CN102564656B - 一种测多维力的压电石英晶组及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测多维力的压电石英晶组及制作方法，属于压电式传感器领域，涉及在多维力作用下，石英晶片面域电荷分布规律制作多维力测量的压电式石英晶组。压电石英晶组由X0切型的石英单元晶组、第一个、第二个Y0切型的石英单元晶组以及两片接地电极构成。压电石英晶组利用两片X0切型的石英晶片在法向力、除法向转矩外的另外两个转矩的作用下产生耦合感生电荷的方法，采用多电极布置、多区域电荷输出叠加的解耦方法，实现三个力或力矩的测量；再利用四片Y0切型的石英晶片实现两个切向力和法向转矩的测量，实现了空间六维力的测量。该制作方法简单、工艺性好、稳定好，便于封装、成本小。可应用于机械加工、航空航天、国防等领域中。

Description

一种测多维力的压电石英晶组及制作方法

技术领域

本发明属于压电式传感器领域，特别涉及在多维力作用下，基于压电石英晶片面域电荷分布规律制作测量多维力的压电石英晶组

背景技术

在传统的多维力测量领域中，典型的有以下两种：

A基于应变片的应变式多维力测量装置

应变式传感器是利用特定材料在变形过程中所发生的物性变化如电阻等为基础制成的，具有质量轻、响应快、体积较小等优势。由于应变片具有结构简单、布片灵活、灵敏度高、稳定性好等特点，基于应变片的各类传感器得到了广泛的应用。由于它必须具有一定的形变，通常是几十到两万微应变，敏感材料才能产生物性效应，所以应变式传感器一般刚度较低，一般用于模型的静态测力。

B基于压电效应的多维压电式测试系统

传统的压电式多维力测试系统通常以四组压电式三分力传感器或六组压电式单向力传感器采取一定空间布置的方法来实现。其优点是：高刚度、高固有频率、高灵敏度、稳定性优良。目前已在轨/姿控火箭发动机脉冲推力矢量测量和高频脉冲推力测量等领域应用。由于目前的压电式三分力或压电式单向力传感器均是基于压电石英晶体纵向效应和横向效应制成的，采用X0切型或Y0切型的石英晶片整体电荷输出，造成多维力测量时传感器布置的空间尺寸大，在很多重要工程的重要项目中限制了其应用范围的拓展。多维压电式测试系统的核心是压电式传感器，而压电石英晶组又是压电式传感器的核心。

发明内容

本发明要解决的技术难题是改变传统的多维压电式测试系统尺寸过大，某些场合无法应用的难题，发明一种具备多维力测量功能的测多维力的压电石英晶组及制作工艺。压电石英晶组利用X0切型的石英晶片在法向力、除法向转矩外的另外两个转矩的作用下产生耦合感生电荷的方法，采用多电极布置多区域电荷输出叠加的解耦方法，实现该三个力或力矩测量；同样，利用Y0切型的石英晶片可实现两个切向力和法向转矩的测量。该种方法有效减小了多维力测量压电式测试系统的尺寸，极大拓宽了压电式多维力测试系统的应用范围。有效减小多维压电式测试系统的尺寸，应用于需要多维力动态测量而对尺寸有限制的场合，在机械加工、航空航天、国防军工等领域有较多的应用。

本发明所采用的技术方案是：一种测多维力的压电石英晶组，其特征是，压电石英晶组由X0切型的石英单元晶组3、第一个Y0切型的石英单元晶组1、第二个Y0切型的石英单元晶组2以及第一、第二两片接地电极4构成；其中，X0切型的石英单元晶组3由X0切型的第一、第二石英晶片5₁、5₂和四片相同形状的X0引出电极6组成；第一个Y0切型的石英单元晶组1由Y0切型的第一、第二石英晶片7₁、7₂和一片Y0整体引出电极8组成；第二个Y0切型的石英单元晶组2由Y0切型的第三、第四石英晶片7₃、7₄和两片形状相同的Y0引出电极9组成。

