专利名称：单体型拉—压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及力传感器，特别是在其拉-压结构中含有两个力敏感元件的力传感器。
减少力传感系统误差的常规方法是采用拉压结构，其中配置两个沿相反方向受力的匹配良好的力敏感元件。采用这种结构的目的是为了削除种种共模误差，如偶级非线性误差，温度灵敏性偏差，时标灵敏性误差，老化漂移偏差和受力灵敏性误差等。
当在物理装置中采用这种拉压结构时，比如说，在一个摆式加速度计中使用两个力敏感元件，它们均与一个常规检测体连接，这时就会出现一些问题。两个力敏感元件通常沿垂直或平行加速度计摆轴方向呈拉伸状态。在这一结构中，支撑体/检测体元件和力敏感元件之间的任何热膨失配均会产生热应变，并产生较大的共模式误差信号，即便采用信号处理技术，也只能消除该误差的一部分。因此就需要力敏感元件对于所有灵敏性均呈物理匹配，以提供高标准的常态衰减，而这种紧密匹配通常是难以实现的。
本发明提供了一种以单体型结构配置的拉-压力传感器。这种传感器可连接在如一个加速度计的检测体和支撑体之间，以形成一个具有更好抑制共模误差的传感器。
在第一最佳实施例中，这种力传感器包括由结晶基底构成的单元体。这种单元体包括有用于将力传感器固定在第一、第二组件上的第一、第二固定元件，且连接有第一、第二力敏感元件。每一个力敏感元件有第一、第二端部，由第二端部向第一端部延伸的线确定了力敏感元件的力敏感轴。每一力敏感元件对于施加于沿其力敏感轴方向上的力是敏感的。力敏感元件是以其力敏感轴彼此平行且匹配的方式定位的。耦合装置将每一个力敏感元件与两个固定元件相连。第一力敏感元件的第一端部与第二固定元件相连，第二端部与第一固定元件相连。第二力敏感元件的第一端部与第一固定元件相连，第二端部与第二固定元件相连。因此，由这些组件施加在力传感器上的平行于力敏感轴的力，将在一个力敏感元件中产生压缩力，而在另一个力敏感元件中产生拉伸力。在其它实施例中，可以使用弯曲部分以释放单元体中的应变，部分单元体在拉-压操作中可产生杠杆效应。
图1是介绍本发明力传感器工作的示意图。
图2是说明力传感器第一最佳实施例的顶视图。
图3是图2所示力传感器的侧视剖面图。
图4是力传感器第二最佳实施例的顶视图。
图5是力传感器第三实施例的顶视图。
图6是力传感器第四实施例的顶视图。
图7和图8是用于加速度计的力传感器的透视图。
图1是本发明力传感器的示意图。力传感器压力敏感元件12和14连接于固定元件16和18之间。固定元件将力传感器安装于检测器的适当位置上。例如在加速度计中，固定元件16可连接于一个支撑体上，固定元件18则可连接于一个悬摆安装的检测体上。这些结构将拉伸力或压缩力沿传感器轴20的方向施加于力传感器上，传感器检测这一力并给出加速度或其它所关心的量。
力敏感元件12包括第一端部22和第二端部24，从第二端部24向第一端部22沿伸的线确定了第一力敏感轴26。力敏感元件14同样包括第一端部32和第2端部34，从第二端部34向第一端部32沿伸的线确定了第二力敏感轴36。两力敏感轴相互平行，并平行于传感器轴20。对于两个力敏感元件，它们的第一端部靠近于固定元件16它们的第二端部靠近于固定元件18。因此在传感器中，力敏感轴26和36是相互匹配的，它们沿传感器轴20指向同一方向(图1中向上方向)。
用上述术语，则本发明可描述为连接固定元件和力敏感元件的连接装置38，它将力敏感元件12的第一端部22连接于固定元件18上，第二端部24连接于固定元件16，并将力敏感元件14的第一端部32连接于固定元件16上，第二端部34连接于固定元件18。施加于固定元件16上的力将耦合于力敏感元件12的第二端部24和力敏感元件14的第一端部32。同样，施加于固定元件18上的力将连接于力敏感元件12的第一端部22和力敏感元件14的第二端部34。对于这一连接型式，在固定元件16、18之间所施加的，沿力感应轴20方向上的任一力(拉伸力或压缩力)将在一个力敏感元件中产生压缩力，而在另一个力敏感元件中产生拉伸力。
