DOI: 10.1016/j.sna.2026.117681

Abstract

This paper presents a novel two-dimensional (2D) inductive displacement sensor that utilizes a flexible printed circuit (FPC) planar coil. The sensor architecture consists of a primary cantilever base housing a planar spiral excitation coil and a secondary base equipped with orthogonal rectangular receiving coils. When driven by an alternating current, relative motion in the xy-plane modulates the mutual inductance between the excitation and receiving coils. The resulting induced voltages are then demodulated to precisely determine the 2D planar displacements. Optimization of the receiving coil structure achieved minimal coupling (<0.33%) and nonlinearity (<0.27%), demonstrating the sensor's suitability for precision applications. Experimental results verify that the prototype offers a measurement range of 3 mm × 3 mm and a resolution of 40.3 nmpp × 41.6 nmpp.

文章摘要

  本文介绍了一种新型的二维（2D）感应位移传感器，其采用了柔性印刷电路（FPC）平面线圈。该传感器的结构包括一个主悬臂基座，内含平面螺旋激励线圈，以及一个次级基座，配备有正交矩形接收线圈。当由交流电驱动时，xy 平面内的相对运动会改变激励线圈和接收线圈之间的互感。由此产生的感应电压随后会被解调，以精确确定二维平面位移。接收线圈结构的优化实现了最小耦合（<0.33%）和非线性（<0.27%），证明了该传感器适用于精密应用。实验结果证实，该原型的测量范围为 3 mm×3 mm，峰峰值分辨率为 40.3 nm×41.6 nm。

图片摘要

图一：探头结构和实验结果。

亮点

  1.提出了一种新型的二维感应式位移传感器，其具有独特的“#”形正交差分线圈结构和矩形接收线圈，能够实现出色的轴间解耦（交叉耦合<0.33%），并且显著简化了位移计算过程。

  2.该传感器具有纳米级的分辨率（在X方向上为40.3nm，在Y方向上为41.6nm），并且非线性度低（小于0.27%FS），在3 mm×3 mm的测量范围内均得到了验证。

  3.基于简单的结构和标准的FPC生产流程，该设计具有良好的可制造性，适用于高精二维位移测量。