一种平板式压电六维力传感器制造技术

本发明专利技术属于压电传感器技术领域，涉及一种平板式压电六维力传感器，它是将十六个压电单元晶组组装在以基座和盖子形成的腔体中，并引出电极，通过导线连接到插座，形成传感器。这十六个压电单元晶组均匀分布在基座内的压电单元晶组安装平台的同一圆周上，四个采用Ｘ０°切型石英晶片构成的压电单元晶组分布于圆周的４５°、１３５°、２２５°和３１５°的位置上，十二个采用Ｙ０°切型石英晶片构成的压电单元晶组均匀分布在圆周的其余位置，共形成七个压电晶组，获得七路输出信号。本六维力传感器具有结构简单、无需弹性体、动态特性好、易于小型化和微型化、制造成本低、刚度好等优点，不存在维间耦合，无需解耦运算，属直接输出型六维力传感器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于压电传感器
，具体涉及一种测量空间六维力的传感器°
技术介绍
目前，公知的六维力传感器主要可以分为三大类第一类是采用在复杂 的弹性体上粘贴应变计或在弹性体上烧结厚膜力敏电阻(参见中国专利文献 CN00119096.2 "—种基于陶瓷厚膜技术的六维力传感器")的方式，通过传 感元件(应变计或厚膜力敏电阻)检测弹性体的形变来反映被测六维力信息， 这类六维力传感器的弹性体结构复杂，加工困难，加工成本高，应变计粘贴 数量多，粘贴工作繁重，粘贴质量及粘贴位置精度难以保证，并且各方向上 都存在维间耦合，需要对传感器的输出信号进行解耦运算后才能得到被测力 信息；第二类是基于STWART平台工作原理的平台式结构，将应变计贴在平 台的支撑杆上或弹性移动副上(或将压电元件装在支撑杆上)，这类传感器 对各个测量单元的一致性要求很高，结构复杂，有的尺寸大，有的刚度低， 有的标定困难，有的灵敏度低，有的制造成本高，有的维间耦合严重，解耦 运算复杂；第三类是采用在传力机构上安装八个或两个多维压电式力传感器 (参见中国专利CN101013054 "差动式压电六维力传感器"，CN101078660 "一种压电式六维力传感器")，外力信息通过传力机构直接施加在各个传感 器上，避免了弹性体对传感器的影响，无维间耦合，工艺简单，但这类六维 力传感器对各个传感器的安装精度要求高，对同型号传感器的一致性也要求 较高。目前公知的这些六维力传感器都属于空间结构，只有第一类测量原理中有极少数方案可以通过设计复杂的MEMS工艺方案来实现六维力传感器的微型化，第二和第三类方案目前还没有能实现微型化。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供一种结构简单，无需弹性体， 动态特性好，易于小型化和微型化，制造成本低，刚度好，无维间耦合，无 需解耦，并适用于MEMS工艺的平板式压电六维力传感器。本专利技术的技术方案如下-一种平板式压电六维力传感器，其以石英晶片为敏感元件，将石英晶片 组装在以基座和盖子形成的腔体中，并引出电极，通过导线连接到插座，形 成传感器。所述组装在基座内的石英晶片共形成十六个压电单元晶组，这十六个压 电单元晶组均匀固定安装分布在传感器基座内的压电单元晶组安装平台的 同一圆周上。其中有四个压电单元晶组分别由X0"切型石英晶片构成，分布于圆周的 45Q、 135Q、 225G和315a的位置上，分别构成第4、第5、第6和第7压电晶 组，这些压电单元晶组的敏感轴垂直于传感器工作平面。另十二个压电单元晶组分别由Y(f切型石英晶片构成，其中分布于圆周 的0Q、 1800位置上的两个压电单元晶组构成第1压电晶组，构成第1压电晶 组的两个压电单元晶组的敏感轴沿圆周的同一径向分布，且方向相同；分布 于90°、 270M立置上的两个压电单元晶组构成第3压电晶组，构成第3压电 晶组的两个压电单元晶组的敏感轴沿圆周的同一径向分布，且方向相同；分 布于22.50、 67.50、 112.50、 157.50、 202.50、 247.50、 292.50、 337.50位置上的 八个压电单元晶组构成第2压电晶组，构成第2压电晶组的八个压电单元晶组的敏感轴沿圆周的切线分布，且方向沿顺时针或逆时针布置。所述第1压电晶组的两个电极并联后用导线与基座上的第1插座连接，第2压电晶组的八个电极并联后用导线与第2插座连接，第3压电晶组的两 个电极并联后用导线与第3插座连接，第4、 5、 6、 7压电晶组各自的电极 用导线分别与第4、 5、 6和7插座连接；所述各导线被分别绝缘封装在绝缘 材料填充层中。上述压电单元晶组有单片结构和对装结构两种形式对装结构每一压电单元晶组采用两片完全相同的石英晶片对装构成，即共有三十二片石英晶片，所述压电单元晶组直接安装固定在基座内的压电 单元晶组安装平台的同一圆周上(各压电单元晶组的电极夹在构成各压电单 元晶组的两片石英晶片之间，从各电极引出的信号为负电荷信号)。