5Â SENSOR DE DESPLAZAMIENTO BASADO EN CAVIDADES DE RADIOFRECUENCIA RESONANTES.
CAMPO DE LA INVENCIÓN
10Â
La presente invención se refiere a un sensor de desplazamiento. Más en particular, a un sensor que utiliza las variaciones de magnitudes físicas electrónicas y electromagnéticas oscilantes de un 15Â circuito resonante.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los sensores para medir desplazamiento aprovechan la 20Â variación de una cierta magnitud física producida al cambiar la posición de un objeto. La magnitud física que cambia puede ser de muy diversa naturaleza y por ello existen múltiples tipos de sensores de posición disponibles en el mercado.
25Â Sin embargo, cuando se trata de medir desplazamientos a escala muy pequeña (micras o nanómetros) , los principios físicos que pueden aprovecharse son más escasos y más difíciles de medir con precisión. Tres grandes familias de sensores son empleadas normalmente 30Â para medidas de pequeños desplazamientos: sensores inductivos, interferometría láser y sensores capacitivos. Los sensores de tipo inductivo son muy abundantes, baratos y funcionan razonablemente bien para medida de 35Â desplazamientos relativamente grandes (mayores que la
micra) . Por debajo de esta escala es más usual emplear interferometría láser, aunque esta es una solución bastante cara y además la resolución de este tipo de medida viene condicionada por la propia longitud de
onda del láser que se emplee. Posiblemente la mejor solución actual para nanometrología son un tipo especial de sensores capacitivos desarrollados
recientemente expresamente para estas aplicaciones. Los sensores capacitivos tienen un coste medio-alto y buenas prestaciones, aunque requieren de una electrónica adicional bastante delicada. Otro tipo de sensor descrito en la patente PCT/US/1992007365 usa el principio de reflexión de ondas de radiofrecuencia. Resulta un sensor sencillo pero solamente aplicable para medir extensión de cilindros hidráulicos, y con precisión a lo sumo centimétrica.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención tiene por objeto resolver el problema técnico de medir desplazamientos muy pequeños (del orden de los nanómetros) con alta precisión de manera sencilla y económica. Esto es posible gracias a un sensor de desplazamiento y un método según las reivindicaciones. El sensor de desplazamiento comprende una o varias cavidades electromagnéticas resonantes de geometría variable acopladas a un miembro solidario y medios para generar una oscilación en la o las cavidades, donde la/las cavidades y el miembro están acopladas de manera que el movimiento del miembro solidario en respuesta a un desplazamiento que se desea medir provoca una variación de la geometría de la o las cavidades de modo que las características de la resonancia son alteradas de forma mesurable. Preferentemente, las cavidades están interconectadas de manera que sus resonancias están acopladas magnéticamente, eléctricamente o de forma mixta. La oscilación puede ser de radio frecuencia o de microondas. Las características de la resonancia mesurables serían la amplitud, la fase, la frecuencia
o una combinación de éstas. El sensor incluye opcionalmente un cable o medio transmisor de señal eléctrica conectado a un primer extremo de la o las
cavidades para alimentarlas y un circuito oscilador conectado a un segundo extremo. El sensor está formado de preferencia por un recipiente de un material conductor en cuyo interior una o más paredes conductoras flexibles o desplazables dividen el espacio en varias cavidades y el miembro solidario es un vástago en contacto con las paredes internas o externas del recipiente. De preferencia, el sensor comprende dos cavidades acopladas, de manera que el desplazamiento provoca la variación de la geometría de ambas, de forma que las características de la resonancia son alteradas en signo contrario en ambas cavidades.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la presente descripción se adjuntan unas figuras, cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo, que describen esquemáticamente varias realizaciones preferenciales del dispositivo de la invención. La figura 1 describe un sensor según un modo de realización de la presente invención. La figura 2 muestra un sensor con dos cavidades. La figura 3 muestra un sensor con tres cavidades.