基于半导体硅片的容栅千分传感器的设计.pdf

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1、20l1年第30卷第8期传感器与微系统(TransducerandMierosystemTechnologies)95基于半导体硅片的容栅千分传感器的设计王孝，王玉花，周善波，谢行，沈传兵(北京航天试验技术研究所，北京100074)摘要：容栅千分传感器广泛应用于位移测量中，设计的容栅千分传感器，将普通容栅传感器在线路板上的刻线划分移植到了半导体硅片上，利用了半导体的工艺技术，实现刻线划分的高精度、高密度，从而达到普通线路板无法达到的精度，将容栅传感器的分辨力提高至0．001mm。关键词：容栅；千分传感器；半导体硅片中图分类号：TP212．1文献标识码：A文章编号：1000-97

2、87(2011)08-0095-02DesignonthecapacitivegratingmillesimalsensorbasedonsemiconductorsiliconwafersWANGXiao，WANGYu·hua，ZHOUShan—bo，XIEHang，SHENChuan—bing(BeijingInstituteofAerospaceTestingTechnology，Beijing100074，China)Abstract：Capacitivemillesimalsensorarewidelyusedindisplacementmeasurement．The

3、designedcapacitivemillesimalsensorhasacharacteristicthattransplantsthereticlefromcircuitboardstosemiconductorsiliconwafers．Techniquesofsemiconductersareusedtorealizehigherprecisionandhigherdensitythatusualcircuitboardscan’treach．Theresolutionofcapacitivemillesimalsensorcanreach0．001mm．Keywor

4、ds：capacitivegrating；millesimalsensor；semiconductorsiliconwafers0引言辨力为0．001mm的数显产品的测量精度均在0．007—容栅测量系统的测量原理新颖，测量电路独特，其构成0．009mm，与国外的产品相比还存在很大的差距。的测量仪器工作可靠，精度高，功耗低，质量轻，抗干扰性能鉴于此种情况，本文设计了一种基于半导体硅片的容强，抗振动，耐污染，并且组装的成品率高，各国的研究部门栅千分传感器，将普通容栅传感器在PCB线路板上的刻线和生产企业对其极为重视，经过近2O多年的发展，其性能划分移植到了半导体硅片上，利用了半导体

5、的工艺技术，实和水平得到很大的提高。现刻线划分的高精度、高密度，从而达到了普通线路板无法国外已实现了分辨力0．001mm的容栅高精度测量系达到的精度，实现容栅高精度千分传感器。统，而且其运用方向也从最初的大行程长度测量扩大到角度1容栅传感器的基本原理测量等领域。但大多产品还是集中在数显千分表中。日本如图1所示，容栅传感器由动栅板和定栅板两部分组三丰的数显千分表在50mm的行程内精度可达到0．003mm；成。动栅板的正面装有专用大规模集成电路、液晶显示器瑞士TESA公司的电子数显高度仪测量范围在500mm时，件及数据传送用输出接口，背面有发射极和接收极两部分。其精度可达到0．00

6、5mm以内，而测量范围在1000mm时，发射极共有48个小发射极，分成6组，每组各有8个小发其精度可控制在0．O1mln以内。其他如德国马尔等国外数射极。小发射极板宽度为，每8个小发射极所占的宽度显量具企业的千分产品的精度也基本在0．005mnl左右。称为一个节距S，S=8L。；其大小与传感器的分辨率有关。国内在开发容栅系统方面也取得了很大成效，目前已接收极为一长金属条，处于发射极的下方，长为5个节距，能提供电子数显卡尺、电子数显千分尺、电子数显千分表电与中间5组发射极相对应，即前后各空出4个小发射极，这路等各种测量仪器使用的容栅测量系统。但受限于传感器是为了消除边缘效应。定栅

7、板是在环氧敷铜板上腐蚀出宽机械加工精度和电路处理精度，在高精度的千分测量系统为s12、间隔亦为s／2的与其他部分绝缘的小矩形方格，表方面，国内的水平还较为欠缺。目前，国内的数显量具的分面粘贴绝缘保护层，这些小方格称为反射极，其他连通部分收稿日期：2011-01-26传感器与微系统第30卷屏蔽接地，对测量没有影响⋯。达到0．3175mil，已接近线路板制作的极限，并且由于节距援缩小，导致电容传感器相对面积缩小，容栅传感器的性能也I姗★6『l删吼＼～，t，发自会相应降低。-栅板嘲IHllllll