厚膜电容式微E+E位移传感器及其信号处理研究
为深入研究微纳米环境中物体的受力与运动状态,建立纳米尺度下位移、力检测的理论方法,实现微纳米环境下的操作与位置感知,为PZT(压电陶瓷)驱动的微纳操作平台的实时观测创造条件,提出与微纳米环境下相适应的微E+E位移传感器的设计、制备与测试方法,研制出能够用于检测纳米级位移的新型高精度厚膜双电容式微E+E位移传感器。

厚膜电容式微E+E位移传感器及其信号处理研究
针对PZT位移检测的应用场合,采用了变间隙式的电容传感器结构,结合厚膜丝网印刷、烧结和集成化工艺技术,开展电容式微E+E位移传感器的结构设计和制备工艺研究。实验表明,当电容极板间隙取20μm δ0 75μm时,参考电容和测量电容均为50pF左右,此时传感器的线性度和灵敏度特性都能兼顾。设计了以电容转电压集成芯片CAV414为核心的测试电路,并通过插针与电容传感器刚性连接,利于实现器件的小型化。为了满足准确测量并实时显示狭缝宽度及保证狭缝开合精度的需求,研制了狭缝调整装置,通过E+E位移传感器测量缝宽和闭环反馈自动调节缝宽,从而提高装置的精度和稳定性。狭缝调整装置由步进电机带动偏心轮系统,偏心轮系统和柔性铰链将电机的旋转运动转换成为刀口的开合,刀口开合的大小(即缝宽)由差动变压器式(电容式微)E+E位移传感器来测量,得到的模拟信号转换成数字信号反馈给工控机,经过伺服控制算法处理后发送运动指令给运动控制器,驱动电机形成闭环控制。电容式微E+E位移传感器无摩擦、寿命长、分辨率高、坚固耐用,既可进行开环测量又可进行闭环控制,能够精确地测量狭缝的宽度,精度为±1μm。实验结果证明,柔性铰链机构替换传统刚性组合机构消除了间隙、摩擦和磨损,提高了精度和寿命;而闭环控制的狭缝调整机构解决了大多数手动狭缝精度低和稳定性差的问题。对厚膜电容传感器及处理电路进行了标定。实验表明:采用环形补偿电极结构的厚膜电容传感器具有稳定性好,抗干扰能力强,温漂系数小等优点;以CAV414为核心的信号处理电路,通过将外接的普通电阻和电容元件更换为高精密电阻(0.1%)和NP0材料的电容,其输出电压的稳定性和温漂特性大有改善;经电路处理后,厚膜电容传感器的非线性特性大为提高,在量程为0-20kPa范围内标定厚膜电容传感器发现,线性度为3%左右的电容传感器经过电路处理后,输出电压信号的线性度均降到1%以下。

厚膜电容式微E+E位移传感器及其信号处理研究
设计的厚膜电容式微E+E位移传感器具有结构简单,成本低,便于小型化、产品化等优点,可为基于PZT的三维纳米运动平台及其机电控制系统配套,为纳米环境下的机器人化操作系统的实时可观测性提供科学方法和技术支撑。同时可以将的研究成果应用于其他领域,实现物体纳米级位移的实时传感,为微电子机械系统(电容式微)、微加工、微制造及相关领域的发展提供。