对于压 电单元晶组为两片完全相同的石英晶片对装构成的情况，所述压电单元晶组 的敏感轴和敏感轴的方向是指上片石英晶片的敏感轴和敏感轴方向，所述分布于圆周的45Q、 135Q、 225°和315Q的位置上的压电单元晶组的各下片X0Q 切型石英晶片的Y轴正向方向向心或离心分布，各上片石英晶片的Y轴正向方向离心或向心分布。单片结构每一压电单元晶组采用一片石英晶片，即共有十六片石英晶 片，这十六片石英晶片分别固定在绝缘电极板的十六个电极上，所述绝缘电 极板安装在基座内的压电单元晶组安装平台上，绝缘电极板上的十六个电极 中属于同一压电晶组的各压电单元晶组对应的电极分别并联，形成七路输出信号端，并分别通过导线与对应的七个插座相连；对于压电单元晶组为单片 石英晶片构成的情况，所述的压电单元晶组的敏感轴和敏感轴的方向指单片 石英晶片的敏感轴和敏感轴方向，所述分布于圆周的45、 135Q、 225。和315G的位置上的压电单元晶组的各XOH刀型石英晶片的Y轴正向方向向心或离心分布。所述绝缘电极板采用一块，在其上粘接固定压电单元晶组，或采用两块， 压电单元晶组粘接固定在上下两块绝缘电极板之间。本六维力传感器具有结构简单，无需弹性体，动态特性好，易于小型化 和微型化，制造成本低，刚度好等优点。由于本传感器采用对称布置压电单 元晶组的设计思路，因此不存在维间耦合，也就无需解耦运算，属于直接输 出型六维力传感器。另外，由于本六维力传感器采用平板式的结构，因此，在现有的MEMS技术条件下，通过设计简单的MEMS工艺方案就可以实现 本传感器的小型化或微型化。本六维力传感器可用于机器人学、航空航天等 领域对六维力/力矩信息的测量，尤其适合于对各种机动车、飞机，工程机械 等运动机械上安装的座椅的动态特性的实时测量。 附图说明图l是本传感器的外形图2是本传感器的第一种实现方案(即压电单元晶组采用对装结构)的 结构剖面图3是本传感器的第二种实现方案(即压电单元晶组采用单片结构)的 结构剖面图4是第一、二种实现方案的压电晶组布局原理图； 图5是绝缘电极板的结构示意图(各电极上的编号对应于各压电晶组的 编号)；图6是对本传感器的输出信号进行处理的电路原理框图。图中l-第l压电晶组，2-第2压电晶组，3-第3压电晶组，4-第4压电晶组，5-第5压电晶组，6-第6压电晶组，7-第7压电晶组，8-基座，9-上盖， 10-绝缘材料填充层，11-电极，12-导线，131-第1插座，132-第2插座，133-第3插座，134-第4插座，135-第5插座，136-第6插座，137-第7插座，14-绝缘电极板，15-压电单元晶组安装平台。具体实施例方式实施例l:参见图l、图2和图4，制造传感器时包括以下几步 第一步，将完全相同的八片XOH刀型石英晶片"对装"(即采取上下xog 切型石英晶片的Y轴正向方向相反排列，在电路上为并联结构，电极夹在两 石英晶片之间，要求电极的引出信号为负电荷信号)，形成四个压电单元晶组。第二步，将完全相同的二十四片Y0^切型石英晶片"对装"(即在电路 上为并联结构，信号引出电极夹在两片石英晶片之间，要求引出电极的引出 信号为负电荷信号)，形成十二个压电单元晶组。第三步，将这十六个压电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平板式压电六维力传感器，所述传感器以石英晶片为敏感元件，将石英晶片组装在以基座和盖子形成的腔体中，并引出电极，通过导线连接到插座，形成传感器；其特征在于：所述组装在基座内的石英晶片共形成十六个压电单元晶组，这十六个压电单元晶组固 定安装并均匀分布在传感器基座内的压电单元晶组安装平台的同一圆周上；其中有四个压电单元晶组分别由Ｘ０°切型石英晶片构成，分布于圆周的４５°、１３５°、２２５°和３１５°的位置上，分别构成第４、第５、第６和第７压电晶组，这四个压电单元晶 组的敏感轴垂直于传感器工作平面；另十二个压电单元晶组分别由Ｙ０°切型石英晶片构成，其中，分布于圆周的０°、１８０°位置上的两个压电单元晶组构成第１压电晶组，构成第１压电晶组的两个压电单元晶组的敏感轴沿圆周的同一径向分布，且方向相同； 分布于９０°、２７０°位置上的两个压电单元晶组构成第３压电晶组，构成第３压电晶组的两个压电单元晶组的敏感轴沿圆周的同一径向分布，且方向相同；分布于２２．５°、６７．５°、１１２．５°、１５７．５°、２０２．５°、２４７．５°、２９２．５°、３３７．５°位置上的八个压电单元晶组构成第２压电晶组，构成第２压电晶组的八个压电单元晶组的敏感轴沿圆周的切线分布，且方向沿顺时针或逆时针布置；所述第１压电晶组的两个电极并联后用导线与基座上的第１插座连接，第２压电晶组的八个电极并联后 用导线与第２插座连接，第３压电晶组的两个电极并联后用导线与第３插座连接，第４、５、６和７压电晶组各自的电极用导线分别与第４、５、６和７插座连接；所述各导线被分别绝缘封装在绝缘材料填充层中。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊，秦岚，刘京诚，李敏，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]