專利名稱：單體型拉—壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及力傳感器，特別是在其拉-壓結(jié)構(gòu)中含有兩個力敏感元件的力傳感器。
減少力傳感系統(tǒng)誤差的常規(guī)方法是采用拉壓結(jié)構(gòu)，其中配置兩個沿相反方向受力的匹配良好的力敏感元件。采用這種結(jié)構(gòu)的目的是為了削除種種共模誤差，如偶級非線性誤差，溫度靈敏性偏差，時標(biāo)靈敏性誤差，老化漂移偏差和受力靈敏性誤差等。
當(dāng)在物理裝置中采用這種拉壓結(jié)構(gòu)時，比如說，在一個擺式加速度計中使用兩個力敏感元件，它們均與一個常規(guī)檢測體連接，這時就會出現(xiàn)一些問題。兩個力敏感元件通常沿垂直或平行加速度計擺軸方向呈拉伸狀態(tài)。在這一結(jié)構(gòu)中，支撐體/檢測體元件和力敏感元件之間的任何熱膨失配均會產(chǎn)生熱應(yīng)變，并產(chǎn)生較大的共模式誤差信號，即便采用信號處理技術(shù)，也只能消除該誤差的一部分。因此就需要力敏感元件對于所有靈敏性均呈物理匹配，以提供高標(biāo)準(zhǔn)的常態(tài)衰減，而這種緊密匹配通常是難以實現(xiàn)的。
本發(fā)明提供了一種以單體型結(jié)構(gòu)配置的拉-壓力傳感器。這種傳感器可連接在如一個加速度計的檢測體和支撐體之間，以形成一個具有更好抑制共模誤差的傳感器。
在第一最佳實施例中，這種力傳感器包括由結(jié)晶基底構(gòu)成的單元體。這種單元體包括有用于將力傳感器固定在第一、第二組件上的第一、第二固定元件，且連接有第一、第二力敏感元件。每一個力敏感元件有第一、第二端部，由第二端部向第一端部延伸的線確定了力敏感元件的力敏感軸。每一力敏感元件對于施加于沿其力敏感軸方向上的力是敏感的。力敏感元件是以其力敏感軸彼此平行且匹配的方式定位的。耦合裝置將每一個力敏感元件與兩個固定元件相連。第一力敏感元件的第一端部與第二固定元件相連，第二端部與第一固定元件相連。第二力敏感元件的第一端部與第一固定元件相連，第二端部與第二固定元件相連。因此，由這些組件施加在力傳感器上的平行于力敏感軸的力，將在一個力敏感元件中產(chǎn)生壓縮力，而在另一個力敏感元件中產(chǎn)生拉伸力。在其它實施例中，可以使用彎曲部分以釋放單元體中的應(yīng)變，部分單元體在拉-壓操作中可產(chǎn)生杠桿效應(yīng)。


圖1是介紹本發(fā)明力傳感器工作的示意圖。
圖2是說明力傳感器第一最佳實施例的頂視圖。
圖3是圖2所示力傳感器的側(cè)視剖面圖。
圖4是力傳感器第二最佳實施例的頂視圖。
圖5是力傳感器第三實施例的頂視圖。
圖6是力傳感器第四實施例的頂視圖。
圖7和圖8是用于加速度計的力傳感器的透視圖。
圖1是本發(fā)明力傳感器的示意圖。力傳感器壓力敏感元件12和14連接于固定元件16和18之間。固定元件將力傳感器安裝于檢測器的適當(dāng)位置上。例如在加速度計中，固定元件16可連接于一個支撐體上，固定元件18則可連接于一個懸擺安裝的檢測體上。這些結(jié)構(gòu)將拉伸力或壓縮力沿傳感器軸20的方向施加于力傳感器上，傳感器檢測這一力并給出加速度或其它所關(guān)心的量。
力敏感元件12包括第一端部22和第二端部24，從第二端部24向第一端部22沿伸的線確定了第一力敏感軸26。力敏感元件14同樣包括第一端部32和第2端部34，從第二端部34向第一端部32沿伸的線確定了第二力敏感軸36。兩力敏感軸相互平行，并平行于傳感器軸20。對于兩個力敏感元件，它們的第一端部靠近于固定元件16它們的第二端部靠近于固定元件18。因此在傳感器中，力敏感軸26和36是相互匹配的，它們沿傳感器軸20指向同一方向(圖1中向上方向)。
