[发明专利]电磁驱动的振片式力转换器

说明书

本发明涉及力转换器，特别涉及一种依靠外力改变振片之频率的力转换器。

振片式力转换器通常在加速计、压力传感器及有关仪器中用作为力-频率转换器。在一种已知的设计（美国专利第4，372，173号）中，力传感器是石英晶体制成的双端音叉形式。此种转换器由一对并排的振片组成，振片末端连接在普通的固定架上。以预定的图案将电极淀积在振片上，并使这些电极与驱动电路相连。驱动电路提供周期性电压使两个振片沿相互靠拢和分离的方向振动，其相差为180°。实际上，驱动电路和振片组成了一个振荡器，因为振片起着频率控制晶体的作用，即振片的机械共振控制振荡频率。沿振片方向施加的拉力使共振频率增加，而沿振片方向施加的压力则使共振频率减小。从而驱动信号的频率是沿振片轴向施加的力的一种度量。

振片式力转换器要求材料具有低的内部阻尼以获得高Q值，这样才能降低驱动电压、降低自身发热以及不受电子元件变化的影响。用于高精度仪器的转换器材料还要求机械材料在高应力状态下超过数倍延长周期时具有极高的稳定性。在生产这类转换器中的主要问题之一就是驱动和状态拾取的测量。石英晶体是一种最广泛应用于机械式转换器的材料，因为它的压电特性具有能够通过一种简单的表面电极图案来提供驱动和探测机械运动的能力。

随着硅晶体制成的低成本的微型机械结构的出现，研制硅振动片式转换器成为理想选择。但硅不具有驱动和感应振片之振动的压电特性。因而希望能提供一种可用来激励和感应硅片共振的方法，而不增加额外的成本、机械不稳定性或多余的复杂性。有一种解决此问题的先有技术方案已经将一种压电材料（如锌氧化物）应用于硅振片上。这种方法能提供所要求的驱动拾取能力，但增加了复杂性、不稳定性和热膨胀失配，并有可能降低此种传感器的可靠性。也可以采用掺杂质和热驱动技术，但这些技术又带来了严重的自身发热问题，而且不能提供探测振片位置状态的装置。

本发明旨在提供一种振动片力转换器，它能够在一个硅微型机械结构中实现。此种力转换器包括具有纵向轴的振片，驱动装置与振片电耦合引起振片以共振频率振荡，该振荡频率随着沿振片纵向轴上所施加的外力而变化。驱动装置向振片提供电流，与该振片物理相接的传导装置接收此电流并使之沿电流通路流动，该通路包括一个与纵轴平行的轴向元件。还提供有磁铁装置用于产生与所述轴向元件横切的磁场。沿电流通路流动的电流与磁场互相作用，从而在振片上产生一个力，这个力使振片以共振频率振荡。

在一个较佳实施例中，转换器拥有一个双端音叉，转换器主体由平行于纵向轴的第一和第二振片构成。对于这样一个实施例，电流通路可能以第一个方向沿着一个振片的纵向轴方向延伸，然后又以相反的方向沿另一个振片的纵向轴方向延伸。当磁场与包含两个振片的平面正交时，沿电流通路流动的电流将使两振片相互靠拢、离开地振荡起来，其相位差为180°。以扭力方式振荡的单振片转换器也将给予介绍。

图1是表示本发明的力转换器的原理图;

图2是一种转换器主体的第一个较佳实施例;

图3是表示图2中转换器的较佳共振方式的俯视原理图;

图4是表示一种应用于微型加速计中的力转换器的原理图;

图5是转换器主体的第二个较佳实施例的透视图;

图6是沿图5中6-6线剖开的剖视图;

图7是表示转换器主体的第三个较佳实施例的透视图;

图8是沿图7中线8-8剖开的剖视图;

图9是表示转换器主体的第四个较佳实施例的透视图;

图10是表示图9的转换器共振状态的侧视图;

图11是转换器主体的第一个扭力式转换器的实施例的透视图;

图12是转换器主体的第二个扭力式实施例的透视图;

图13是表示磁铁安装技术的透视图;和

图14是驱动电路的电路原理图。

图1是根据本发明的力转换器的原理示意图。该转换器由振片10、磁铁20和22及驱动电路24构成。振片10沿着纵轴16在构件12和14之间连接，并包含一个导电区域18，该区域通常与轴16平行。构件12和14向振片10施加拉力或压力F，磁铁20和22产生磁场B，该磁场通常以垂直于轴16的方向通过振片10，特别是通过导电区域18。