一种测多维力的压电石英晶组的制作方法，其特征是，压电石英晶组利用两片X0切型的石英晶片在法向力、除法向转矩外的另外两个转矩的作用下产生耦合感生电荷的方法，采用多电极布置、多区域电荷输出叠加的解耦方法，实现该三个力或力矩的测量；再利用四片Y0切型的石英晶片实现两个切向力和法向转矩的测量，六片石英晶片的规格尺寸完全相同，并都具有相同的石英晶片大倒角A；采用特定的设备，先将六片石英晶片的电荷灵敏度方向和电荷输出为“-”的面做标记；

1)制作X0切型的石英单元晶组3

以X0切型的第一石英晶片5₁输出电荷为“-”的一面为基准，并将输出电荷为“-”的一面向上，把四片相同形状的X0引出电极6两面涂导电胶后，均匀地布置在第一石英晶片5₁输出电荷为“-”的一面上，再将X0切型的第二石英晶片5₂输出电荷为“-”的一面向下，按照石英晶片的大倒角A为基准对齐，X0切型的第一、第二石英晶片5₁、5₂两片对装，组成X0切型的石英单元晶组3后，置于特制的设备中预压至胶干；

2)制作第一个Y0切型的石英单元晶组1

以Y0切型的第一石英晶片7₁输出电荷为“-”的一面为基准，将Y0整体引出电极8两面涂导电胶，布置于它的上面，再将Y0切型的第二石英晶片7₂输出电荷为“-”的一面作为结合面，按照石英晶片的大倒角A为基准对齐，Y0切型的第一、第二石英晶片7₁、7₂两片对装，组成第一个Y0切型的石英单元晶组1；

3)制作第二个Y0切型的石英单元晶组2

以Y0切型的第三石英晶片7₃输出电荷为“-”的一面为基准，将两片相同的Y0引出电极9两面涂导电胶，均匀布置在Y0切型的第三石英晶片7₃输出电荷为“-”的一面上，再将Y0切型的第四石英晶片7₄输出电荷为“-”的一面作为结合面，按照石英晶片的大倒角A为基准对齐，Y0切型的第三、第四石英晶片7₃、7₄两片对装，保证两片Y0引出电极9形成的缺口顺向电荷灵敏度方向，就组成了第二个Y0切型的石英单元晶组2；

4)压电石英晶组的总装

以制好的X0切型的石英单元晶组3为基准，第一片接地电极4₁两面涂导电胶后，将一面粘附于X0切型的石英单元晶组3上；接地电极4₁的另一面粘附第二个Y0切型的石英单元晶组2；将第二片接地电极4₂两面涂导电胶后，一面粘附于第二个Y0切型的石英单元晶组2上；再将第二片电极4₂的另一面粘附第一个Y0切型的石英单元晶组1；并要保证第二个Y0切型的石英单元晶组2和第一个Y0切型的石英单元晶组1的电荷灵敏度方向垂直。

本发明的显著效果是：所发明的压电石英晶组通过利用X0切型的石英晶片在多维力作用下的感生电荷密度分布规律，采用四片电极引出电荷的方法来测量三个方向的力或力矩；通过利用Y0切型的石英晶片在多维力作用下的感生电荷密度分布规律，采用两片电极引出电荷的方法来测量3个二维力；然后再利用一组Y0切型的石英晶片来测量剩余一维力，实现空间六维力的测量。满足了较多因尺寸限制，而无法使用压电式多维测力系统的场合。该制作方法结构简单、工艺性好、稳定好、便于封装、成本小。

