專利名稱：一種測多維力的壓電石英晶組及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓電式傳感器領(lǐng)域，特別涉及在多維力作用下，基于壓電石英晶片面域電荷分布規(guī)律制作測量多維力的壓電石英晶組
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的多維力測量領(lǐng)域中，典型的有以下兩種A基于應變片的應變式多維力測量裝置應變式傳感器是利用特定材料在變形過程中所發(fā)生的物性變化如電阻等為基礎制成的，具有質(zhì)量輕、響應快、體積較小等優(yōu)勢。由于應變片具有結(jié)構(gòu)簡單、布片靈活、靈敏度高、穩(wěn)定性好等特點，基于應變片的各類傳感器得到了廣泛的應用。由于它必須具有一定的形變，通常是幾十到兩萬微應變，敏感材料才能產(chǎn)生物性效應，所以應變式傳感器一般剛度較低，一般用于模型的靜態(tài)測力。B基于壓電效應的多維壓電式測試系統(tǒng)傳統(tǒng)的壓電式多維力測試系統(tǒng)通常以四組壓電式三分力傳感器或六組壓電式單向力傳感器采取一定空間布置的方法來實現(xiàn)。其優(yōu)點是高剛度、高固有頻率、高靈敏度、穩(wěn)定性優(yōu)良。目前已在軌/姿控火箭發(fā)動機脈沖推力矢量測量和高頻脈沖推力測量等領(lǐng)域應用。由于目前的壓電式三分力或壓電式單向力傳感器均是基于壓電石英晶體縱向效應和橫向效應制成的，采用XO切型或YO切型的石英晶片整體電荷輸出，造成多維力測量時傳感器布置的空間尺寸大，在很多重要工程的重要項目中限制了其應用范圍的拓展。多維壓電式測試系統(tǒng)的核心是壓電式傳感器，而壓電石英晶組又是壓電式傳感器的核心。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是改變傳統(tǒng)的多維壓電式測試系統(tǒng)尺寸過大，某些場合無法應用的難題，發(fā)明一種具備多維力測量功能的測多維力的壓電石英晶組及制作工藝。 壓電石英晶組利用XO切型的石英晶片在法向力、除法向轉(zhuǎn)矩外的另外兩個轉(zhuǎn)矩的作用下產(chǎn)生耦合感生電荷的方法，采用多電極布置多區(qū)域電荷輸出疊加的解耦方法，實現(xiàn)該三個力或力矩測量；同樣，利用YO切型的石英晶片可實現(xiàn)兩個切向力和法向轉(zhuǎn)矩的測量。該種方法有效減小了多維力測量壓電式測試系統(tǒng)的尺寸，極大拓寬了壓電式多維力測試系統(tǒng)的應用范圍。有效減小多維壓電式測試系統(tǒng)的尺寸，應用于需要多維力動態(tài)測量而對尺寸有限制的場合，在機械加工、航空航天、國防軍工等領(lǐng)域有較多的應用。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種測多維力的壓電石英晶組，其特征是，壓電石英晶組由XO切型的石英單元晶組3、第一個YO切型的石英單元晶組1、第二個YO切型的石英單元晶組2以及第一、第二兩片接地電極4構(gòu)成；其中，XO切型的石英單元晶組3由XO切型的第一、第二石英晶片5^ 和四片相同形狀的XO引出電極6組成；第一個YO切型的石英單元晶組1由YO切型的第一、第二石英晶片7p72和一片YO整體引出電極8組成；第二個YO切型的石英單元晶組2由YO切型的第三、第四石英晶片73、74和兩片形狀相同的YO引出電極9組成。