基于电容的位置传感器制造技术

一种用于与可动系统结合使用的位置传感器１６０、１６２、２１０、２６０，所述系统具有一对配置成在一定运行范围内沿轴向彼此相对运动的物体１０６、１２０。位置传感器包括固定到物体之一上的第一板１７８、１８０、２２２、２２６、２６６、２６８和固定到物体的另一个上的一对第二板１６６、１６８、１７２、１７４、２１４、２１６、２２０、２６２、２６４。第二板彼此邻近而共面。这样配置第一板和第二板、使得当物体沿轴向相对运动时第二板与第一板分隔一定距离并平行。这样配置第一板和第二板使得它们形成两个可变的隔板式电容器１９２、１９４、２４０、２４２、２４４、２４６，其电容量随物体沿轴向在运行范围内的相对运动而变化。位置传感器配置成利用所述电容量产生可以用来确定物体沿轴向的相对位置的输出信号。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及基于电容的位置传感器，所述传感器配置成产生随一对可移动物体的相对位置而变化的输出电容。
技术介绍
利用电容来测量两个物体之间的相对位置是众所周知的。一种检测位置的方法包括把两个导电板固定在相对运动的物体上。把所述导电板通常这样固定到物体、使得它们彼此重叠和相互平行并且由间隙隔开。所述两片导电板和夹在中间的电介质(如空气)一起产生电容，所述电容量部分依赖于所述导电板彼此重叠的程度。当物体移动时，重叠量变化，导致电容量的相应变化。根据电容量的变化来确定物体之间的相对运动量。以上方法的一个困难是各种各样的因素可能影响给定的电容变化。假设直线x-y-z坐标系具有一对导电板平行于x-y平面，电容量的变化将起因于发生在所述导电板之间的沿所有三个坐标轴的相对平移。然而，很多位置测定系统，包括上述的简单系统，不能够把发生在一个轴向的运动产生的电容变化与另一个轴向的运动引起的电容变化区分开来。上述问题特别涉及到某些类型的微机电系统(MEMSmicroelectro-mechanical systems)，例如非常小的计算机存储装置。一些这类存储装置包括设计成在x-y平面内相对于相关联的读/写装置运动的存储介质。为了对介质准确地存取和写入数据，必须知道存储介质和读/写装置之间准确的相对位置。通常用于这类装置的静电驱动机构或者其它驱动机构有效地产生x-y运动，然而它们有时候偶然产生z轴方向的运动。在这类偶然的z轴运动情形下，因以上解释过的原因，上述传统的电容位置传感系统可能产生错误的位置读出。与其它情形一起，这可能造成读出错误的数据，或者，意外地盖写现有的数据。已有的基于电容的位置传感器的另一个问题是有限的灵敏度。特别是在微存储装置和其它MEMS系统中，要求采用的位置传感器随给定的位置变化产生明显变化的输出。在一些存储装置中，对位置的测量必须精确到几分之一毫微米。许多已有的传感器完全不足以灵敏到足以提供适合于确定如此精细的位置分辨率的输出。
技术实现思路
因而，本专利技术提供一种位置传感器，它用于与一种可移动系统结合使用，所述系统具有一对可以在一定沿轴向相对运动的运行范围内彼此相对移动的物体。所述位置传感器是基于电容的并且包括这样固定到所述物体之一上的第一板、使得所述第一板平行于所述轴。所述传感器还包括这样固定到所述物体中的另一个上的一对第二板、使得所述第二板彼此相邻并且共面、还使得当所述物体沿所述轴向相对运动时、所述第二板与所述第一板分隔一定距离并且平行。这样配置所述第一板和第二板、使得它们形成两个隔板式电容器，其电容量随所述各物体沿所述轴向在运行范围内彼此相对运动而变化。所述位置传感器配置成利用所述电容量产生可以用来确定所述物体沿所述轴的相对位置的输出。附图说明图1-3示出计算机存储装置的不同透视图，所述装置包括根据本专利技术一个实施例的基于电容的位置传感器。图4是根据本专利技术的基于电容的位置传感器的示意的顶视图。图5-7是描述图4的位置传感器的各部分的侧视图，其中所述位置传感器固定在沿x轴向一定范围彼此相对运动的一对物体上。图8描绘与图4-7所示位置传感器有关的电路模型。图9是根据本专利技术的另一个基于电容的位置传感器的示意的顶视图。图10-12是描绘图9的位置传感器的各部分的侧视图，其中所述位置传感器固定在沿x轴向一定范围彼此相对运动的一对物体上。图13描绘与图9所示位置传感器有关的电路模型。图14是根据本专利技术的再一个位置传感器的等距描绘。图15是描绘图14的位置传感器的各部分的侧视图，其中所述位置传感器固定在沿x轴一定范围彼此相对运动的一对物体上。图16是说明随图14和15的位置传感器的x轴向位移而变的电容输出的波形图。具体实施例方式本专利技术针对一种基于电容的位置传感器。本文中描述的位置传感器实施例可以用于各式各样的装置，然而已经被证明特别适合于用于非常小的计算机存储装置以及其它MEMS系统。