高精密度微悬臂梁相位与震幅侦测装置制造方法及图纸

一种高精密度微悬臂梁相位与震幅侦测装置，包括：中央控制单元、感测器驱动电路与侦测电路、感测物理信号的讯号转换、放大与滤波电路、相位移动电路、震幅与相位信号转换器、动态信号补偿器和多通道高精度类比至数位转换器。其以连续且类比方式侦测一微悬臂梁因受外在物理量改变所导致的震幅与相位改变，再以震幅与相位转换电路将相位差与震幅改变量转换成电压改变量，将电压改变量馈入多通道高精度类比至数位转换器，即可以中央控制单元观测到作为感测器的悬臂梁因受外在物理量改变所产生的对应震幅与相位变化。其制作成本低、连续式的侦测与转换方式、对于相位改变与震幅改变的侦测灵敏高、相位信号对于待测弦波的震幅变化影响极小。

High precision micro cantilever beam phase and amplitude detection device

A high precision micro cantilever beam phase and amplitude detection device comprises a central control unit, sensor driving circuit and detection circuit, sensing the physical signal signal conversion, amplification and filter circuit, phase shift circuit, amplitude and phase of signal converter, dynamic signal compensator and multi channel high precision analog to digital converter. The change of amplitude and phase and the continuous analogy to detect a micro cantilever beam by external physical quantity caused by the change in amplitude and phase, phase difference and amplitude conversion circuit will change the variables into change of voltage, the voltage change in multi channel high precision analog to digital converter, which can control the central the observed amplitude and the corresponding unit as the phase change of sense of cantilever sensor beam due to the change of the external physical quantity. The production cost is low, detection and conversion, continuous phase and amplitude change for change detection sensitivity and phase signal for amplitude changes to be measured harmonics with minimal impact.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超精精密的讯号量测系统，尤指一种高精密度微悬臂梁相位与震幅侦测装置，此一量测的机制与方法广泛的应用于奈米级的量测与检测仪器，如扫描探针显微镜、原子力显微镜、扫描电容式显微镜、扫描电阻式显微镜、与精密温度与湿度量测器。
技术介绍
先前的相位检测技术如中国台湾专利第580573号所记载，其侦测装置需有两个直接数位合成器产生两个弦波讯号，成本明显较高，且与本专利技术仅采用一中央控制单元控制一数值控制型震荡器产生工作所需特定频率的弦波有所不同。其次，台湾专利第580573号采用两个直接数位合成器产生两个弦波记号，其中一个作为感测器的致动信号，另一则作为参考量测信号，量测系统工作时，上述的二信号必须工作于同一频率，但是实际上台湾专利第580573号专利于实现时并无法理想的如该专利所预期的产生同一频率的信号，所以采用该专利所述的量测方式，将因参考信号与量测信号的频率不同产生严重的量测误差，并引入无可避免的量测杂讯，最重影响量测解析度。再则，台湾专利第580573号专利的系统架构并无本案所提的相位移动器与两段式的信号放大与箝位器，因此该专利所提的方法一方面无法将相位侦测机制移转至相位较灵敏的相位角，所以该案的相位转换灵敏度较差，另一方面，对于微弱信号的量测该专利所载的方法亦存在量测的困难度。此外，该专利所述的相位检测器输出的信号尚须经过计数器，再经微处理器处理，始能得到相位差记号，此与本专利技术经相位差侦测器后的讯号不需再经前述的计数器，即已为与相位讯号成完全正相关的类比电压信号，有明显的差别。台湾专利第580573号专利并无本专利技术所提的带通滤波器，借以滤除相位信号中的方波震幅成份，因此该专利技术的相位信号仍会被待测信号的震幅所影响。与本专利技术所载的技术有另一差别是，此本专利技术除了可以量测精密的相位改变之外，亦可以同步的侦测感测器的微量震幅改变，此技术在台湾专利第580573号专利并无法述及。最后，台湾专利第580573号专利并无本专利技术所述的动态驱动信号控制器与动态信号补偿器，所以该专利所提的方法无法因应不同的感测器致动的压电材料与不同的物理量量测进行动态信号的补偿。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高精密度微悬臂梁相位与震幅侦测装置，其采用压电陶瓷致动微悬臂梁的方式，借以感测奈米级的物理量如作用力、温度、湿度、气压的改变的超精密讯号量测装置。