CN110017921A - 一种基于石英谐振器的探针式高精度力传感器 - Google Patents

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韦学勇
王栋杰
任子明
任娟
赵玉龙
蒋庄德
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/10—Measuring force or stress, in general by measuring variations of frequency of stressed vibrating elements, e.g. of stressed strings
    • G01L1/106—Constructional details

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Abstract

一种基于石英谐振器的探针式高精度力传感器，包括探针，探针与二阶放大梁的输入端连接，二阶放大梁通过四根支点梁与硅基底框架连接，二阶放大梁输出端和石英音叉梁一端用有机胶固定连接，石英音叉梁位于硅基底框架的镂空矩形内，石英音叉梁另一端用有机胶固定在硅基底框架上；硅基底框架上溅射有金属电极，金属电极和石英音叉梁的电极用金线连接；当探针的敏感方向有力的作用，通过二阶放大梁放大后的力作用于石英音叉梁，石英音叉梁在轴向力的作用下，引起谐振频率发生变化，通过把振动的石英音叉梁接入检测电路检测出频率变化，实现对力的测量；本发明利用硅微工艺和石英加工工艺相结合的方式，具有结构简单、频率输出、体积小，精度高优点。

Description

一种基于石英谐振器的探针式高精度力传感器
技术领域
本发明属于微机械电子(MEMS)领域，具体涉及一种基于石英谐振器的探针式高精度力传感器。
背景技术
石英谐振式力敏传感器的敏感器件是石英谐振器，具有很高的频率稳定性。当谐振器受力作用发生形变时，其固有频率将随之改变，频率增量大小与谐振器受到的应力大小呈线性关系，因此，通过测量谐振电路的频率变化便可推算出所受到的力；该传感器是以频率作为输出量，属于数字式传感器，由于石英材料晶体是一种接近理想的线弹性材料，无迟滞现象，本身具有稳定性极好等突出优点，使该传感器可获得良好的性能，具有稳定性好、线性度好、重复性好的特点。与传统的压阻式、电容式传感器相比谐振式传感器具有更高的精度，更好的长期稳定性，不易受干扰等特点。但是石英谐振式力传感器存在分辨率不高，结构复杂且加工难度较高等问题。
目前，已有众多公司和研究工作者参与谐振式压力传感器的研究。其中Greenwood等人研制的静电激励电容拾振的硅谐振式压力传感器，其精度优于1/10000，但由于采用了静电激励方式，使其加工难度较大；有人研制了一种采用表面加工工艺的电磁激励谐振式压力传感器，在压力膜表面制作两个谐振梁进行差分检测，其精度也达到1/lO000，但由于表面加工技术使得加工工艺十分复杂。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于石英谐振器的探针式高精度力传感器，利用硅微工艺和石英加工工艺相结合的方式，具有结构简单、频率输出、体积小，精度高等优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于石英谐振器的探针式高精度力传感器，包括探针5，探针5与二阶放大梁6的输入端连接，二阶放大梁6通过四根支点梁4-a、4-b、4-c、4-d与硅基底框架3连接，二阶放大梁6输出端和石英音叉梁1的一端用有机胶固定连接，石英音叉梁1位于硅基底框架3的镂空矩形内，石英音叉梁1的另一端用有机胶固定在硅基底框架3上；
所述的硅基底框架3上溅射有第一金属电极2-a、第二金属电极2-b，第一金属电极2-a、第二金属电极2-b和石英音叉梁1的电极用金线连接；
当探针5的敏感方向有力的作用，通过二阶放大梁6放大后的力作用于石英音叉梁1，石英音叉梁1在轴向力的作用下，引起谐振频率发生变化，通过把振动的石英音叉梁1接入检测电路可以检测出频率变化，从而实现对力的检测。
所述的硅基底框架3和二阶放大梁6采用左右对称结构，石英音叉梁1和探针5位于中心位置。
通过优化结构参数，可调节二阶放大梁6的放大倍数，进而实现传感器量程和分辨率的定量调控。
本发明的有益效果为：
本发明用石英谐振器作为敏感器件，利用石英材料本身的压电与逆压电效应，易激励和检测，数字输出，且具有较高的频率稳定性和品质因数，且利用二阶放大梁，提高了传感器的灵敏度，利用硅微工艺和石英加工工艺相结合的方式，采用硅材料作为硅基底框架，工艺成熟，加工精度高，且硅基底框架结构简单，易加工，同时发挥了硅和石英各自的材料特性，且整体尺寸较小。
附图说明
图1为本发明传感器的结构示意图。
图2为石英音叉梁的振动示意图。
图3为二阶放大梁的原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的结构和工作原理做详细说明。
参照图1，一种基于石英谐振器的探针式高精度力传感器，包括作为传感器输入端的探针5，探针5与二阶放大梁6的输入端连接，二阶放大梁6的轴向为敏感方向，力沿轴向方向输入；二阶放大梁6通过四根支点梁4-a、4-b、4-c、4-d与硅基底框架3连接，利用杠杆原理对力进行放大；二阶放大梁6输出端和石英音叉梁1的一端用有机胶固定连接，石英音叉梁1位于硅基底框架3的镂空矩形内，石英音叉梁1的另一端用有机胶固定在硅基底框架3上，镂空矩形保证石英音叉梁1的起振效果；
所述的硅基底框架3上溅射有第一金属电极2-a、第二金属电极2-b，第一金属电极2-a、第二金属电极2-b和石英音叉梁1的电极用金线连接，整体结构简单且紧凑；
当探针5的敏感方向有力的作用时，通过二阶放大梁6放大后的力作用于石英音叉梁1，石英音叉梁1在轴向力的作用下，引起谐振频率发生变化，通过把振动的石英音叉梁1接入检测电路可以检测出频率变化，从而实现对力的测量。
参照图2，所述的石英音叉梁1的受力方向为SD方向，振动方向为VD方向，VD方向和SD方向垂直，且石英音叉梁1的两个音叉的振动方向相反，石英音叉梁四周表面和两端连接部分都设有电极，石英音叉梁1通过两端的电级和硅基底框架3上的金属电极用金线连接。
参照图3，所述的二阶放大梁6是由两个微杠杆组成的，微杠杆利用杠杆原理对力进行放大，包括第一阶放大梁和第二阶放大梁与支点梁，其放大倍数A写成两个一阶放大梁A1、A2的乘积，两个放大梁放大倍数分析如下：
A＝A1*A2
其中A1、A2为分别为两个微杠杆的放大因子，Kvp，1、Kθp，1分别为第一微杠杆的支点梁1的轴向刚度和转动刚度；Kvp，2、Kθp，2分别为第二微杠杆的支点梁2的轴向刚度和转动刚度，Kθo，1、Kvo，1分别为第一微杠杆输出的轴向刚度和转动刚度；Kθo，2、Kvo，2分别为第二微杠杆输出的轴向刚度和转动刚度；11、12分别为第一、第二微杠杆的阻力臂；L1、L2分别为第一、第二微杠杆的动力臂，通过优化结构参数，可以调节二阶放大梁的放大倍数，进而实现传感器量程和分辨率的定量调控。
所述的硅基底框架3和二阶放大梁6采用左右对称结构，石英音叉梁1和探针5位于中心位置。
本发明的工作原理为：
本发明利用石英音叉梁1的压电效应和逆压电效应，且石英音叉梁1四周表面和两端连接部分都有电极，石英音叉梁两端的电极与溅射的第一金属电极2-a、第二金属电极2-b用金线连接，然后接入起振电路。当探针5的敏感方向有力的作用，其轴向力传到二阶放大梁6，通过二阶放大梁6放大后的力作用于石英音叉梁1，石英音叉梁1受到轴向力作用，引起谐振频率发生变化，石英音叉梁1接入检测电路可以检测出频率变化，从而实现对力的测量，本发明利用二阶放大梁6对力的放大作用，可测量较小的力，测试精度可达钠牛级别，利用硅微工艺和石英加工工艺相结合的方式，且硅基底框架3结构简单，加工简单，本发明具有频率输出、体积小，精度高等特点。