用上述術(shù)語，則本發(fā)明可描述為連接固定元件和力敏感元件的連接裝置38，它將力敏感元件12的第一端部22連接于固定元件18上，第二端部24連接于固定元件16，并將力敏感元件14的第一端部32連接于固定元件16上，第二端部34連接于固定元件18。施加于固定元件16上的力將耦合于力敏感元件12的第二端部24和力敏感元件14的第一端部32。同樣，施加于固定元件18上的力將連接于力敏感元件12的第一端部22和力敏感元件14的第二端部34。對于這一連接型式，在固定元件16、18之間所施加的，沿力感應(yīng)軸20方向上的任一力(拉伸力或壓縮力)將在一個力敏感元件中產(chǎn)生壓縮力，而在另一個力敏感元件中產(chǎn)生拉伸力。
在圖2和圖3中介紹了本發(fā)明力傳感器的一個最佳實施例。該傳感器包括主體40，以便其成型后構(gòu)成固定元件42和44以及力敏感元件46和48，排列與圖1所示相似。傳感器為雙振動梁型，但其它類型力傳感器，如表面聲波傳感器，單振梁傳感器和壓阻應(yīng)變計也可被使用。力敏感元件48具有第一端部52其連接于固定元件42，和第二端部54其連接于固定元件44，以及在端部52和54之間延伸的一對梁56。力敏感元件46具有第一端部62，第二端部64和連接于端部62和64之間的一對梁66。每一力敏感元件的力敏感軸位于各自的梁中，且梁均平行于傳感器軸50。
第一端部62連接于沿傳感器軸50、由固定元件44伸向固定元件42的臂元件68上。同樣，力敏感元件46的第二端部64連接于沿傳感器軸50，由固定元件42伸向固定元件44的臂元件70上。固定元件42和44分別附著于組件72和74上，以便使力傳感器通過這些組件測出耦合于其上的拉伸或壓縮上。在力敏感元件46和48之間延伸的臂元件68可以在力敏感元件之間起隔離作用并能防止閉鎖情況的發(fā)生。
力傳感器主體40是一個單體結(jié)構(gòu)而非原本分離的各部分的組合體。例如，主體40可由對石英晶或硅膜構(gòu)成的基底進行蝕刻的方法制成。用這種方法制作主體的重要優(yōu)點是，力傳感器46和48可在常規(guī)基底材料上很近的空間位置處形成，從而提供一對緊密匹配靈敏性的力敏感元件。當(dāng)采用常規(guī)裝置對力敏感元件的輸出進行組合對，靈敏性的緊密匹配將提供誤差的良好共模抑制。
本發(fā)明第二個最佳實施例如圖4所示。該實施例與圖2所示實施例大體上類似，也包括適當(dāng)成形的單元件80，用以形成固定元件82和84以及力敏感元件86和88。固定元件82和84分別附著于基底結(jié)構(gòu)元件90和92上。在該實施例中，固定元件和力敏感元件是通過由固定元件82延伸出的臂元件100和通過橋型部分102相互連接的，橋型部分102是通過彎曲部分104與固定元件84連接的。橋型部分102是因接于力傳感器86和88的相反端部。彎曲部分104可以使橋型部分102相對固定元件84，圍繞應(yīng)變釋放軸轉(zhuǎn)動，該應(yīng)變釋放軸通過彎曲部分，垂直穿過含力敏感元件的平面。因此，圖4的實施例允許在結(jié)構(gòu)組件90和92之間有一定量的轉(zhuǎn)動，而不影響力的測量。同圖2-3所示實施例一樣，圖4所示實施例的單體結(jié)構(gòu)也能增強常規(guī)形態(tài)的誤差抑制。
