[发明专利]一种用于微纳米测量的微可变电容及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统领域，具体的说，涉及一种具有微纳米测量能力的微可变电容作为位移传感器。

背景技术

微位移传感器是微纳米测量工具中最重要的组成部分之一，采用微电容作为微位移传感器，与其他类型的传感器相比，具有灵敏度高，精度高，成本低的优点。且微可变电容容易加工，稳定性较好，易封装。

微电容实质上是一个可变电容，这种微可变电容常常用作微力或者位移传感器，微电容作为传感器通常与测量探针集成，探针采用较硬的材料，探针与被测器件接触受到反作用力将传递到上电极上。如果测量探针受到轴向力的作用，整个电极会平移，导致电容间距发生变化，从而使电容器的电容值变化，电容值的变化通过信号处理电路来检测，输出值反映了位移负载的大小。如果测量探针受到横向负载时，上电极发生偏转，下电极采用分割电极，每一块和上电极组成一个电容，这样，每一个电容采集不同的电容变化量输入到信号处理电路中，最后输出值也反映了横向负载的大小。

中国专利（专利申请号为200410041321.2）提出过一种多自由度电容位移传感器，但这种电容传感器不能很好的与测量探针集成，而且此专利中并未提出制备方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于微纳米测量的微可变电容及其制备方法，在不增加工艺复杂程度的同时，制作出高灵敏度的适合微纳米测量的微可变电容，并且能够和市场上很多微纳米测量探针集成，整合到微纳米测量设备中，比如坐标测量机。该用于微纳米测量的微可变电容不但适合轴向测量，也适合横向测量，具体地说，本发明中的微可变电容与探针集成可以实现微纳米3D测量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种用于微纳米测量的微可变电容，包括上电极和下电极，上电极通过柱子与下电极保持悬空，电极和柱子之间通过平面弹簧来连接。下电极被径向等分成四个形状和面积完全相同的独立电极单元，四个独立的电极单元呈扇形，这些独立的电极单元是相互绝缘的。所述的四个独立的电极单元都引出信号，上电极作为公用电极，每个独立的电极单元与公用上电极构成四个独立的电容，每个电容的等效面积为已经等分好的扇形面积。

作为传感器使用时，当探针受到轴向负载的时候，上电极发生上下平移，下电极的四个独立电极单元和上电极构成四个电容，上下电极的信号引入到信号求和电路中，通过一个求和运算电路实现四个电极输出信号的叠加，电路的输出值反映了电容值的变化量。

当探针受到横向负载的时候，上电极发生偏转，四个分块电容，有两块电容值增大，另外两块电容值减小，增大的两块电容引出信号到求和电路中，输出端口，减小的两块电容引入到求和电路中输出端在接入到反相电路中，反相电路的输出端和输出端口的信号再输入到信号求和电路，输出值也反映了电容值的变化量。

上述技术方案中，微可变电容在玻璃基底上制作的，下电极与玻璃基底接触，上电极通过柱子和弹簧悬空与下电极持微小的距离。上下电极均采用圆形，以便于下电极等分。

上述技术方案中，下电极由镀镍层和镀金层构成，镀镍层表面为镀金层。

上述技术方案中，为了保证上电极的刚度，上电极由三层构成，由上至下依次为加厚上电极、弹簧上电极镀金层、弹簧上电极镀镍层。柱子用镀镍液电镀。

上述技术方案中，上下电极的间距很小，达到工艺上容许的最小值。在不影响上电极刚度的条件下，上下电极有较大的有效正对面积。提高微可变电容作为位移传感器的灵敏度和分辨力。每一块电极都有引出焊盘，以便于和外界电路焊接。每一个分块都关于圆形电极的圆心呈中心对称分布，每一块电极的形状都是扇形，相邻电极的绝缘间隙大约为工艺容许的200 m。

上述技术方案中，平面弹簧和上电极连接在一起，采用同一张掩膜板，弹簧有较小的刚度，很容易变形，弹簧与上电极，弹簧与焊盘的连接处容易产生应力集中，容易导致弹簧的断裂，本发明中采用连接处圆弧的图形设计，有效地减小了应力集中，增加了弹簧的寿命。