一種測多維力的壓電石英晶組的制作方法，其特征是，壓電石英晶組利用兩片XO 切型的石英晶片在法向力、除法向轉(zhuǎn)矩外的另外兩個轉(zhuǎn)矩的作用下產(chǎn)生耦合感生電荷的方法，采用多電極布置、多區(qū)域電荷輸出疊加的解耦方法，實現(xiàn)該三個力或力矩的測量；再利用四片YO切型的石英晶片實現(xiàn)兩個切向力和法向轉(zhuǎn)矩的測量，六片石英晶片的規(guī)格尺寸完全相同，并都具有相同的石英晶片大倒角A ；采用特定的設備，先將六片石英晶片的電荷靈敏度方向和電荷輸出為“_”的面做標記；1)制作XO切型的石英單元晶組3以XO切型的第一石英晶片輸出電荷為“_”的一面為基準，并將輸出電荷為“-” 的一面向上，把四片相同形狀的XO引出電極6兩面涂導電膠后，均勻地布置在第一石英晶片S1輸出電荷為“-”的一面上，再將XO切型的第二石英晶片\輸出電荷為“_”的一面向下，按照石英晶片的大倒角A為基準對齊，XO切型的第一、第二石英晶片5^ 兩片對裝，組成XO切型的石英單元晶組3后，置于特制的設備中預壓至膠干；2)制作第一個YO切型的石英單元晶組1以YO切型的第一石英晶片T1輸出電荷為“_”的一面為基準，將YO整體引出電極 8兩面涂導電膠，布置于它的上面，再將YO切型的第二石英晶片72輸出電荷為“-”的一面作為結(jié)合面，按照石英晶片的大倒角A為基準對齊，YO切型的第一、第二石英晶片7p72兩片對裝，組成第一個YO切型的石英單元晶組1 ；3)制作第二個YO切型的石英單元晶組2以YO切型的第三石英晶片73輸出電荷為“_”的一面為基準，將兩片相同的YO引出電極9兩面涂導電膠，均勻布置在YO切型的第三石英晶片73輸出電荷為“-”的一面上， 再將YO切型的第四石英晶片74輸出電荷為“_”的一面作為結(jié)合面，按照石英晶片的大倒角 A為基準對齊，YO切型的第三、第四石英晶片73、74兩片對裝，保證兩片YO引出電極9形成的缺口順向電荷靈敏度方向，就組成了第二個YO切型的石英單元晶組2 ；4)壓電石英晶組的總裝以制好的XO切型的石英單元晶組3為基準，第一片接地電極t兩面涂導電膠后， 將一面粘附于XO切型的石英單元晶組3上；接地電極的另一面粘附第二個YO切型的石英單元晶組2 ；將第二片接地電極42兩面涂導電膠后，一面粘附于第二個YO切型的石英單元晶組2上；再將第二片電極42的另一面粘附第一個YO切型的石英單元晶組1 ；并要保證第二個YO切型的石英單元晶組2和第一個YO切型的石英單元晶組1的電荷靈敏度方向垂直。本發(fā)明的顯著效果是所發(fā)明的壓電石英晶組通過利用XO切型的石英晶片在多維力作用下的感生電荷密度分布規(guī)律，采用四片電極引出電荷的方法來測量三個方向的力或力矩；通過利用YO切型的石英晶片在多維力作用下的感生電荷密度分布規(guī)律，采用兩片電極引出電荷的方法來測量3個二維力；然后再利用一組YO切型的石英晶片來測量剩余一維力，實現(xiàn)空間六維力的測量。滿足了較多因尺寸限制，而無法使用壓電式多維測力系統(tǒng)的場合。該制作方法結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、穩(wěn)定好、便于封裝、成本小。


圖1為整體壓電石英晶組，圖2為布有四片XO引出電極6的XO切型石英晶片，圖 3為XO切型石英單元晶組3，圖4為布有兩片引出電極9的YO切型石英晶片，圖5為第一個 YO切型的石英單元晶組1，圖6為布有一片YO整體引出電極8的YO切型石英晶片，圖7為第二個YO切型石英單元晶組2。其中1-第一個YO切型的石英單元晶組，2-第二個YO切型的石英單元晶組，3-X0切型的石英單元晶組，I-第一片接地電極，42-第二片接地電極， S1-XO切型的第一石英晶片，52-X0切型的第二石英晶片，6-X0引出電極，7ρ72-第一個YO 切型的第一、第二石英晶片，73、74_第二個YO切型的第三、第四石英晶片，8-Y0整體引出電極，9-Y0引出電極，A-石英晶片的大倒角，Qp %、Q3、Gl4-四片XO引出電極6分別引出的電荷量，Q5、Q6-四片YO引出電極9分別引出的電荷量，Q7-YO整體引出電極8引出的電荷量， XYZ-直角坐標系，0-坐標系原點。
