基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器专利检索-电荷积分器传感器与探测器专利检索查询-专利查询网

基于微 电子机械系统的可调量程的电容式微力测量 传感器

阅读：287发布：2020-05-11

专利汇可以提供基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器，能够实现单方向的范围较广的高精度微力测量。本发明的机械部分采用微电子机械系统和梳状电容结构，两个梳状电容的电容对数为50～200，具有很高的位移灵敏度。本发明的电路部分可以把位移量转化为电压信号，通过改变电路参数，可以调节传感器的灵敏度从而改变其量程以测量不同范围的微力。本发明的量程调节范围为由±20μN至±200μN，测量误差小于30nN。，下面是基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器，其特征在于，包括设置于PCB板(11)上的传感器本体，所述传感器本体包括：
固结基体，所述固结基体呈“口”字形，包括位于左侧的第一基体本体(2)、位于下侧的第二基体本体(3)、位于右侧的第三基体本体(4)和位于上侧的第四基体本体(5)，所述第一基体本体(2)、所述第二基体本体(3)、所述第三基体本体(4)和所述第四基体本体(5)均固定在所述PCB板(11)上，并且，彼此之间不相连接；
探针(1)，所述探针(1)的端部穿过所述第四基体本体(5)的中心伸入至所述固结基体内；
第一柔性铰链(6)，所述第一柔性铰链(6)设置有一对，分别设置在所述探针(1)的左右两侧并位于所述探针(1)的上部，所述第一柔性铰链(6)的一端固定在所述探针(1)上、所述第一柔性铰链(6)的另一端固定在所述第四基体本体(5)上；
第二柔性铰链(7)，所述第二柔性铰链(7)设置有一对，分别设置在所述探针(1)的左右两侧并位于所述探针(1)的下部，所述第二柔性铰链(7)的一端固定在所述探针(1)上、所述第二柔性铰链(7)的另一端固定在所述第二基体本体(3)上；
第一电容(C1)，所述第一电容(C1)由第一平行板阵列(12)和第二平行板阵列(13)组成，所述第一平行板阵列(12)固结在所述探针(1)上，所述第二平行板阵列(13)固结在所述第一基体本体(2)上；所述第一平行板阵列(12)的平行板单体和所述第二平行板阵列(13)的平行板单体相互交错排布，并且，所述第一平行板阵列(12)中由上至下的第一个平行板单体位于所述第二平行板阵列(13)中由上至下的第一个平行板单体的上方；以及，第二电容(C2)，所述第二电容(C2)由第三平行板阵列(14)和第四平行板阵列(15)组成，所述第三平行板阵列(14)固结在所述探针(1)上，所述第四平行板阵列(15)固结在所述第三基体本体(4)上；所述第三平行板阵列(14)的平行板单体和所述第四平行板阵列(15)的平行板单体相互交错排布，并且，所述第三平行板阵列(14)中由上至下的第一个平行板单体位于所述第四平行板阵列(15)中由上至下的第一个平行板单体的下方。
2.根据权利要求1所述的一种基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器，其特征在于，电容式微力测量传感器还包括置于所述PCB板(11)上的电路部分，所述电路部分包括依次连接的电荷积分器(Ⅱ)、采样单元(Ⅲ)、二阶低通滤波器(Ⅳ)和放大器(Ⅴ)，所述第二基体本体(3)上所设置的第二接线端(9)连接在所述电荷积分器(Ⅱ)的输入端，两个相位差为180°的周期性激励电压分别施加在所述第一基体本体(2)上所设置的第一接线端(8)和所述第三基体本体(4)上所设置的第三接线端(10)上；所述第一电容(C1)的第二平行板阵列(13)通过所述第一基体本体(2)和所述第一基体本体(2)上的第一接线端(8)接入所述电路部分，所述第二电容(C2)的第四平行板阵列(15)通过所述第三基体本体(4)和所述第三基体本体(4)上的第三接线端(10)接入所述电路部分，所述第一电容(C1)的第一平行板阵列(12)和所述第二电容(C2)的第三平行板阵列(14)分别通过所述探针(1)、所述第二柔性铰链(7)、所述第二基体本体(3)和所述第二基体本体(3)上的第二接线端(9)接入所述电路部分。
3.根据权利要求2所述的一种基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器，其特征在于，所述电荷积分器(Ⅱ)包括可调电容；所述放大器(Ⅴ)具有附加增益。
4.根据权利要求1所述的一种基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器，其特征在于，所述第一电容(C1)和所述第二电容(C2)的电容板的对数相同，均具有50～
200对平行板单体。
5.根据权利要求1所述的一种基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器，其特征在于，所述第一电容(C1)的第一平行板阵列(12)和第二平行板阵列(13)，以及所述第二电容(C2)的第三平行板阵列(14)和第四平行板阵列(15)的尺寸均为：宽度5μm，长度
525μm，厚度50μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器，其特征在于，所述第一柔性铰链(6)和所述第二柔性铰链(7)的尺寸均为：宽度8μm，长度
550μm，厚度50μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器，其特征在于，所述第一基体本体(2)、第二基体本体(3)、第三基体本体(4)、探针(1)、第二柔性铰链(7)、第一电容(C1)和第二电容(C2)均采用硅片制成。

