[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于石英諧振器的探針式高精度力傳感器

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910373856.6
• 申請(qǐng)日: 2019-05-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110017921A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-07-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韋學(xué)勇;王棟杰;任子明;任娟;趙玉龍;蔣莊德
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01L1/10
• 分類(lèi)號(hào): G01L1/10
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種基于石英諧振器的探針式高精度力傳感器，包括探針，探針與二階放大梁的輸入端連接，二階放大梁通過(guò)四根支點(diǎn)梁與硅基底框架連接，二階放大梁輸出端和石英音叉梁一端用有機(jī)膠固定連接，石英音叉梁位于硅基底框架的鏤空矩形內(nèi)，石英音叉梁另一端用有機(jī)膠固定在硅基底框架上；硅基底框架上濺射有金屬電極，金屬電極和石英音叉梁的電極用金線連接；當(dāng)探針的敏感方向有力的作用，通過(guò)二階放大梁放大后的力作用于石英音叉梁，石英音叉梁在軸向力的作用下，引起諧振頻率發(fā)生變化，通過(guò)把振動(dòng)的石英音叉梁接入檢測(cè)電路檢測(cè)出頻率變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)力的測(cè)量；本發(fā)明利用硅微工藝和石英加工工藝相結(jié)合的方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率輸出、體積小，精度高優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微機(jī)械電子(MEMS)領(lǐng)域，具體涉及一種基于石英諧振器的探針式高精度力傳感器。

背景技術(shù)

石英諧振式力敏傳感器的敏感器件是石英諧振器，具有很高的頻率穩(wěn)定性。當(dāng)諧振器受力作用發(fā)生形變時(shí)，其固有頻率將隨之改變，頻率增量大小與諧振器受到的應(yīng)力大小呈線性關(guān)系，因此，通過(guò)測(cè)量諧振電路的頻率變化便可推算出所受到的力；該傳感器是以頻率作為輸出量，屬于數(shù)字式傳感器，由于石英材料晶體是一種接近理想的線彈性材料，無(wú)遲滯現(xiàn)象，本身具有穩(wěn)定性極好等突出優(yōu)點(diǎn)，使該傳感器可獲得良好的性能，具有穩(wěn)定性好、線性度好、重復(fù)性好的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的壓阻式、電容式傳感器相比諧振式傳感器具有更高的精度，更好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，不易受干擾等特點(diǎn)。但是石英諧振式力傳感器存在分辨率不高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且加工難度較高等問(wèn)題。

目前，已有眾多公司和研究工作者參與諧振式壓力傳感器的研究。其中Greenwood等人研制的靜電激勵(lì)電容拾振的硅諧振式壓力傳感器，其精度優(yōu)于1/10000，但由于采用了靜電激勵(lì)方式，使其加工難度較大；有人研制了一種采用表面加工工藝的電磁激勵(lì)諧振式壓力傳感器，在壓力膜表面制作兩個(gè)諧振梁進(jìn)行差分檢測(cè)，其精度也達(dá)到1/lO000，但由于表面加工技術(shù)使得加工工藝十分復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供了一種基于石英諧振器的探針式高精度力傳感器，利用硅微工藝和石英加工工藝相結(jié)合的方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率輸出、體積小，精度高等優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于石英諧振器的探針式高精度力傳感器，包括探針5，探針5與二階放大梁6的輸入端連接，二階放大梁6通過(guò)四根支點(diǎn)梁4-a、4-b、4-c、4-d與硅基底框架3連接，二階放大梁6輸出端和石英音叉梁1的一端用有機(jī)膠固定連接，石英音叉梁1位于硅基底框架3的鏤空矩形內(nèi)，石英音叉梁1的另一端用有機(jī)膠固定在硅基底框架3上；

所述的硅基底框架3上濺射有第一金屬電極2-a、第二金屬電極2-b，第一金屬電極2-a、第二金屬電極2-b和石英音叉梁1的電極用金線連接；

當(dāng)探針5的敏感方向有力的作用，通過(guò)二階放大梁6放大后的力作用于石英音叉梁1，石英音叉梁1在軸向力的作用下，引起諧振頻率發(fā)生變化，通過(guò)把振動(dòng)的石英音叉梁1接入檢測(cè)電路可以檢測(cè)出頻率變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)力的檢測(cè)。

所述的硅基底框架3和二階放大梁6采用左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，石英音叉梁1和探針5位于中心位置。

通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，可調(diào)節(jié)二階放大梁6的放大倍數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感器量程和分辨率的定量調(diào)控。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明用石英諧振器作為敏感器件，利用石英材料本身的壓電與逆壓電效應(yīng)，易激勵(lì)和檢測(cè)，數(shù)字輸出，且具有較高的頻率穩(wěn)定性和品質(zhì)因數(shù)，且利用二階放大梁，提高了傳感器的靈敏度，利用硅微工藝和石英加工工藝相結(jié)合的方式，采用硅材料作為硅基底框架，工藝成熟，加工精度高，且硅基底框架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，同時(shí)發(fā)揮了硅和石英各自的材料特性，且整體尺寸較小。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。