[发明专利]一种基于全石英谐振器的探针式高精度力传感器

说明书

一种基于全石英谐振器的探针式高精度力传感器，包括石英探针，石英探针和石英二阶放大梁的输入端连接，石英二阶放大梁通过四根支撑梁与石英基底框架连接，石英二阶放大梁的输出端和石英音叉梁一端连接，石英音叉梁位于石英基底框架的镂空矩形内，石英音叉梁另一端和石英基底框架连接，石英基底框架上溅射有金属电极，金属电极和石英音叉梁上的电极通过金属引线连接；当石英探针的敏感方向有力的作用，通过石英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1接入检测电路能够检测出频率变化，从而实现对力的检测；本发明具有结构简单、频率输出、体积小，精度高等优点。

技术领域

本发明属于微机械电子(MEMS)谐振式力敏传感器技术领域，具体涉及一种基于全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；也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/l0000，但由于表面加工技术使得加工工艺十分复杂；还有人提出过一种压阻式微压力传感器，其基于压阻效应、惠斯顿电桥原理，为增大灵敏度，设计了一种折弯形的压敏电阻。在结构上设计了双电容感压元件，虽然在一定程度上抵消了温度误差，但还不能完全避免温度的影响，且结构较复杂。

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全石英谐振器的探针式高精度力传感器，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：

一种基于全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石英探针6，石英探针6和石英二阶放大梁5的输入端连接，石英二阶放大梁5通过四根支撑梁4-a、4-b、4-c、4-d与石英基底框架3连接，石英二阶放大梁5的输出端和石英音叉梁1一端连接，石英音叉梁1位于石英基底框架3的镂空矩形内，石英音叉梁1另一端和石英基底框架3连接，石英基底框架3上溅射有第一金属电极2-a和第二金属电极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上的电极通过金属引线连接；

当石英探针6的敏感方向有力的作用，通过石英二阶放大梁5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接入检测电路能够检测出频率变化，从而实现对力的检测。

所述的石英音叉梁1的敏感轴方向为受力方向，与敏感轴方垂直的方向为振动方向，且石英音叉梁1的两个梁的振动方向相反，石英音叉梁1四周表面和两端连接都设有电极。

所述的石英二阶放大梁5布满第三金属电极2-c，防止压电效应引起电荷聚集。

所述的基于全石英谐振器的探针式高精度力传感器在其敏感方向的垂直方向采用对称式分布，石英音叉梁1和石英探针6处于结构的对称中心。

通过优化结构参数，调节石英二阶放大梁5的放大倍数，进而实现传感器量程和分辨率的定量调控。