为实现上述目的，本专利技术的技术解决方案是一种高精密度微悬臂梁相位与震幅侦测装置，作为检测一感测机构受外在物理量改变而产生的对应形变，它包括一中央控制单元，用以决定感测器的工作频率，并产生此一工作频率所需的对应数位控制讯号；此一中央控制单元并用以监控感测器的连续震幅与相位改变；及一感测器驱动电路与感测器侦测电路，用以产生感测器工作所需的特定频率弦波讯号；上述的数位控制讯号馈入数值控制型震荡器，产生感测器工作所需的特定频率的类比弦波讯号，用以驱动感测器；上述的类比弦波讯号并作为相位量测所需的参考信号；及一感测物理信号的讯号转换、放大与滤波电路，用以将感测器的输出弦波信号进行适当的讯号转换，信号震幅放大、与信号杂讯滤波的处理；及一相位移动电路，用以将上述经处理过的量测弦波信号进行适当的相位移动；及一震幅与相位信号转换器，用以即时同步监控因外在物理量的改变所产生的感测器的震幅与相位信号的改变；及一动态信号补偿器，用以动态的补偿感测器震幅与相位信号的强度；及一高解析度的类比至数位转换器，用以将上述的相位差类比输出电压信号转换为相对应的数位信号，并送至中央处理单元进行数据分析与监控。所述感测器驱动电路与感测器侦测电路，包括一数值控制型震荡器，用以产生工作所需特定频率的弦波信号；及一动态信号控制器，用以动态控制由上述数值控制型震荡器所产生的弦波信号；及一感测器的致动器，用以驱动压电陶瓷并带动感测器产生特定频率与震幅的震动；及一感测器，用以感测外在物理量的改变。所述数值控制型震荡器接受中央控制单元所送的数位信号，以一超高频率解析度的数值控制式震荡器产生工作所需的周期波信号，并将该信号馈入动态信号控制器；此外，上述的周期性工作信号亦作为一量测所需的参考信号。所述动态信号控制器接收数值控制型震荡器所产生的弦波信号，动态的补偿控制该信号的震幅，以有效的驱动感测器的机械致动装置。所述感测器的致动器接受上述动态信号控制器的输出信号，并用以驱动双极性的压电材料产生固定震幅与频率的震动，带动感测器。所述感测器接收感测器致动器所产生的特定频率与震幅的信号，使感测器工作于敏感度最佳的谐振频率附近，则感测器对于外在物理量的改变的灵敏度最佳。所述感测物理信号的讯号转换、放大、与滤波电路，包括一电流至电压转换器，一前置放大器，与一低通滤波器；将感测器所感测到的物理量改变如电流、感测器震幅、电阻值、电容值、磁力、静电力转换成电压信号，并将该电压信号放大以利观测，滤波电路则作为电器、环境杂讯滤除之用。所述相位移动电路包括一相位移动电路，一类比式低成本的相位移动装置，用以将量测所需的参考信号与感测器所感测到的量测信号做适当的相位移动，以得到最佳的相位差至电压转换的增益。所述震幅与相位信号转换器包括一方均根值转换器，用以将感测器震幅的交流量测信号，转换成为直流的电压信号；及一正弦波至方波转换器，以用将上述经相位移动过的量测弦波讯号转换成为量测方波讯号；及一相位差侦测器，用以侦测参考方波信号与量测方波信号的相位差，并将相位差转换为相对应的类比输出电压信号；及一低通滤波器，用以对上述类比输出的震幅相关电压信号进行滤波处理；及一带通滤波器，用以对上述类比输出的相位相关电压信号进行滤波处理。所述方均根值转换器包括一方均根值转换电路，用以将感测器震幅的交流量测信号，转换成为相对应的直流电压信号；及正弦波至方波的转换电路包括一弦波至方波的转换电路，用以将周期性的参考量测信号与感测器所感测到的量测信号转换成方波信号，此一部份采用二极体与运算放大器来实现；及一相位差侦测器，采用乘法定理借以侦测两馈入的周期性方波的相位差，并将相位差转换成电压信号；及带通放大器，包括一带通滤波电路，用以将相位差侦测器输出的电压讯号的直流成分滤除；及低通放大器包括一低通滤波电路，用以将方均根值转换器输出的电压讯号的杂讯成分滤除。采用上述方案后，由于本专利技术包括一中央控制单元、一数值控制型震荡器、一动态驱动信号控制器、一感测器致动器、一感测器、一四象限光侦测器、一电流至电压转换器、一前置放大器、二低通滤波器、二相位移动电路、一方均根值转换器、一正弦波至方波转换器、一相位差侦测器、一带通滤波器、二动态信号补偿器和一多通道高精度类比至数位转换器。其系采用压电陶瓷致动微悬臂梁的方式，借以感测奈米级的物理量如作用力、温度、温度、气压的改变。具体而言上述系统的工作原理为可以连续且类比的方式侦测一微悬臂梁因受外在物理量改变所导致的震幅与相位的改变，搭配相关的震幅与相位转换积体电路可以将相位差改变量与震幅改变量转换成相对应的电压改变量，将此电压改变量馈入上述的多通道高精度类比至数位转换器，即可以中央控制单元立即的观测作为感测器的悬臂梁因受外在物理量改变所产生的对应性震幅与相位变化。本专利技术的优点在于制作成本低、连续式的侦测与转换方式、对于相位改变与震幅改变的侦测灵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精密度微悬臂梁相位与震幅侦测装置，作为检测一感测机构受外在物理量改变而产生的对应形变，其特征在于它包括：一中央控制单元，用以决定感测器的工作频率，并产生此一工作频率所需的对应数位控制讯号；此一中央控制单元并用以监控感测器的连续 震幅与相位改变；及一感测器驱动电路与感测器侦测电路，用以产生感测器工作所需的特定频率弦波讯号；上述的数位控制讯号馈入数值控制型震荡器，产生感测器工作所需的特定频率的类比弦波讯号，用以驱动感测器；上述的类比弦波讯号并作为相位量测所需的 参考信号；及一感测物理信号的讯号转换、放大与滤波电路，用以将感测器的输出弦波信号进行适当的讯号转换，信号震幅放大、与信号杂讯滤波的处理；及一相位移动电路，用以将上述经处理过的量测弦波信号进行适当的相位移动；及一震幅与 相位信号转换器，用以即时同步监控因外在物理量的改变所产生的感测器的震幅与相位信号的改变；及一动态信号补偿器，用以动态的补偿感测器震幅与相位信号的强度；及一高解析度的类比至数位转换器，用以将上述的相位差类比输出电压信号转换为相 对应的数位信号，并送至中央处理单元进行数据分析与监控。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王彦杰，
申请(专利权)人：王彦杰，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]