附图说明

图1为整体压电石英晶组，图2为布有四片X0引出电极6的X0切型石英晶片，图3为X0切型石英单元晶组3，图4为布有两片引出电极9的Y0切型石英晶片，图5为第一个Y0切型的石英单元晶组1，图6为布有一片Y0整体引出电极8的Y0切型石英晶片，图7为第二个Y0切型石英单元晶组2。其中：1-第一个Y0切型的石英单元晶组，2-第二个Y0切型的石英单元晶组，3-X0切型的石英单元晶组，4₁-第一片接地电极，4₂-第二片接地电极，5₁-X0切型的第一石英晶片，5₂-X0切型的第二石英晶片，6-X0引出电极，7₁、7₂-第一个Y0切型的第一、第二石英晶片，7₃、7₄-第二个Y0切型的第三、第四石英晶片，8-Y0整体引出电极，9-Y0引出电极，A-石英晶片的大倒角，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄-四片X0引出电极6分别引出的电荷量，Q₅、Q₆-四片Y0引出电极9分别引出的电荷量，Q₇-Y0整体引出电极8引出的电荷量，XYZ-直角坐标系，O-坐标系原点。

具体实施方式

结合技术方案和附图详细说明本发明的实施。如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，六片石英晶片的规格尺寸完全相同，采用设备将石英晶片的电荷灵敏度方向和电荷输出为“-”的面做标记。

以其中的一片X0切型的第一石英晶片5₁作为基准，将输出电荷为“-”的一面向上，并把四片相同形状的X0引出电极6两面涂导电胶后，均匀地布置在X0切型的第一石英晶片5₁输出电荷为“-”的一面上，保证四片电极之间无接触，导电胶之间无接触。再将另外一片X0切型的第二石英晶片5₂输出电荷为“-”的一面向下，按照石英晶片的大倒角A为基准对齐，两片X0切型的石英晶片5₁、5₂对装，组成X0切型的石英单元晶组3，置于特制的设备中预压至胶干后，制成X0切型的石英单元晶组3。

以一片Y0切型的第一石英晶片7₁为基准，输出电荷为“-”的一面向上，将Y0整体引出电极8两面涂导电胶，布置于Y0切型的第一石英晶片7₁上，再将另外一片Y0切型的第二石英晶片7₂输出电荷为“-”的一面向下，按照石英晶片的大倒角A为基准对齐，两片Y0切型的石英晶片7₁、7₂对装，置于特制的设备中预压至胶干后，组成第一个Y0切型的石英单元晶组1。

以一片Y0切型的第三石英晶片7₃为基准，输出电荷为“-”的一面向上，将两片相同的Y0引出电极9两面涂导电胶，均匀布置于Y0切型的第三石英晶片7₃上，保证两片Y0引出电极9形成的缺口顺向电荷灵敏度方向，再将另外一片Y0切型的第四石英晶片7₄输出电荷为“-”的一面向下，按照石英晶片的大倒角A为基准对齐，两片Y0切型的第三、第四石英晶片7₃、7₄对装，置于特制的设备中预压至胶干后，组成Y0切型的石英单元晶组2。

以X0切型的石英单元晶组3为基准，第一片接地电极4₁两面涂导电胶后，将一面粘附于X0切型的石英单元晶组3其中的一面上。再将第二个Y0切型的石英单元晶组2粘附于第一片电极接地4₁另一面上。将第二片接地电极4₂两面涂导电胶后，一面粘附于第二个Y0切型的石英单元晶组2上。另一面粘附于第一个Y0切型的石英单元晶组1上，并保证第二个Y0切型的石英单元晶组2和第一个Y0切型的石英单元晶组1的电荷灵敏度方向垂直。置于特制的设备中预压至胶干后，形成测多维力的压电石英晶组。

该压电晶组具体的测量数学模型如下所述：所谓六维力是三个方向的力和三个方向的力矩，在如附图1所示的整体压电晶组中的XYZ直角坐标系中，外部施加的三个方向的力根据静力平衡条件可得如式(1)所示的平衡方程。

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=Q_7{S}_7\\ F_y=Q_5{S}_5+Q_6{S}_6\\ F_z=Q_1{S}_1+Q_2{S}_2+Q_3{S}_3+Q_4{S}_4\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇为电荷灵敏度系数，单位N/C。

