电磁驱动的振片式力转换器制造技术

一种振片式力转换器，它可在如微型加速计等硅微型机械仪表中实现，包括带有纵轴的振片，和与振片电连接并使振片以纵轴方向施加的外力所决定的共振频率振荡的驱动电路；该电路向振片提供电流，振片或其上的导电区域沿包含一与纵轴平等的轴向元件的通路导通电流，磁场与轴向元件相交，电流与磁场相互作用，使振片以共振频率振荡。在一较佳实施例中，转换器具有一双端音叉结构，电流通路沿一振片延伸又沿另一振片返回。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及力转换器，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。本专利技术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。附图说明图1是表示本专利技术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是根据本专利技术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。驱动电路24经线30和32与导电区域18相连，并产生周期性电流使之流过该导电区域内。沿导电区域18流过的电流与磁场B相互作用，在振片10上产生周期性的力。在图1所示的方案中，此力的方向为进、出纸面的方向，因而使振片沿此力方向振动。该驱动电路与振片10一起组成一个电振荡器，该振荡器的振荡频率由振片的机械共振确定。而此种共振频率则取决于构件12和14施加在振片上的轴向力F。从而驱动电路在线40上产生一个频率为f的输出信号，该频率f随轴向力F的变化而变化。频率测量电路42测量此信号频率，在线44上产生一个输出信号，即提供出力F的测量结果。在图1所示的方案中，驱动电路24提供两种功能。首先，驱动电路提供能使电流沿路径18流动的电能。其次，驱动电路的频率锁定振片10的机械共振频率，所以驱动电路还提供一个拾取装置用于确定振荡频率。较理想的方案是使用分离的驱动和拾取电路，每一电路拥有一个独立的沿振动片纵轴方向的导电路径18。然而，图1所示的单电路的实施例是较简单的，并且通常也是较佳的。如果采用一个独立的探测电路，振片在磁场中的运动将会产生其大小正比于振片运动速度的电流。这一速度信号能够被积分，向探测电路提供状态信息，该信息然后又可以提供给能够控制驱动电流的相位和大小的驱动电路，以维持共振。本专利技术的转换器的一个较佳实施例如图2所示。图示的转换器由拥有一个双端音叉轮廓形式的转换器主体50构成，该主体包括其末端通过固定垫56和58互连的平行振片52和54。一种导电(例如金属材料)通路60淀积在主体50的上表面，该通路从固定垫56上的第一接触端62起，沿着振片52延伸到固定垫58，然后沿振片54返回到固定垫56上的第二接触端64。接触端62和64依次与驱动电路连接。磁铁所产生的磁场B与振片52和54以及主体50的平面正交。因此，电流I从接触端62经通路60到接触端64，其方向如图2中箭头所示，在两个振片上产生外向的力。当电流流动方向相反时，则在两个振片上产生内向的力。因此，振片能以三平面对称的方式振荡，如图3所示。在此种方式中，振片以相互靠拢和离开的方向振动，相位差180°。此种振荡方式是较理想的，因为它能消除传至固定垫56和58的应力，使经固定垫进入安装固定垫的结构中的机械能量最小。图4表示图2所示类型的转换器在一个加速计中的应用。加速计包括通过挠曲件(flexure)74与支撑件72相连的校准件70，和位于校准件和支撑件之间在方向上大致与挠曲件平行的转换器主体50。磁铁80和82产生的磁场垂直于主体50的轴线，主体与提供周期性电流使之在转换器振片上流动的驱动电路84相接。在这个应用实例中，图2所示的转换器具有两个电接触端被淀积于同一固定垫上的优点，因此没有必要与校准件70电连接。图4所示的加速计可以容易地通过已知的硅微型机加工技术来制造。例如，人们可以从在两个表面上均拥有N-掺杂外延层的P型硅晶片做起。可以腐蚀在上表面的外延层来形成转换器主体50，而下表面的外延层则被腐蚀形成挠性件74，在两种情况中，均使用电化学蚀刻嵌填法(electrochemicaletchstop)。或者用另外一种方法，转换器主体50可位于在校准件70和支撑件72的上表面的平面中，转换本文档来自技高网...

【技术保护点】
在由具有纵向轴（１６，１８８）的振片（１０，５２，５４，９２，９４，１２２，１２４，１５２，１５４，１６２，１８２）和与该振片电连接、用以引起振片以纵轴方向外力决定的共振频率振荡的驱动电路所构成的这类振片式力转换器中，其改进在于驱动装置向振片提供电流，还在于该转换器包括与振片物理地相连接、用于接收电流并沿电流通路（该通路包括一个与纵轴平行的轴向元件）传导电流的导电装置（１８、６０、９２、９４、１２２、１２４、１５６、１７０、１９６），和产生与所述轴向元件相交的磁场的磁装置（２０、２２、８０、８２、２３２），在此，沿所述电流通路流动的电流与磁场相互作用，在振片上产生一个能使振片以所述的共振频率振荡的力。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：布赖恩L诺林格，
申请(专利权)人：森德斯特兰德数据控制公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]