件连接形成一个静电驱动器。4.根据权利要求1所述的翘板式电容差分传感器，其特征在于，所述转动连接部为弹性扭梁，所述弹性扭梁的两端与所述两个感应件相对固定，且所述目标件与所述弹性扭梁的中间段连接；所述弹性扭梁进一步与所述目标件一体成型；或者，所述弹性扭梁进一步为一根金属线，所述目标件设置有一列穿线孔，所述目标件通过使得所述金属线依次穿过每一穿线孔的结构连接在所述转...

【专利技术属性】
技术研发人员：林立，叶际隆，孙陶陶，郑泉水，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11