一种高精度水平敏感结构及其加工方法
阅读说明：本技术 一种高精度水平敏感结构及其加工方法 (High-precision horizontal sensitive structure and processing method thereof ) 是由 王振兴 于 2021-01-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高精度水平敏感结构及其加工方法,包括底层电路板、中层电路板和上层电路板；所述底层电路板的底面接地,用于屏蔽干扰；所述底层电路板包括底层焊接面、两个CDC-A极片和两个CDC-B极片；两个CDC-A极片和两个CDC-B极片均为对称设置；所述底层焊接面上设有CDC-A激励输出极和CDC-B激励输出极；所述CDC-A激励输出极和CDC-B激励输出极与激励源连接。(The invention relates to a high-precision horizontal sensitive structure and a processing method thereof, wherein the high-precision horizontal sensitive structure comprises a bottom circuit board, a middle circuit board and an upper circuit board; the bottom surface of the bottom layer circuit board is grounded and used for shielding interference; the bottom circuit board comprises a bottom welding surface, two CDC-A pole pieces and two CDC-B pole pieces; the two CDC-A pole pieces and the two CDC-B pole pieces are symmetrically arranged; a CDC-A excitation output electrode and a CDC-B excitation output electrode are arranged on the bottom welding surface; and the CDC-A excitation output electrode and the CDC-B excitation output electrode are connected with an excitation source.)
技术领域
本发明涉及高精度水平敏感结构及其加工方法，属于测量技术领域。
背景技术
用电测法测量非电学量时，首先必须将被测的非电学量转换为电学量而后输入之。通常把非电学量变换成电学量的元件称为变换器；根据不同非电学量的特点设计成的有关转换装置称为传感器，而被测的力学量(如位移、力、速度等)转换成电容变化的传感器称为电容传感器。
从能量转换的角度而言，电容变换器为无源变换器，需要将所测的力学量转换成电压或电流后进行放大和处理。力学量中的线位移、角位移、间隔、距离、厚度、拉伸、压缩、膨胀、变形等无不与长度有着密切联系的量；这些量又都是通过长度或者长度比值进行测量的量，而其测量方法的相互关系也很密切。另外，在有些条件下，这些力学量变化相当缓慢，而且变化范围极小，如果要求测量极小距离或位移时要有较高的分辨率，其他传感器很难做到实现高分辨率要求，在精密测量中所普遍使用的差动变压器传感器的分辨率仅达到1～5μm数量级；而有一种电容测微仪，他的分辨率为0.01μm，比前者提高了两个数量级，最大量程为100±5μm，因此他在精密小位移测量中受到青睐。
对于上述这些力学量，尤其是缓慢变化或微小量的测量，一般来说采用电容式传感器进行检测比较适宜，主要是这类传感器具有以下突出优点：
(1)测量范围大其相对变化率可超过100[％]；
(2)灵敏度高如用比率变压器电桥测量，相对变化量可达10-7数量级；
(3)动态响应快因其可动质量小，固有频率高，高频特性既适宜动态测量，也可静态测量。
(4)稳定性好由于电容器极板多为金属材料，极板间衬物多为无机材料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高温、低温强磁场、强幅射下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题。