在图2和图3中介绍了本发明力传感器的一个最佳实施例。该传感器包括主体40，以便其成型后构成固定元件42和44以及力敏感元件46和48，排列与图1所示相似。传感器为双振动梁型，但其它类型力传感器，如表面声波传感器，单振梁传感器和压阻应变计也可被使用。力敏感元件48具有第一端部52其连接于固定元件42，和第二端部54其连接于固定元件44，以及在端部52和54之间延伸的一对梁56。力敏感元件46具有第一端部62，第二端部64和连接于端部62和64之间的一对梁66。每一力敏感元件的力敏感轴位于各自的梁中，且梁均平行于传感器轴50。
第一端部62连接于沿传感器轴50、由固定元件44伸向固定元件42的臂元件68上。同样，力敏感元件46的第二端部64连接于沿传感器轴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分别附着于组件72和74上，以便使力传感器通过这些组件测出耦合于其上的拉伸或压缩上。在力敏感元件46和48之间延伸的臂元件68可以在力敏感元件之间起隔离作用并能防止闭锁情况的发生。
力传感器主体40是一个单体结构而非原本分离的各部分的组合体。例如，主体40可由对石英晶或硅膜构成的基底进行蚀刻的方法制成。用这种方法制作主体的重要优点是，力传感器46和48可在常规基底材料上很近的空间位置处形成，从而提供一对紧密匹配灵敏性的力敏感元件。当采用常规装置对力敏感元件的输出进行组合对，灵敏性的紧密匹配将提供误差的良好共模抑制。
本发明第二个最佳实施例如图4所示。该实施例与图2所示实施例大体上类似，也包括适当成形的单元件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分别附着于基底结构元件90和92上。在该实施例中，固定元件和力敏感元件是通过由固定元件82延伸出的臂元件100和通过桥型部分102相互连接的，桥型部分102是通过弯曲部分104与固定元件84连接的。桥型部分102是因接于力传感器86和88的相反端部。弯曲部分104可以使桥型部分102相对固定元件84，围绕应变释放轴转动，该应变释放轴通过弯曲部分，垂直穿过含力敏感元件的平面。因此，图4的实施例允许在结构组件90和92之间有一定量的转动，而不影响力的测量。同图2-3所示实施例一样，图4所示实施例的单体结构也能增强常规形态的误差抑制。
本发明的第三最佳实施例如图5所示。该实施例包括有单元体108，它包括有固定元件110和112以及连接于固定元件之间的力敏感元件114和116。固定元件110和112分别通过弯曲部分126和128与桥型部分120和122相连。每一桥型部分与力敏感元件114、116的相反端部相连。固定元件110和112将传感器分别固定于构件130和132上。弯曲部分126和128可在相应的固定元件和桥型部分之间，以垂直于主体108平面的应变释放轴为轴相对转动，从而增加了在该平面内对构件130和132转动的不敏感的程度。
图5还介绍了温度检测器140，它可以作为用石英晶体制作的力传感器实施例中的桥型结构或安装元件上的一部分。所示整体石英音叉温度检测器包括有一对基本平行的梁142，它们与力敏感元件114和116中的梁相垂直，且位于力敏感元件确定的平面中。这种定位提供了一种与晶体晶面轴相一致的结构，且这种定位对于力传感器和温度检测器的使用是必须的。这一配置方式的优点是将所有的敏感元件均集中于一个单体结构中，因而很易安装和配线。
本发明的第四最佳实施例如图6所示，同前述各实施例一样，图6中的实施例包括成形的单体主体150以形成固定元件152和154，以及力敏感元件156和158。但是图6中实施例的主要工作原理与上述实施例不同。固定元件152通过桥型部分162与两个力敏感元件的上端部相耦合，固定元件154通过桥型部分172与两力敏感元件的下端部相耦合。桥型部分162通过弯曲部分164与固定元件152相连，并分别通过弯曲部分166和168与力敏感元件156和158相连。与此相似，桥型部分172通过弯曲部分174与固定元件154相连，并分别通过弯曲部分176和178与力敏感元件156和158相连。所述弯曲部分均可围绕应变释放轴转动，应变释放轴穿过各自的弯曲部分并垂直于主体150所形成的平面。
图6实施例可用于测量沿传感器轴180施加的力，传感器轴平行于两力敏感元件。传感器利用了水平臂技术，使一个力敏感元件受拉载荷，另一个受压载荷。在主体150的平面内，沿垂直传感器轴180方向，通过调节弯曲部分间的间距比可改善机械性能。力敏感元件158的受荷程度总是大于力敏感元件156。这种情况下的优点是，可以使用相对大和相对小的力敏感元件工作于多个频率域，而且非线性被消除了。工作于不同频率的力敏感元件将消除元件之间可能发生的锁定电势。
