[发明专利]静电驱动双接动梁式力传感器

说明书

本发明涉及力传感器，具体涉及具有一对机械联接振动梁的力传感器。

类似于美国专利4，372，173和4，724，351号所描述的那些双振动梁式力传感器现已用在很多装置中，其中包括加速度表、压力传感器和称。传感器一般都具有双端音叉形状，有一对梁延伸在一对共用的安装支座之间。例如当把它用于加速度表中时，把加速度转变为沿梁轴线上作用的拉力或压力，就会产生振动梁的谐振频率的变化，把这种频率变化作为加速度的测量。

双梁式力传感器通常由晶状石英制作，其特征是使该传感器被压电驱动。然而，在该传感器是由非压电材料例如硅制造时，谐振器必须由某种其它装置驱动。英国专利2，162，314号描述了一种小型双端音叉传感器是热驱动的。然而，可以驱动这种传感器的频率固有地受相关的热时间系数的限制。

本发明提出一种双振动梁式力传感器，它包括一静电驱动系统，借此可使传感器在很宽的驱动频率范围内得到驱动。在一较佳实施例中，该传感器包括：一个本体，该本体含有两个基本上平行的第一梁和第二梁，它们的端部连在一起;第一电极和第二电极与梁相邻安置但都不与各自的梁接触;和一个驱动装置，在电气上与上述两电极连接，并向两电极施加一振荡电压，因而使两梁承受静电力，这使两梁在其共同的振动平面内产生互相反相180°的振荡。梁的机械谐振控制着驱动电路和电极以及梁的组合体的频率，因此，该振荡频率是沿梁施加的拉力或压力的函数。电极可放置在两梁的同一平面内，使该传感器用于微型机械加工的装置内时，梁与电极可由一单一的晶状层刻蚀而得。有一个实施例还描述了该驱动装置是直接与一个梁连接的。

图1是本发明第一较佳实施例的示意图;

图2是图1中沿2-2线所剖的剖面图;

图3是用于微型机械加工的加速度计中的力传感器的示意图;

图4是本发明第二较佳实施例的示意图;

图5是本发明第三较佳实施例的示意图;

图6是图5中沿6-6线所剖的剖面图;

图7是本发明第四较佳实施例的示意图;

图8是驱动电路的电路图。

本发明的力传感器的第一较佳实施例已示于图1和图2。传感器10包括：一具有双端音叉结构的本体12、一对电极14和16，以及在电气上与电极对和本体连接的驱动电路18。本体12包括两个基本平行的梁20和22，它们的端部分别通过伸出部分30和32连接到装配座24和26上。本体12既能用导电性材料诸如金属来制造，也能用介电材料诸如硅来制造。

装配座24和26分别连接在结构40和42上，使该结构可沿梁20和22的长轴方向施加压力或拉力。驱动电路18（下文将要详细描述）产生一振荡电压施加在电极14和16上。当电极上施以电压时，在本体12是导电体的情况下，在梁20和22内将产生电荷运动，或者在本体12是介电性的情况下，在梁20和22内电荷极化，结果在电极14和梁20之间和电极16和梁22之间产生吸力。这两个吸力的产生与电极根据本体12带正电还是负电无关，因此施加在电极上的振荡电压的频率为f将使梁20和22产生频率为2f的振动，两梁振动相互相向或相背反相180°。因此，要在振荡电压上加上一个比振荡电压的峰值大的偏压，以使梁20和22以频率f振动，这通常是双端音叉式传感器的较佳谐振模式，因为引入到伸出部分30和32以及装配座24和26内的应力趋于抵销，导致结构40和42的机械能没什么损失的缘故。

驱动电路18和电极14、16与梁20、22的组合体构成一个振荡频率f的振荡器，该振荡频率由频率2f机械谐振的梁20的22来控制。由结构40和42直接沿梁施加的轴向力改变谐振频率2f，借此提供结构施加在本体12上的力的测量。驱动电路18在线44上产生频率f的输出信号，该频率由频率测量电路46转换为力的度量。