用于非接触静电探测器的传感器及其操作方法技术

一种用于测量静电的传感器，具有细长的振动悬臂梁（１００），支承在该悬臂梁一端的机械节点（Ｎ↓［３］），传感电极（１１４）连接到悬臂梁（１００）的另一端，适于配置为朝向被测量的电荷、电场或电势，且悬臂梁（１００）上的驱动变换器（１０６）振动悬臂梁（１００）以改变电极（１１４）和被测量的电荷、电场或电势间的电容耦合。该驱动变换器（１０６）位于悬臂梁（１００）上的一个位置并在一振动频率工作，这样虚机械节点沿着悬臂梁（１００）出现以防止机械节点的振动，从而机械节点的刚强度不影响工作频率且悬臂梁（１００）自由端的位移使得能够测量各种空间分辨率特性。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及电气测量技术，更具体地说，本专利技术涉及用作非接触静电电场，静电电压或静电电荷探测装置的新型改进的传感器或探头。非接触静电探测器被用于通过和被测量/监视的表面，电路或装置的物理接触被转移到测量装置上的电荷将改变或破坏数据这样的应用场合。这样的测量包括例如监视复印机或其他电子摄影过程中使用的光敏电阻的电压水平，监视在例如在纺织物或塑料薄膜制造工艺中应用的电介质卷筒的工艺线上的静电荷的建立，或监视半导体制造/处理工艺中电荷堆积通过静电放电(产生电弧)的结果成为产品污染源或失效的原因的区域。在此以前，进行高精度高速度低噪声的测量所需要的类型的，以及还需小实体尺寸的静电传感器/探头在制造上一直非常昂贵，妨碍了它们在更高数量更低成本的工艺和/或设备，诸如低端激光打印机，复印机或多点静电荷建立监视系统中的应用。专利技术概述因此，本专利技术的第一个目的是提供一种用于静电测量的，能够满足上述要求同时又有低制造成本的新型改进的传感器/探头。本专利技术的另一个目的是提供一种具有独立于传感器/探头的质量和/或用于将传感器/探头置于其相对于试验表面或区域的测量位置的夹持/固定结构的质量的电气性能的传感器/探头。本专利技术的另一个目的是提供这样的传感器/探头，其能最大程度地减小或容易地消除噪声和偏移信号的产生，从而不再需要在传感器/探头放大器电路的电气元件和传感器/探头外壳元件之间提供相对大的间隔，从而减小污染物进入传感器/探头结构内部的可能性。本专利技术的另一个目的是提供这样的传感器/探头，其能容易地构型成提供各种空间分辨率的性能。本专利技术的另一个目的是提供这样的传感器/探头，其对响应的电气速度被提高到能精确地测量更高频率的静电参数变化。本专利技术的另一个目的是提供这样的传感器/探头，其尺寸更小，结构更简单，制造更经济以及工作更可靠。本专利技术为静电探测器提供的传感器包括一个以悬臂梁的形式支承在一端的机械节点上的延长的振动元件，一个在靠近另一端的该振动元件上，适合于被设置成朝向被测量的电荷，电场或电势的灵敏电极，以及一个在振动元件上用于在改变该电极和被测量的电荷、电场或电势之间的电容耦合的方向上振动该元件的驱动变换器。驱动装置在沿该悬臂梁的位置并在一个振动频率下工作，这样沿该悬臂梁显示一个虚机械节点。这反过来减小了在机械附着节点处的振动，因此机械节点的刚硬度不会影响工作频率和/或在悬臂梁自由端处的位移。悬臂梁振动幅度变化，因此在梁的该端的探测器的运动幅度独立于传感器/探头的质量和/或用于将传感器/探头置于其相对于试验表面或区域的测量位置的诸如夹持/固定夹具的质量。因此使电气性能稳定，独立于所使用的具体夹持/固定结构。一个振动元件上的放大器具有连接到敏感电极的输入端和适于连接到例如静电电压表的读出/测量装置的输出端。根据本专利技术的较佳实施例，振动频率与驱动装置的第二振动节点相应，且驱动装置位于悬臂梁上与靠近悬臂梁中部的振动峰位重叠的位置上。通过阅读详尽的叙述以及所包括的附图，本专利技术的上述的和其他的优点和性能特征将变得更清楚明了。附图简述附图说明图1是现有技术的一个透视图，其中部分零件被去除；图2A和2B是说明图1的传感器中的悬臂梁的工作的示意图；图3是在传感器中应用的调谐叉系统的示意图；图4A，4B和4C是说明图2A和2B中所显示类型的悬臂梁的振动模式的曲线图；图5是应用根据本专利技术的悬臂梁的传感器的示意图；图6是进一步说明本专利技术的示意图；图7是供本专利技术的传感器使用的电路的示意框图；示范实施例的详细描述首先参考图1，图中显示了由标记10总体指出的现有技术的传感器，其中，具有单悬臂梁形式的振动元件40具有一个连接或集成到基板14上的端部，而自由端提供了用于放大器90和一个灵敏电极50的安装表面。对于现有技术传感器10的更详尽的叙述，可以参考申请于1988年8月9日，题为“Sensor for Electrostatic Voltmeter”，专利号为4763078的美国专利，该专利的
技术实现思路