电容数字转换器(CDC)为当前适合检测的应用技术。单通道AD7745和双通道AD7746均为高分辨率Σ-Δ型电容-数字转换器，可测量直接连接输入端的电容。这些器件具有高分辨率(21位有效分辨率和24位无失码)、高线性度(±0.01％)和高精度(出厂校准至±4fF)，非常适合检测液位、位置、压力和其他物理参数。这些器件具有完整的功能，电容输入端集成多路复用器、激励源、用于电容DAC,温度传感器、基准电压源、时钟发生器、控制和校准逻辑、I2C兼容型串行接口以及高精度转换器内核，该内核集成二阶Σ-Δ型电荷平衡调制器和三阶数字滤波器。转换器用作电容输入的CDC和电压输入的ADC。
所测电容Cx连接在激励源和Σ-Δ型调制器输入端之间。转换期间在Cx上施加方波激励信号。调制器会不间断地对流过Cx的电荷进行采样，并将其转换为0和1的流。调制器输出1的密度经数字滤波器处理，确定电容值。滤波器输出通过校准系数缩放调节。然后，外部主机便可通过串行接口读取最终值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度水平敏感结构及其加工方法，基于电容数字转换器(CDC)技术，使得在角度测量应用中使用高性能电容检测成为可能。
本发明采用的技术方案是：一种高精度水平敏感结构，其特征在于，包括底层电路板、中层电路板和上层电路板；
所述底层电路板的底面接地，用于屏蔽干扰；所述底层电路板包括底层焊接面、两个CDC-A极片和两个CDC-B极片；两个CDC-A极片和两个CDC-B极片均为对称设置；所述底层焊接面上设有CDC-A激励输出极和CDC-B激励输出极；所述CDC-A激励输出极和CDC-B激励输出极与激励源连接；
所述中层电路板，其中心挖空，其周边为中层焊接面；
所述上层电路板包括A+、A-、B+、B-四个象限和上层焊接面，所述A+与A-的分界线与B+与B-的分界线垂直；其中，所述A+象限与所述A-象限对称设置，所述B+象限与所述B-象限对称设置；所述A+和A-象限构成第一传感器的正负极片，所述B+和B-象限构成第二传感器的正负极片；所述两个CDC-A极片的面积等于所述A+加上A-的面积；所述两个CDC-B极片的面积等于B+加上B-的面积；且，所述两个CDC-A极片完全对应所述第一传感器输入的检测极A+和A-，所述两个CDC-B极片完全对应所述第二传感器输入的检测极B+和B-；
所述上层电路板、中层电路板以及所述底层电路板通过所述底层焊接面、中层焊接面和上层焊接面堆叠焊接，形成一“三明治”式结构，所述“三明治”式结构的中心为空腔；所述空腔包括略小于空腔体积的容性液体和气泡。
进一步地，所述底层电路板、中层电路板和上层电路板之上均设有定位点，用于使三块电路板的倾斜角度完全同时。
优选地，所述底层电路板和中层电路板的外表面以及其中的传感器极和容性液体被整面铜箔包裹在内。
进一步地，所述底层电路板设有一小孔(5)，用于向所述空腔(4)中注入小于空腔体积的容性液体。
一种高精度水平敏感结构的加工方法，包括如下步骤：
制作底层电路板，所述底层电路板的底面接地，用于屏蔽干扰；所述底层电路板包括底层焊接面、两个CDC-A极片和两个CDC-B极片；所述底层焊接面上设有CDC-A激励输出极和CDC-B激励输出极；所述CDC-A激励输出极和CDC-B激励输出极与激励源连接；
制作中层电路板，其中心挖空，其周边为中层焊接面；
制作上层电路板，所述上层电路板包括A+、A-、B+、B-四个象限和上层焊接面，所述A+与A-的分界线与B+与B-的分界线垂直；其中，所述A+象限与所述A-象限对称设置，所述B+象限与所述B-象限对称设置；所述A+和A-象限构成第一传感器的正负极片，所述B+和B-象限构成第二传感器的正负极片；所述两个CDC-A极片的面积等于所述A+加上A-的面积；所述两个CDC-B极片的面积等于B+加上B-的面积；且，所述两个CDC-A极片完全对应所述第一传感器输入的检测极A+和A-，所述两个CDC-B极片完全对应所述第二传感器输入的检测极B+和B-；
应用焊锡的方法将三块电路板的焊接面堆叠焊接，焊接后的所述上层电路板、中层电路板以及所述底层电路板形成一“三明治”式结构，所述“三明治”式结构的中心为空腔。
在所述底层电路板开一个小孔，通过所述小孔向所述空腔内注入可流动的容性液体，注入的容性液体的体积为所述空腔体积的二分之一，用胶水或焊锡将所述小孔密封，由于空腔未注满，空腔内生成一气泡。
进一步地，还包括如下步骤：
在所述底层电路板、中层电路板和上层电路板的相同位置加工定位点，使得三块电路板的倾斜角度完全同时。
进一步地，还包括如下步骤：将所述底层电路板和中层电路板的外表面以及传感器极和容性液体用整面铜箔包裹在内。
本发明的工作原理在于，因气泡中的空气的容性比液体的容性小，气泡所在位置的电容小，所以可通过电容值确定气泡所在的位置，如果气泡在中间，则检测到的电容值为0。