根据力矩平衡条件，可得到如式(2)所示的平衡方程。

$\left\{\begin{array}{c}{M}_x=a_1(d_1(Q_1{S}_1+Q_2{S}_2)-d_2(Q_3{S}_3+Q_4{S}_4))\\ M_y=a_2(d_3(Q_1{S}_1+Q_4{S}_4)-d_4(Q_3{S}_3+Q_2{S}_2))\\ M_z=a_3{d}_5(Q_5{S}_5-Q_6{S}_6)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，a₁、a₂、a₃为调整系数，d₁、d₂、d₃、d₄、d₅为电极面域中心之间的距离。

根据式(1)和式(2)即可计算作用于压电晶组上的六维力。

该多维力压电式石英晶组制作工艺简单，对于压电石英晶组的多维输出来说，结构简单，使用方便，便于封装、尺寸较小，可广泛用于机械加工、航空航天、国防军工等项目。

Claims (1)

1.一种测多维力的压电石英晶组的制作方法,其特征是,压电石英晶组利用两片X0切型的石英晶片在法向力、除法向转矩外的另外两个转矩的作用下产生耦合感生电荷的方法，采用多电极布置多区域电荷输出叠加的解耦方法，实现三个力或力矩测量；再利用四片Y0切型的石英晶片实现两个切向力和法向转矩的测量，六片石英晶片的规格尺寸完全相同，并都具有相同的石英晶片大倒角(A)；采用特定的设备,先将六片石英晶片的电荷灵敏度方向和电荷输出为“-”的面做标记；

1)制作X0切型的石英单元晶组（3）

以X0切型的第一石英晶片（5₁）输出电荷为“-”的一面为基准,并将输出电荷为“-”的一面向上，把四片相同形状的X0引出电极（6）两面涂导电胶后,均匀地布置在第一石英晶片（5₁）输出电荷为“-”的一面上，再将X0切型的第二石英晶片（5₂）输出电荷为“-”的一面向下，按照石英晶片的大倒角A为基准对齐，X0切型的第一、第二石英晶片(5₁、5₂)两片对装，组成X0切型的石英单元晶组（3）后，置于特制的设备中预压至胶干；

2)制作第一个Y0切型的石英单元晶组（1）

以Y0切型的第一石英晶片（7₁）输出电荷为“-”的一面为基准，将Y0整体引出电极（8）两面涂导电胶，布置于它的上面，再将Y0切型的第二石英晶片（7₂）输出电荷为“-”的一面作为结合面，按照石英晶片的大倒角（A）为基准对齐，Y0切型的第一、第二石英晶片（7₁、7₂）两片对装，组成第一个Y0切型的石英单元晶组（1）；

3)制作第二个Y0切型的石英单元晶组（2）

以Y0切型的第三石英晶片（7₃）输出电荷为“-”的一面为基准，将两片相同的Y0引出电极（9）两面涂导电胶，均匀布置在Y0切型的第三石英晶片（7₃）输出电荷为“-”的一面上，再将Y0切型的第四石英晶片（7₄）输出电荷为“-”的一面作为结合面，按照石英晶片的大倒角（A）为基准对齐，Y0切型的第三、第四石英晶片（7₃、7₄）两片对装，保证两片Y0引出电极（9）形成的缺口顺向电荷灵敏度方向,就组成了第二个Y0切型的石英单元晶组（2）；

4)压电石英晶组的总装

以制好的X0切型的石英单元晶组（3）为基准，第一片接地电极（4₁）两面涂导电胶后，将一面粘附于X0切型的石英单元晶组（3）上；第一片接地电极（4₁）的另一面粘附于第二个Y0切型的石英单元晶组（2）上；将第二片接地电极（4₂）两面涂导电胶后,一面粘附于第二个Y0切型的石英单元晶组（2）上；再将第二片接地电极（4₂）的另一面粘附于第一个Y0切型的石英单元晶组（1）上；并要保证第二个Y0切型的石英单元晶组（2）和第一个Y0切型的石英单元晶组（1）的电荷灵敏度方向垂直。

Images