具體實施例方式結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細說明本發(fā)明的實施。如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖 7所示，六片石英晶片的規(guī)格尺寸完全相同，采用設備將石英晶片的電荷靈敏度方向和電荷輸出為“_”的面做標記。以其中的一片XO切型的第一石英晶片S1作為基準，將輸出電荷為“_”的一面向上，并把四片相同形狀的XO引出電極6兩面涂導電膠后，均勻地布置在XO切型的第一石英晶片S1輸出電荷為“-”的一面上，保證四片電極之間無接觸，導電膠之間無接觸。再將另外一片XO切型的第二石英晶片\輸出電荷為“_”的一面向下，按照石英晶片的大倒角A為基準對齊，兩片XO切型的石英晶片5^ 對裝，組成XO切型的石英單元晶組3，置于特制的設備中預壓至膠干后，制成XO切型的石英單元晶組3。以一片YO切型的第一石英晶片T1為基準，輸出電荷為“_”的一面向上，將YO整體引出電極8兩面涂導電膠，布置于YO切型的第一石英晶片T1上，再將另外一片YO切型的第二石英晶片I2輸出電荷為“-”的一面向下，按照石英晶片的大倒角A為基準對齊，兩片YO 切型的石英晶片7p72對裝，置于特制的設備中預壓至膠干后，組成第一個YO切型的石英單元晶組1。以一片YO切型的第三石英晶片73為基準，輸出電荷為“_”的一面向上，將兩片相同的YO引出電極9兩面涂導電膠，均勻布置于YO切型的第三石英晶片73上，保證兩片YO 引出電極9形成的缺口順向電荷靈敏度方向，再將另外一片YO切型的第四石英晶片74輸出電荷為“_”的一面向下，按照石英晶片的大倒角A為基準對齊，兩片YO切型的第三、第四石英晶片73、74對裝，置于特制的設備中預壓至膠干后，組成YO切型的石英單元晶組2。以XO切型的石英單元晶組3為基準，第一片接地電極I兩面涂導電膠后，將一面粘附于XO切型的石英單元晶組3其中的一面上。再將第二個YO切型的石英單元晶組2粘附于第一片電極接地I另一面上。將第二片接地電極42兩面涂導電膠后，一面粘附于第二個YO切型的石英單元晶組2上。另一面粘附于第一個YO切型的石英單元晶組1上，并保證第二個YO切型的石英單元晶組2和第一個YO切型的石英單元晶組1的電荷靈敏度方向垂直。置于特制的設備中預壓至膠干后，形成測多維力的壓電石英晶組。該壓電晶組具體的測量數(shù)學模型如下所述所謂六維力是三個方向的力和三個方向的力矩，在如附圖1所示的整體壓電晶組中的CTZ直角坐標系中，外部施加的三個方向的力根據(jù)靜力平衡條件可得如式(1)所示的平衡方程。 Fx = Q1S權(quán)利要求
1.一種測多維力的壓電石英晶組，其特征是，壓電石英晶組由XO切型的石英單元晶組 (3)、第一個YO切型的石英單元晶組(1)、第二個YO切型的石英單元晶組O)以及第一、第二兩片接地電極(4)構(gòu)成；其中，XO切型的石英單元晶組(3)由XO切型的第一、第二石英晶片(5^ )和四片相同形狀的XO引出電極(6)組成；第一個YO切型的石英單元晶組⑴ 由YO切型的第一、第二石英晶片(7p72)和一片YO整體引出電極(8)組成；第二個YO切型的石英單元晶組⑵由YO切型的第三、第四石英晶片(73、74)和兩片形狀相同的YO引出電極(9)組成。