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El sensor de desplazamiento propuesto basa su funcionamiento en un principio físico totalmente diferente a los que existen en el estado de la técnica. Este dispositivo introduce el uso de cavidades resonantes de radiofrecuencia en el campo de la nanometrología y basa su funcionamiento en el registro de variaciones de magnitudes físicas electrónicas y electromagnéticas oscilantes del circuito resonante resultante, de cuya amplitud, fase y frecuencia puede extraerse la información de posicionamiento con mucha más alta resolución que con otros procedimientos más habituales. El sensor propuesto, al basar su funcionamiento en principios electromagnéticos totalmente distintos, es capaz de obtener resoluciones nanométricas, puede emplearse para medir el desplazamiento de cualquier tipo de elemento y hace un uso totalmente innovador de las cavidades de radiofrecuencia resonantes. Sus características aportan una alternativa de medida de resolución comparable o mejor a la proporcionada por las otras tecnologías descritas en el ámbito de la nanometrología, manteniendo a la vez un coste moderado.La invención se refiere a un nuevo sensor de desplazamiento lineal, de muy alta resolución (nanométrica) , basado en un principio físico diferencial que utiliza cavidades resonantes de radio
frecuencia que modifican fuertemente su respuesta en función de leves desplazamientos de un vástago transmisor de movimiento. El sensor resuelve el
problema técnico de medir desplazamientos muy pequeños (del orden de los nanómetros) , que la mayoría de los sensores de posición existentes en la actualidad no son capaces de resolver. Su interés en el campo de la nanociencia y nanotecnología es por tanto notable.
La invención consiste en al menos una cavidad resonante cuya geometría o dimensiones puede modificarse mediante el accionamiento de un vástago transmisor de movimiento. Las cavidades se alimentan con una señal de radio frecuencia o microondas de modo que resuenen a cierta frecuencia. Si se produce un desplazamiento sobre el vástago, esto modifica la geometría de las cavidades y consecuentemente cambian los parámetros de su respuesta oscilante. Dichos cambios se registran y a partir de ellos se obtiene el desplazamiento producido.
El dispositivo consta de un recipiente o caja cerrada conductora de la electricidad (1) , subdividida en varios compartimentos (figuras 2 y 3, ref. 7, 8, 10) por medio de paredes también conductoras de la electricidad (2, 9) . Por medio de un vástago (3) se transmite a la caja el desplazamiento que se quiere medir. Un circuito de radio frecuencia o microondas (4) alimenta la caja a través de un cable (5) , y recibe la respuesta de la misma a través de otro cable (6) . Esta respuesta oscilante depende fundamentalmente del desplazamiento del vástago y permite resolver movimientos con mucha mejor resolución que mediante técnicas basadas en medida de magnitudes físicas convencionales como inducciones o capacidades.
En el caso de una sola cavidad (figura 1) , el mismo recipiente (1) estaría fabricado con un material flexible, deformable o desplazable, capaz de variar su geometría en respuesta al movimiento del vástago.
El dispositivo puede por tanto emplearse en aplicaciones industriales donde se requieran medidas de posición de elementos mecánicos y en micro y nanometrología en general, conectando el elemento cuyo desplazamiento se desea medir al vástago transmisor de movimiento. El cuerpo del dispositivo se puede construir con un recipiente metálico conductor cerrado flexible dotado de una o más paredes interiores también metálicas conductoras flexibles que compartimenten el recipiente en varios sub-compartimentos cerrados. Estos subcompartimentos pueden funcionar a modo de cavidades resonantes si se alimentan a través de un cable coaxial conectado por un extremo al recipiente y por el otro extremo a un circuito oscilador de radio frecuencia o microondas. El vástago transmisor de movimiento del dispositivo puede construirse con una varilla en contacto con la pared o paredes internas o externas del recipiente. La respuesta del dispositivo puede medirse sobre un segundo cable coaxial conectado al recipiente.
El empleo del sensor propuesto es útil en cualquier 5Â sector de actividad donde se requiera medir desplazamientos pequeños (del orden de los nanómetros) . Aplicaciones típicas donde se requieren desplazamientos a esta escala son la micro y nanoelectrónica, la micro-robótica, la mecatrónica de 10Â precisión, la microscopía de fuerza atómica, las biociencias o las nanotecnologías y las nanociencias en general.