只是为了具体说明的目的，以下主要在高密度MEMS计算机存储装置中讨论所述的位置传感器实施例。图1和图2分别示出存储装置100的侧视和顶视横截面图，其中可以采用根据本专利技术的位置传感器。存储装置100包括许多场致发射极(field emitter)，如102和104；具有许多例如108的存储区的存储介质106；以及微致动器110，它相对于场致发射极扫描(移动)存储介质106或者相反。存储装置100可以配置成每个存储区负责存储1位或者多位信息。场致发射极可以配置成具有非常尖锐的尖端的尖端发射极。例如，每个场致发射极可以具有约1到数百毫微米的曲率半径。在运行时，在场致发射极及其对应栅极，例如发射极102和环绕发射极102的圆形栅极103之间，加上预先选定的电位差。由于发射极的尖锐的尖端的缘故，电子束电流被从发射极抽出并高精度地射向存储区。可以根据发射极和存储介质106之间的距离、发射极类型、以及所要求的斑点尺寸(位尺寸)，来要求电子光学系统聚焦电子束。也可以对存储介质106施加电压来或者加速(或减速)场致发射电子、或者帮助聚焦场致发射电子。外壳120通常适合于把存储介质106保持在局部真空(如至少10-5乇)中。研究者们已经采用半导体处理技术在真空腔中制作出了精细加工的场致发射极。参见，如“Silicon Field Emission Transistorsand Diodes，”by Jones，published in IEEE Transactions onComponents，Hybrids and Manufacturing Technology，15，page 1051，1992。每个场致发射极可以对应于存储介质106上建立的一个或多个存储区。如果每个场致发射极负责多个存储区，则存储装置100通常适合于在外壳120(亦即，场致发射极)和存储介质106之间扫描或者以其它形式实现相对运动。例如，微致动器110通常适合于对介质106的不同位置进行扫描、使得每个场致发射极定位在不同的存储区上。采用这样的结构，微致动器110可以用来扫描存储介质之上的场致发射极(通常是两维)阵列。因为存储介质106相对于外壳120运动，通常称它为“动子(mover)”。相对应的，外壳120以及相对于外壳固定的各种其它部件(例如场致发射极)通常称为“定子(stator)”。场致发射极通常适合于通过它们产生的电子束在存储区读取和写入信息。因此，适用于存储装置100的场致发射极必须产生足够细的电子束以便在存储介质106上获得要求的位密度。而且，场致发射极必须提供具有足够的功率密度的电子束以便进行所需的读/写操作。可以用多种方法制作这种场致发射极。例如，一种方法公开在“Physical Properties of Thin-Film Field Emission CathodesWith Molybdenum Cones，”by Spindt et al，published in the Journalof Applied Physics，Vol.47，No.12，December 1976。另一种方法公开在“Fabrication and Characteristics of Si Field EmitterArrays，”by Betsui，p本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有基于电容的位置检测功能的可动系统，它包括：一对物体１０６、１２０；致动器，它配置成实现所述物体１０６、１２０之间沿轴向相对运动的运行范围；以及基于电容的位置传感器１６０、１６２、２１０、２６０，它包括：　 　固定到所述物体１０６、１２０之一上的第一板１７８、１８０、２２２、２２６、２６６、２６８；以及这样固定到所述物体１０６、１２０的另一个上的一对第二板１６６、１６８、１７２、１７４、２１４、２１６、２２０、２６２、２６４，使得所述第 二板相邻而共面并且当所述物体相对于另一物体沿所述轴运动时，所述第二板与所述第一板１７８、１８０、２２２、２２６、２６６、２６８隔开并且平行，其中，所述第一板１７８、１８０、２２２、２２６、２６６、２６８和第二板１６６、１６８、１７２ 、１７４、２１４、２１６、２２０、２６２、２６４的配置形成两个隔板式电容器１９２、１９４、２４０、２４２、２４４、２４６，其电容量随所述物体１０６、１２０沿所述轴在运行范围内的彼此相对运动而变化，其中所述基于电容的位置传感器１６０、１６２、２１０、２６０利用所述电容量来产生可以用于确定所述物体沿所述轴的相对位置的输出信号。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：DJ法森，ST赫恩，
申请(专利权)人：惠普公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]