一种电容位移传感器及其柔性探头、柔性连接线的制作方法

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种电容位移传感器及其柔性探头、柔性连接线。


背景技术：

2.电容位移传感器是一种基于电容-极板间距关系进行位移/距离测量的传感器，由电容计算公式c＝∈s/d可知，当电容两极板间介电常数∈一定，电容器的电容值c与极板面积s成正比，与极板间距d成反比。
3.将电容极板固定在两个被测面上，即可通过测量电容器的电容值测量被测面之间的距离。传统电容传感器探头的结构，一般采用如图1中的(a)所示的结构，最内层为电容极板2，用于与被侧面1配合，进行电容测量。中间层为保护电极板3，通过跟随器使其与测量电极同电位，用于隔离测量电极与外界地电位，防止电荷泄露，并且均匀电场，消除边缘效应，最外层为接地外壳4，用于屏蔽外界噪声干扰。
4.由于传统电容传感器探头结构较为复杂，厚度一般较大，若要用于在狭小空间测量，需在一个基板上预先打孔，将传感器探头预埋在孔内进行测量，参见图1中的(b)。对于要求结构完整的位置无法完成测量。例如，在装配间隙检测领域，要测量两个装配面的间隙而又不能破坏装配面结构，传统的电容传感器探头无法满足要求。
5.经检索，专利申请号201911042102.9，公开了一种耐高温高精度电涡流式微小间隙测量传感器探头；该申请案传感器探头包括平面空心感应线圈和封装平面空心感应线圈的封装陶瓷外壳；平面空心感应线圈的材质为表面包裹耐高温绝缘漆的铂丝，且平面空心感应线圈是由铂丝在平面内螺旋紧密绕制成的空心圆盘结构，铂丝的两端分别为引线，且引线均伸出封装陶瓷外壳外部；封装陶瓷外壳为圆柱形结构，且平面空心感应线圈封装在封装陶瓷外壳内。该申请案可以在室温-1000℃的环境中长期稳定的测量微小位移变化；但该申请案首先是一种电涡流式传感器探头，与电容传感器的测量原理不同，探头结构也不同；另一方面，该申请案重点是解决温度对测量微小位移影响的问题，与本专利要解决的问题并不相同。
6.专利申请号201520481318.6，公开了一种平面电容式谷物水分传感器探头，该申请案传感器探头包括绝缘保护层、感应电极i、基体、保护电极、驱动电极和感应电极ii；感应电极i、驱动电极和感应电极ii分别镶嵌在基体的同一平面内，使得这种平面探头的安装比较容易；保护电极粘贴在基体的下表面，使得保护电极与感应电极i、感应电极ii等电位，从而减小了干扰和杂散电容的影响；驱动电极位于感应电极i与感应电极ii的中间，形成两个有效电容，提高了传感器的灵敏度；感应电极i、驱动电极和感应电极ii被绝缘保护层完全覆盖住，减少了外部噪声信号对测量的干扰。但该申请案探头仍有较大的厚度，并不适用于装配间隙检测。