本發(fā)明的第三最佳實施例如圖5所示。該實施例包括有單元體108，它包括有固定元件110和112以及連接于固定元件之間的力敏感元件114和116。固定元件110和112分別通過彎曲部分126和128與橋型部分120和122相連。每一橋型部分與力敏感元件114、116的相反端部相連。固定元件110和112將傳感器分別固定于構(gòu)件130和132上。彎曲部分126和128可在相應(yīng)的固定元件和橋型部分之間，以垂直于主體108平面的應(yīng)變釋放軸為軸相對轉(zhuǎn)動，從而增加了在該平面內(nèi)對構(gòu)件130和132轉(zhuǎn)動的不敏感的程度。
圖5還介紹了溫度檢測器140，它可以作為用石英晶體制作的力傳感器實施例中的橋型結(jié)構(gòu)或安裝元件上的一部分。所示整體石英音叉溫度檢測器包括有一對基本平行的梁142，它們與力敏感元件114和116中的梁相垂直，且位于力敏感元件確定的平面中。這種定位提供了一種與晶體晶面軸相一致的結(jié)構(gòu)，且這種定位對于力傳感器和溫度檢測器的使用是必須的。這一配置方式的優(yōu)點是將所有的敏感元件均集中于一個單體結(jié)構(gòu)中，因而很易安裝和配線。
本發(fā)明的第四最佳實施例如圖6所示，同前述各實施例一樣，圖6中的實施例包括成形的單體主體150以形成固定元件152和154，以及力敏感元件156和158。但是圖6中實施例的主要工作原理與上述實施例不同。固定元件152通過橋型部分162與兩個力敏感元件的上端部相耦合，固定元件154通過橋型部分172與兩力敏感元件的下端部相耦合。橋型部分162通過彎曲部分164與固定元件152相連，并分別通過彎曲部分166和168與力敏感元件156和158相連。與此相似，橋型部分172通過彎曲部分174與固定元件154相連，并分別通過彎曲部分176和178與力敏感元件156和158相連。所述彎曲部分均可圍繞應(yīng)變釋放軸轉(zhuǎn)動，應(yīng)變釋放軸穿過各自的彎曲部分并垂直于主體150所形成的平面。
圖6實施例可用于測量沿傳感器軸180施加的力，傳感器軸平行于兩力敏感元件。傳感器利用了水平臂技術(shù)，使一個力敏感元件受拉載荷，另一個受壓載荷。在主體150的平面內(nèi)，沿垂直傳感器軸180方向，通過調(diào)節(jié)彎曲部分間的間距比可改善機械性能。力敏感元件158的受荷程度總是大于力敏感元件156。這種情況下的優(yōu)點是，可以使用相對大和相對小的力敏感元件工作于多個頻率域，而且非線性被消除了。工作于不同頻率的力敏感元件將消除元件之間可能發(fā)生的鎖定電勢。
圖7介紹了本發(fā)明的拉-壓力傳感器在擺式加速度計中的使用。加速度計包括支撐體200和通過彎曲部分204懸吊其上的檢測體202。該彎曲部分可以允許檢測體202的外端部206沿輸入軸208方向移動。本發(fā)明的力傳感器210可連接在外側(cè)端部206和支撐體200的相鄰部分之間，以使傳感器軸平行于輸入軸208。
圖8表示了力傳感器在擺式加速度計中的第2種使用情況。加速度計包括支撐體220和通過彎曲部分224懸吊其上的檢測體222。本發(fā)明力傳感器230連接于檢測體和支撐體之間，以使傳感器軸232平行于或近似平行于檢測體222的擺軸234。
在圖7和圖8所示的加速度計中，力傳感器相應(yīng)于加速度計其它部分的不同的熱膨脹，將使檢測體產(chǎn)生輕微的轉(zhuǎn)動，所產(chǎn)生的小誤差通過對拉-壓力傳感器的常規(guī)信號處理技術(shù)可基本消除。
除了所描述的本發(fā)明的最佳實施例外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可據(jù)此給出各種改型。據(jù)此，本發(fā)明的范圍是通過參照下述權(quán)利要求確定的。
