电容式位移变送器制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。 附图说明图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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：耐诺度量有限公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]