技术实现要素：

7.1.发明要解决的技术问题
8.鉴于上述现有技术的不足，本发明提供了一种电容位移传感器及其柔性探头、柔性连接线，本发明使用柔性电路板技术制作厚度小于0.3mm的电容传感器探头及其连接线，使其能够适用于装配间隙检测等领域。
9.2.技术方案
10.为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
11.本发明的一种电容位移传感器的柔性探头，包括图案化的金属和绝缘体的多层复合结构，该多层复合结构制作于柔性电路板上；所述多层复合结构包括测量电极层、绝缘层和保护电极层，绝缘层设置于测量电极层、保护电极层之间，保护电极层面积大于测量电极层。
12.更进一步地，所述的测量电极层的同一层设置保护电极层，测量电极层与同层保护电极层之间设置绝缘层；该保护电极层与下层的保护电极层通过过孔连接。
13.更进一步地，所述的测量电极层的上层设置保护电极层，该保护电极层与测量电极层之间设置绝缘层，且保护电极层与下层的保护电极层通过过孔连接。
14.更进一步地，下层保护电极层的下方设置地电极层，地电极层与下层保护电极层之间设置绝缘层。
15.本发明的一种电容位移传感器的柔性连接线，包括图案化的金属和绝缘体的多层结构，该多层结构制作于柔性电路板上；所述的多层结构包括一测量电极引线以及分布于其上下的两个保护电极引线，测量电极引线与保护电极引线之间设置绝缘层，且保护电极引线面积大于测量电极引线。
16.更进一步地，所述测量电极引线的同一层设置两个保护电极引线，测量电极引线与同层保护电极引线之间设置绝缘层；该保护电极引线与下层的保护电极引线通过过孔连接。
17.更进一步地，下层保护电极引线的下方设置地电极引线，地电极引线与下层保护电极引线之间设置绝缘层。
18.本发明的一种电容位移传感器，包括所述的探头和连接线，所述的探头与连接线相连。
19.更进一步地，所述的探头通过连接线连接多芯公头，多芯母头与屏蔽接头通过同轴线连接构成探头转接线，多芯公头与多芯母头可插拔连接，所述探头转接线连接电容传感器电路。
20.更进一步地，所述的探头呈阵列排布，阵列中每个探头均通过连接线与电容检测电路连接。
21.3.有益效果
22.采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下有益效果：
23.(1)本发明针对平面工艺简化常规电容位移传感器结构，使用平面结构实现了常规结构电容传感器探头及连接线的功能，将电容位移传感器及其连接线厚度缩小到0.3mm以下，因而能够粘贴在待测间隙的一个装配面上对间隙进行测量，不需要破坏装配面结构来安装探头，可实现狭小装配间隙的精确测量。
24.(2)本发明的一种电容位移传感器的柔性探头，由于探头厚度较小并且具有柔性，可测量具有一定曲率的非平面装配面的装配间隙。基于以上平面结构探头单元可以制作大面积平面结构柔性探头阵列，实现大面积装配间隙的测量。
附图说明
25.图1中的(a)为传统电容传感器探头的结构示意图；图1中的(b)为传统探头的装配示意图；
26.图2中的(a)为实施例1所述平面结构探头的结构示意图；图2中的(b)为(a)图的俯视图；
27.图3中的(a)为实施例2所述平面结构探头的结构示意图；图3中的(b)为(a)图的俯视图；
28.图4中的(a)为实施例3所述平面结构探头的结构示意图；图4中的(b)为(a)图的俯视图；
29.图5中的(a)为实施例2的平面结构探头增加地电极后的结构示意图；图5中的(b) 为(a)图的俯视图；
30.图6为实施例4所述平面结构连接线的结构示意图；
31.图7为实施例5所述平面结构连接线的结构示意图；
32.图8为实施例5的平面结构连接线增加地电极引线后的结构示意图；
33.图9为本发明中平面结构探头及其连接线的一种实施方式的结构示意图；
34.图10为本发明中平面结构探头及其连接线的另一种实施方式的结构示意图；
35.图11为本发明中平面结构探头的装配示意图；
36.图12为本发明中带有柔性探头的电容位移传感器的结构示意图；
37.图13为本发明中探头阵列的实施示意图。
38.示意图中的标号说明：
39.1、被侧面；2、电容极板；3、保护电极板；4、接地外壳；
40.51、测量电极层；52、绝缘层；53、保护电极层；54、地电极层；55、测量电极引线； 56、保护电极引线；57、地电极引线；
41.61、第一保护电极；62、第一测量电极；63、测量电极过孔；64、第二保护电极；65、第二测量电极；66、第三保护电极；67、地电极；68、保护电极过孔；
42.71、探头；72、连接线；73、绝缘基底；74、多芯公头；75、多芯母头；76、同轴线； 77、屏蔽接头。
具体实施方式
43.为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