通过引用而结合在本文中。如常规所知，单悬臂梁在振动中在附接或连接到机械节点结构或在图1的传感器的情况下的基板结构的点上会产生不平衡的机械扭矩。作为对比，在诸如调谐叉的双悬臂梁结构中，由每个调谐叉的叉头的运动产生的机械力可以使其相等和相反，这样，在叉的公共连接点(支点)没有合机械扭矩产生。因此，调谐叉以作为支点处存在的质量(或安装刚强度)的函数的稳定的幅度和频率工作，而图1显示的类型的单悬臂梁因为在基板附接点处的机械质量或机械刚强度变化而在振动的频率和幅度上不稳定。在为减小传感器/探头的尺寸和/或重量的努力中尝试减小基板结构的物理尺寸时，这种不稳定尤其麻烦。具体地说，当探头的尺寸从专利4763078中显示和叙述的说明性的尺寸明显减小时，悬臂梁的自由端的振动幅度可以变得不稳定并取决于用于相对于试验表面/区域定位该传感器/探头的夹具。另外，由于使探头/传感器结构以及安装夹具涉及到悬臂的机械振动体系的单悬臂梁的不稳定性能，产生并向传感器/探头结构外发射不希望的能听到的振动，引起令人讨厌的能听到的噪声。通过使用内在平衡的调谐叉代替单悬臂梁，这些机械上的不希望的效果可以被消除。但是，在使用双悬臂即调谐叉时的制造成本令人望而却步，因为作为基板14的一个被结合的部分的调谐叉通过价廉的化学蚀刻等工艺是难以制造出来的。图2A说明了在专利4763078中叙述的图1中的装置的单悬臂工作。如图所示，悬臂梁40A被支承在机械节点(N)处的一端，而另一端能自由振动。图2A显示了处在非加电即静止位置中的悬臂梁40A。通过该梁到安装节点(N)画的直线70限定了该静止位置。在向包括驱动和反馈压电陶瓷芯片(未显示)的振荡电路通电时，使悬臂梁40A在其基础谐振频率上或该频率附近振荡(对于在专利4763078的说明性的装置中显示的尺寸，该频率大致为700hz)。图2B说明了由梁40B产生的机械运动的限制，该机械运动在该梁的自由端产生振动的运动ΔL。应该注意，在机械安装节点N上由悬臂梁的运动产生的任何扭矩没有由任何相等而相反的扭矩补偿，而这样的扭矩会由例如如图3所示的调谐叉系统74产生。图3中，扭矩T2由扭矩T3精确地补偿。T3有相同的数量但有相反的方向，因为和T3相关的叉头76总是以与和T2相关的叉头78有180°的相位进行相对运动，这正如常规所知。因此，节点N1经受了相等而相反的扭矩，因此不产生净扭矩。在图2的系统的情况下，单悬臂的工作不受到补偿，节点(N)不是大块体积的因此不是机械“刚强”的，节点(N)将发生振动并将进入机械平衡，该机械平衡说明了悬臂在悬臂的自由端有关工作频率和运动ΔL上的运动。因为节点(N)的刚强度也取决于传感器/探头保持夹具的质量，自由端以及电极50的振荡幅度也将取决于夹具的刚强度以及因此而取决于传感器/探头的具体应用。电极50幅度的任何不稳定都将反过来影响由传感器/探头探测的静电数量的精确度和稳定性，尤其在试图减小传感器/探头结构的尺寸和/或重量因此而导致节点(N)较小的块状体积或较小的刚强度时更是如此。上述内容通过考虑薄悬臂梁的动力学结构而进一步说明。任何振动梁都将显示一组分离的谐振的模式，模式的形状和频率取决于所施加的边界条件的性质。在图4A，4B和4C中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于诸如静电电压计的静电探测器的传感器包括：　　　　（ａ）一个具有两个端点的延长的振动元件；　　　　（ｂ）用于在作为一个悬臂梁的所述端点的一个端点上支承所述振动元件并限制在所述端点处的机械安装节点的装置；　　　　（ｃ）一个在靠近另一个所述端点的所述振动元件上的灵敏电极，该灵敏电极朝向被探测的电荷、电场或电势设置，电荷、电场或电势和所述灵敏电极成电容性的耦合；　　　　（ｄ）一个刚性附接到所述振动元件上一个预先确定的位置上，用于以一个预先确定的频率在一个改变所述灵敏电极和被探测的电荷、电场或电势之间的电容性耦合的方向上振动所述元件的驱动变换器；　　　　（ｅ）一个操作性地连接到所述驱动变换器，用于操作所述变换器振动所述元件的振荡器；和　　　　（ｆ）选择所述驱动变换器的位置和所述元件的振动频率，以在悬臂梁的基本振动频率以上的频率振动所述元件，从而在悬臂梁的机械安装节点处产生了补偿扭矩，使施加到所述安装节点上的净扭矩大为减小，于是安装节点的刚性程度不足以影响悬臂梁的工作频率或悬臂梁的自由端位移；及　　　　　（ｇ）用于从所述灵敏电极取得的包括关于被探测到的电荷、电场或电势的电信号的装置。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：J基里斯，N内那迪克，TB琼斯，
申请(专利权)人：特瑞克股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]