2.一種測多維力的壓電石英晶組的制作方法，其特征是，壓電石英晶組利用兩片XO切型的石英晶片在法向力、除法向轉(zhuǎn)矩外的另外兩個轉(zhuǎn)矩的作用下產(chǎn)生耦合感生電荷的方法，采用多電極布置多區(qū)域電荷輸出疊加的解耦方法，實現(xiàn)該三個力(力矩)測量；再利用四片YO切型的石英晶片實現(xiàn)兩個切向力和法向轉(zhuǎn)矩的測量，六片石英晶片的規(guī)格尺寸完全相同，并都具有相同的石英晶片大倒角(A)；采用特定的設備，先將六片石英晶片的電荷靈敏度方向和電荷輸出為“_”的面做標記；1)制作XO切型的石英單元晶組(3)以XO切型的第一石英晶片(5》輸出電荷為“_”的一面為基準，并將輸出電荷為“_”的一面向上，把四片相同形狀的XO引出電極(6)兩面涂導電膠后，均勻地布置在第一石英晶片(5》輸出電荷為“_”的一面上，再將XO切型的第二石英晶片(52)輸出電荷為“_”的一面向下，按照石英晶片的大倒角A為基準對齊，XO切型的第一、第二石英晶片飯、52)兩片對裝，組成XO切型的石英單元晶組C3)后，置于特制的設備中預壓至膠干；2)制作第一個YO切型的石英單元晶組(1)以YO切型的第一石英晶片(7》輸出電荷為“_”的一面為基準，將YO整體引出電極⑶ 兩面涂導電膠，布置于它的上面，再將YO切型的第二石英晶片(72)輸出電荷為“_”的一面作為結(jié)合面，按照石英晶片的大倒角(A)為基準對齊，YO切型的第一、第二石英晶片(7”72) 兩片對裝，組成第一個YO切型的石英單元晶組(1)；3)制作第二個YO切型的石英單元晶組O)以YO切型的第三石英晶片(73)輸出電荷為“_”的一面為基準，將兩片相同的YO引出電極(9)兩面涂導電膠，均勻布置在YO切型的第三石英晶片(73)輸出電荷為“_”的一面上，再將YO切型的第四石英晶片(74)輸出電荷為“_”的一面作為結(jié)合面，按照石英晶片的大倒角(A)為基準對齊，YO切型的第三、第四石英晶片(73、74)兩片對裝，保證兩片YO引出電極(9)形成的缺口順向電荷靈敏度方向，就組成了第二個YO切型的石英單元晶組O)；4)壓電石英晶組的總裝以制好的XO切型的石英單元晶組C3)為基準，第一片接地電極G1)兩面涂導電膠后， 將一面粘附于XO切型的石英單元晶組(3)上；接地電極G1)的另一面粘附于第二個YO切型的石英單元晶組( 上；將第二片電極G2)兩面涂導電膠后，一面粘附于第二個YO切型的石英單元晶組( 上；再將第二片電極G2)的另一面粘附于第一個YO切型的石英單元晶組(1)上；并要保證第二個YO切型的石英單元晶組(2)和第一個YO切型的石英單元晶組(1)的電荷靈敏度方向垂直。
全文摘要
本發(fā)明一種測多維力的壓電石英晶組及制作方法，屬于壓電式傳感器領(lǐng)域，涉及在多維力作用下，石英晶片面域電荷分布規(guī)律制作多維力測量的壓電式石英晶組。壓電石英晶組由X0切型的石英單元晶組、第一個、第二個Y0切型的石英單元晶組以及兩片接地電極構(gòu)成。壓電石英晶組利用兩片X0切型的石英晶片在法向力、除法向轉(zhuǎn)矩外的另外兩個轉(zhuǎn)矩的作用下產(chǎn)生耦合感生電荷的方法，采用多電極布置、多區(qū)域電荷輸出疊加的解耦方法，實現(xiàn)三個力或力矩的測量；再利用四片Y0切型的石英晶片實現(xiàn)兩個切向力和法向轉(zhuǎn)矩的測量，實現(xiàn)了空間六維力的測量。該制作方法簡單、工藝性好、穩(wěn)定好，便于封裝、成本小?？蓱糜跈C械加工、航空航天、國防等領(lǐng)域中。
文檔編號G01L5/16GK102564656SQ201210037429
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月20日
發(fā)明者任宗金, 劉巍, 王福吉, 賈振元 申請人:大連理工大學