44.本发明利用柔性电路板或其他类似的技术，制作图案化的金属和绝缘体的多层复合结构，形成满足电容传感器功能的具有柔性的平面结构探头及其连接线。多层复合结构制作于柔性电路板上，在以下说明中，将图2中的从测量电极层51朝向保护电极层53的方向定义为下方向，将其相反的方向定义为上方向，图3-图8均按此定义上下方向。
45.实施例1
46.本实施例的探头至少包含如图2所示的三层结构，其中两层电极层，一层绝缘层。该结构包含一个测量电极层51和一个保护电极层53，测量电极层51、保护电极层53之间设置绝缘层52。其中，保护电极层53比测量电极层51面积更大，根据量程大小调整保护电极层53 的尺寸。因为本结构的扁平化特性，略去了常规电容探头中对测量电极侧面的保护电极，同样能够实现常规电容探头结构中保护电极的的防止电荷泄露和消除边缘效应的作用。
47.实施例2
48.本实施例的探头如图3所示，在测量电极层51的同一层增加了保护电极层53，该保护电极层53与下层的保护电极层53通过过孔(过孔中有导电金属)连接，同时作为保护电极使用。测量电极层51与同层保护电极层53之间设置绝缘层52。
49.参看图5，本实施例在下层保护电极层53的下方设置地电极层54，地电极层54与下层保护电极层53之间设置绝缘层52。通过该结构设计，固定保护电极与地电极之间的电容，提高传感器稳定性。
50.实施例3
51.本实施例的探头如图4所示，在测量电极层51的上层增加了保护电极层53，该保护电极层53与测量电极层51之间设置绝缘层52，且保护电极层53与下层的保护电极层53通过过孔连接，同时作为保护电极使用。
52.实施例2和实施例3所述的两种变体增强了对测量电极侧面的保护。
53.实施例4
54.平面结构探头需要使用平面结构的连接线进行连接。图6展示了平面结构连接线的横截面。连接线至少包含如图6所示的五层结构，其中两层绝缘层，三层金属层。该结构包含一测量电极引线55以及分布于其上下的两个保护电极引线56，测量电极引线55与保护电极引线56之间设置绝缘层52，且保护电极引线56面积大于测量电极引线55，以避免电荷泄露。
55.实施例5
56.本实施例的平面结构连接线如图7所示，如果上下的保护电极引线较窄，可在测量电极引线55的同一层设置两个保护电极引线56，测量电极引线55与同层保护电极引线之间设置绝缘层52；该保护电极引线56与下层的保护电极引线56通过过孔连接，增强对测量电极引线测面的保护。
57.参看图8，下层保护电极引线56的下方设置地电极引线57，地电极引线57与下层保护电极引线56之间设置绝缘层52，固定保护电极与地电极之间的电容，提高传感器稳定性。
58.实施例6
59.图9为本实施例的平面结构探头及其连接线的结构图，图9中的(a)从左至右依次为第一保护电极61、第一测量电极62、第二保护电极64、第二测量电极65、第三保护电极66和地电极67。图9中的(b)为结构爆炸图，第一保护电极61、第二保护电极64、第三保护电极66上开设有保护电极过孔68，第一测量电极62、第二测量电极65上开设有测量电极过孔 63。依照图9使用柔性电路板工艺等平面工艺制作平面结构探头，将第二测量电极，第一、二、三保护电极，地电极分别接入电容传感器电路中测量电极、保护电极、地电极相应的端口，即可实现电容传感器的完整功能。
60.实施例7
61.图10为本实施例的平面结构探头及其连接线的结构图，图10中的(a)从左至右依次为第一保护电极61、第一测量电极62、第二保护电极64、第三保护电极66和地电极67。图 10中的(b)为结构爆炸图。依照图10使用柔性电路板工艺等平面工艺制作平面结构探头，将第一测量电极，第一、二、三保护电极，地电极分别接入电容传感器电路中测量电极、保护电极、地电极相应的端口，即可实现电容传感器的完整功能。
62.实施例8
63.参看图12，本实施例的一种电容位移传感器，平面结构探头71通过平面结构连接线72 与多芯公头74连接，形成一个可插拔的探头。平面结构探头71和平面结构连接线72设置在绝缘基底73上，多芯母头75与双层屏蔽接头77通过双层屏蔽同轴线76连接构成探头转接线，将可插拔探头的多芯公头74插入探头转接线的多芯母头75，则平面结构探头的测量电极与双层屏蔽接头的内芯连接，保护电极与中间屏蔽层连接，地电极与外层屏蔽层连接。双层屏蔽接头可插入电容传感器电路，实现电路到平面结构探头的连接。参看图11，将平面结构探头粘贴在待测间隙l的一个面上即可测量探头表面到另一面的距离。其中平面结构探头与连接线厚度低至0.3mm，且具有一定的柔性。
64.实施例9
65.参看图13，本实施例使用柔性电路板工艺制作平面结构探头阵列。阵列中每个探头71 均通过平面结构连接线72与电容检测电路连接以实现距离测量的功能。探头阵列厚度可低至 0.3mm，且具有一定的柔性，可对非平面安装面实现多点位间隙测量。
66.以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。