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种全新的高精度水平敏感结构及其加工方法，采用三层结构形式和对称结构，中间气泡的位置转化成敏感度高的电容，提供了一种较高的灵敏度水平敏感结构的技术方案。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的底层电路板结构示意图；
图3为本发明的上层电路板结构示意图；
图4为本发明的中层电路板结构示意图。
图中，1、底层电路板；2、中层电路板；3、上层电路板；4、空腔；5、小孔；11、CDC-A极片；12、CDC-B极片；13、底层焊接面；111、CDC-A激励输出极；121、CDC-B激励输出极；61、第一定位点；62、第二定位点；31、A-象限；32、A+象限；、33、B+象限、34、B-象限；35、上层焊接面；21、中层焊接面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
如图1、图2、图3和图4所示，一种高精度水平敏感结构，包括底层电路板(1)、中层电路板(2)和上层电路板(3)；
所述底层电路板的底面接地，用于屏蔽干扰；所述底层电路板包括底层焊接面(13)、两个CDC-A极片(11)和两个CDC-B极片(12)；两个CDC-A极片和两个CDC-B极片均为对称设置；所述底层焊接面上设有CDC-A激励输出极(111)和CDC-B激励输出极(121)；所述CDC-A激励输出极和CDC-B激励输出极与激励源连接；
所述中层电路板(2)，其中心挖空，其周边为中层焊接面(21)；
所述上层电路板包括A+(32)、A-(31)、B+(33)、B-(34)四个象限和上层焊接面，所述A+与A-的分界线与B+与B-的分界线垂直；其中，所述A+象限与所述A-象限对称设置，所述B+象限与所述B-象限对称设置；所述A+和A-象限构成第一传感器的正负极片，所述B+和B-象限构成第二传感器的正负极片；所述两个CDC-A极片的面积等于所述A+加上A-的面积；所述两个CDC-B极片的面积等于B+加上B-的面积；且，所述两个CDC-A极片完全对应所述第一传感器输入的检测极A+和A-，所述两个CDC-B极片完全对应所述第二传感器输入的检测极B+和B-；
所述上层电路板、中层电路板以及所述底层电路板通过所述底层焊接面、中层焊接面和上层焊接面堆叠焊接，形成一“三明治”式结构，所述“三明治”式结构的中心为空腔(4)；所述空腔包括略小于空腔体积的容性液体和气泡。
进一步地，所述底层电路板、中层电路板和上层电路板之上均设有定位点(61)和(62)，用于使三块电路板的倾斜角度完全同时。
优选地，所述底层电路板和中层电路板的外表面以及其中的传感器极和容性液体被整面铜箔包裹在内。
进一步地，所述底层电路板设有一小孔(5)，用于向所述空腔(4)中注入小于空腔体积的容性液体。
一种高精度水平敏感结构的加工方法，包括如下步骤：
制作底层电路板，所述底层电路板的底面接地，用于屏蔽干扰；所述底层电路板包括底层焊接面、两个CDC-A极片和两个CDC-B极片；所述底层焊接面上设有CDC-A激励输出极和CDC-B激励输出极；所述CDC-A激励输出极和CDC-B激励输出极与激励源连接；
制作中层电路板，其中心挖空，其周边为中层焊接面；
制作上层电路板，所述上层电路板包括A+、A-、B+、B-四个象限和上层焊接面，所述A+与A-的分界线与B+与B-的分界线垂直；其中，所述A+象限与所述A-象限对称设置，所述B+象限与所述B-象限对称设置；所述A+和A-象限构成第一传感器的正负极片，所述B+和B-象限构成第二传感器的正负极片；所述两个CDC-A极片的面积等于所述A+加上A-的面积；所述两个CDC-B极片的面积等于B+加上B-的面积；且，所述两个CDC-A极片完全对应所述第一传感器输入的检测极A+和A-，所述两个CDC-B极片完全对应所述第二传感器输入的检测极B+和B-；
应用焊锡的方法将三块电路板的焊接面堆叠焊接，焊接后的所述上层电路板、中层电路板以及所述底层电路板形成一“三明治”式结构，所述“三明治”式结构的中心为空腔。
在所述底层电路板开一个小孔(5)，通过所述小孔向所述空腔内注入可流动的容性液体，注入的容性液体的体积为所述空腔体积的二分之一，用胶水或焊锡将所述小孔密封，由于空腔未注满，空腔内生成一气泡。
进一步地，还包括如下步骤：
在所述底层电路板、中层电路板和上层电路板的相同位置加工定位点，使得三块电路板的倾斜角度完全同时。
进一步地，还包括如下步骤：将所述底层电路板和中层电路板的外表面以及传感器极和容性液体用整面铜箔包裹在内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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