Claims (3)

1.一种基于石英谐振器的探针式高精度力传感器，包括探针(5)，其特征在于：探针(5)与二阶放大梁(6)的输入端连接，二阶放大梁(6)通过四根支点梁(4-a、4-b、4-c、4-d)与硅基底框架(3)连接，二阶放大梁(6)输出端和石英音叉梁(1)的一端用有机胶固定连接，石英音叉梁(1)位于硅基底框架(3)的镂空矩形内，石英音叉梁(1)的另一端用有机胶固定在硅基底框架(3)上；
所述的硅基底框架(3)上溅射有第一金属电极(2-a)、第二金属电极(2-b)，第一金属电极(2-a)、第二金属电极(2-b)和石英音叉梁(1)的电极用金线连接；
当探针(5)的敏感方向有力的作用，通过二阶放大梁(6)放大后的力作用于石英音叉梁(1)，石英音叉梁(1)在轴向力的作用下，引起谐振频率发生变化，通过把振动的石英音叉梁(1)接入检测电路可以检测出频率变化，从而实现对力的测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于石英谐振器的探针式高精度力传感器，其特征在于：所述的硅基底框架(3)和二阶放大梁(6)采用左右对称结构，石英音叉梁(1)和探针(5)位于中心位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于石英谐振器的探针式高精度力传感器，其特征在于：通过优化结构参数，调节二阶放大梁(6)的放大倍数，进而实现传感器量程和分辨率的定量调控。
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