權(quán)利要求
1.一種可附接在第一和第二結(jié)構(gòu)體(72、74、90、92、130、132)之間的力傳感器，該傳感器包括有由晶體基底形成的單元體(40、80、108)，該單元體包括分別用于將力傳感器安裝到第一和第二結(jié)構(gòu)體上的固定元件(42、44、82、84、110、112)；第一和第二力敏感元件(46，48，86，88，114，116)，每一力敏感元件均具有第一和第二端部(62、64、52、54)，由各力敏感元件的第二端部向第一端部延伸的線確定了各力敏感元件的的力敏感軸(26，36)，每一力敏感元件對沿其力敏感軸兩方向任一方所向上施加的力是敏感的，各力敏感元件被定位于使其力感應(yīng)軸彼此平行并匹配的位置上，和將各固定元件和力敏感元件相互連接起來的連接裝置(68，70，100，102，120，122)，該裝置將第一力敏感元件的第一端部連接至第二固定元件，其第二端部連接至第一固定元件，將第二力敏感元件的第一端部連接至第一固定元件，第二端部連接至第二固定元件，從而使由構(gòu)件施加于力傳感器上的力平行于力敏感軸，導(dǎo)致在一個力敏感元件中產(chǎn)生壓縮力而在另一個力敏感元件中產(chǎn)生拉伸力。
2.如權(quán)利要求1所述的力傳感器，其連接裝置包括一橋型元件(102，120，122)，該元件連接于一個力敏感元件的第一端部和另一個力敏感元件的第二端部，并通過彎曲部分(104，126，128)連接于一個固定元件，彎曲部分可以允許橋型構(gòu)件圍繞垂直于包含力敏感軸平面的應(yīng)變釋放軸，相應(yīng)于所述的一個固定元件轉(zhuǎn)動。
3.權(quán)利要求1所述的力傳感器，其特征在于連接裝置包括第一和第二橋型構(gòu)件(126，128)，第一橋型構(gòu)件連接于第一力敏感元件的第二端部和第二力敏感元件的第一端部，并通過第一彎曲部分連接于第一固定元件，第二橋型構(gòu)件連接于第一力敏感元件的第一端部和第二力敏感元件的第二端部，并通過第二彎曲部分連接于第二固定元件，每一彎曲部分均允許相應(yīng)的橋型構(gòu)件相對于各自的固定元件，圍繞垂直于包含力敏感軸平面的應(yīng)變釋放軸轉(zhuǎn)動。
4.權(quán)利要求1所述的力傳感器，其特征在于晶體基底包括石英晶體。
5.權(quán)利要求4所述的力傳感器，其特征在于每一力敏感元件包括一雙振梁力傳感器。
6.權(quán)利要求4所述的力傳感器，其單元體包括一音叉溫度檢測器(140)。
7.權(quán)利要求1所述的力傳感器，其特征在于晶體基底包括硅片。
8.權(quán)利要求7所述的力傳感器，其每一力敏感元件包括一雙振動梁力敏感元件。
9.權(quán)利要求1所述的力傳感器，其特征于連接裝置的一部分在力敏感元件之間延伸。
全文摘要
本發(fā)明為一種包括由晶體基底形成的單元體的拉—壓力傳感器。主體包括第一和第二固定元件用以將力傳感器固定于第一和第二構(gòu)件，且第一和第二敏感元件連接于固定元件。每一力敏感元件包括有第一和第二端部。第一力敏感元件的第一端部連接于第二固定元件，第二端部連接于第一固定元件。第二力敏感元件的第一端部連接于第一固定元件，第二端部連接于第二固定元件。
文檔編號G01L1/10GK1046038SQ9010147
公開日1990年10月10日 申請日期1990年2月27日 優(yōu)先權(quán)日1989年2月27日
發(fā)明者布賴恩·L·諾林格 申請人:森德斯特蘭德數(shù)據(jù)控制公司