图7介绍了本发明的拉-压力传感器在摆式加速度计中的使用。加速度计包括支撑体200和通过弯曲部分204悬吊其上的检测体202。该弯曲部分可以允许检测体202的外端部206沿输入轴208方向移动。本发明的力传感器210可连接在外侧端部206和支撑体200的相邻部分之间，以使传感器轴平行于输入轴208。
图8表示了力传感器在摆式加速度计中的第2种使用情况。加速度计包括支撑体220和通过弯曲部分224悬吊其上的检测体222。本发明力传感器230连接于检测体和支撑体之间，以使传感器轴232平行于或近似平行于检测体222的摆轴234。
在图7和图8所示的加速度计中，力传感器相应于加速度计其它部分的不同的热膨胀，将使检测体产生轻微的转动，所产生的小误差通过对拉-压力传感器的常规信号处理技术可基本消除。
除了所描述的本发明的最佳实施例外，本领域的技术人员可据此给出各种改型。据此，本发明的范围是通过参照下述权利要求确定的。
权利要求
1.一种可附接在第一和第二结构体(72、74、90、92、130、132)之间的力传感器，该传感器包括有由晶体基底形成的单元体(40、80、108)，该单元体包括分别用于将力传感器安装到第一和第二结构体上的固定元件(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线确定了各力敏感元件的的力敏感轴(26，36)，每一力敏感元件对沿其力敏感轴两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应轴彼此平行并匹配的位置上，和将各固定元件和力敏感元件相互连接起来的连接装置(68，70，100，102，120，122)，该装置将第一力敏感元件的第一端部连接至第二固定元件，其第二端部连接至第一固定元件，将第二力敏感元件的第一端部连接至第一固定元件，第二端部连接至第二固定元件，从而使由构件施加于力传感器上的力平行于力敏感轴，导致在一个力敏感元件中产生压缩力而在另一个力敏感元件中产生拉伸力。
2.如权利要求1所述的力传感器，其连接装置包括一桥型元件(102，120，122)，该元件连接于一个力敏感元件的第一端部和另一个力敏感元件的第二端部，并通过弯曲部分(104，126，128)连接于一个固定元件，弯曲部分可以允许桥型构件围绕垂直于包含力敏感轴平面的应变释放轴，相应于所述的一个固定元件转动。
3.权利要求1所述的力传感器，其特征在于连接装置包括第一和第二桥型构件(126，128)，第一桥型构件连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，并通过第一弯曲部分连接于第一固定元件，第二桥型构件连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，并通过第二弯曲部分连接于第二固定元件，每一弯曲部分均允许相应的桥型构件相对于各自的固定元件，围绕垂直于包含力敏感轴平面的应变释放轴转动。
4.权利要求1所述的力传感器，其特征在于晶体基底包括石英晶体。
5.权利要求4所述的力传感器，其特征在于每一力敏感元件包括一双振梁力传感器。
6.权利要求4所述的力传感器，其单元体包括一音叉温度检测器(140)。
7.权利要求1所述的力传感器，其特征在于晶体基底包括硅片。
8.权利要求7所述的力传感器，其每一力敏感元件包括一双振动梁力敏感元件。
9.权利要求1所述的力传感器，其特征于连接装置的一部分在力敏感元件之间延伸。
全文摘要
本发明为一种包括由晶体基底形成的单元体的拉—压力传感器。主体包括第一和第二固定元件用以将力传感器固定于第一和第二构件，且第一和第二敏感元件连接于固定元件。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连接于第二固定元件，第二端部连接于第一固定元件。第二力敏感元件的第一端部连接于第一固定元件，第二端部连接于第二固定元件。
文档编号G01L1/10GK1046038SQ9010147
公开日1990年10月10日 申请日期1990年2月27日 优先权日1989年2月27日
发明者布赖恩·L·诺林格 申请人:森德斯特兰德数据控制公司