说明书全文

基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量 传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及微力测量传感器，特别涉及一种基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器。

背景技术

[0002] 能够测量微牛/纳牛尺度的微力测量传感器被广泛应用于各种领域，包括力学生物学，材料科学，微型机器人学以及生命科学等。现有的微力测量传感器都是为特定的力范围设计的，只能用于特定范围的微力测量。

发明内容

[0003] 本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器，采用微电子机械系统和梳状电容结构，能够实现单方向微力的范围较广的高精度测量。本发明电容式微力测量传感器的量程调节范围为由±20μN至±200μN，测量误差小于30nN。

[0004] 本发明所采用的技术方案是：一种基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器，包括设置于PCB板上的传感器本体，所述传感器本体包括：

[0005] 固结基体，所述固结基体呈“口”字形，包括位于左侧的第一基体本体、位于下侧的第二基体本体、位于右侧的第三基体本体和位于上侧的第四基体本体，所述第一基体本体、所述第二基体本体、所述第三基体本体和所述第四基体本体均固定在所述PCB板上，并且，彼此之间不相连接；

[0006] 探针，所述探针的端部穿过所述第四基体本体的中心伸入至所述固结基体内；

[0007] 第一柔性铰链，所述第一柔性铰链设置有一对，分别设置在所述探针的左右两侧并位于所述探针的上部，所述第一柔性铰链的一端固定在所述探针上、所述第一柔性铰链的另一端固定在所述第四基体本体上；

[0008] 第二柔性铰链，所述第二柔性铰链设置有一对，分别设置在所述探针的左右两侧并位于所述探针的下部，所述第二柔性铰链的一端固定在所述探针上、所述第二柔性铰链的另一端固定在所述第二基体本体上；

[0009] 第一电容，所述第一电容由第一平行板阵列和第二平行板阵列组成，所述第一平行板阵列固结在所述探针上，所述第二平行板阵列固结在所述第一基体本体上；所述第一平行板阵列的平行板单体和所述第二平行板阵列的平行板单体相互交错排布，并且，所述第一平行板阵列中由上至下的第一个平行板单体位于所述第二平行板阵列中由上至下的第一个平行板单体的上方；以及，

[0010] 第二电容，所述第二电容由第三平行板阵列和第四平行板阵列组成，所述第三平行板阵列固结在所述探针上，所述第四平行板阵列固结在所述第三基体本体上；所述第三平行板阵列的平行板单体和所述第四平行板阵列的平行板单体相互交错排布，并且，所述第三平行板阵列中由上至下的第一个平行板单体位于所述第四平行板阵列中由上至下的第一个平行板单体的下方。

[0011] 进一步地，电容式微力测量传感器还包括置于所述PCB板上的电路部分，所述电路部分包括依次连接的电荷积分器、采样单元、二阶低通滤波器和放大器，所述第二基体本体上所设置的第二接线端连接在所述电荷积分器的输入端，两个相位差为180°的周期性激励电压分别施加在所述第一基体本体上所设置的第一接线端和所述第三基体本体上所设置的第三接线端上；所述第一电容的第二平行板阵列通过所述第一基体本体和所述第一基体本体上的第一接线端接入所述电路部分，所述第二电容的第四平行板阵列通过所述第三基体本体和所述第三基体本体上的第三接线端接入所述电路部分，所述第一电容的第一平行板阵列和所述第二电容的第三平行板阵列分别通过所述探针、所述第二柔性铰链、所述第二基体本体和所述第二基体本体上的第二接线端接入所述电路部分。

[0012] 其中，所述电荷积分器包括可调电容；所述放大器具有附加增益。

[0013] 进一步地，所述第一电容和所述第二电容的电容板的对数相同，均具有50～200对平行板单体。

[0014] 进一步地，所述第一电容的第一平行板阵列和第二平行板阵列，以及所述第二电容的第三平行板阵列和第四平行板阵列的尺寸均为：宽度5μm，长度525μm，厚度50μm。

[0015] 进一步地，所述第一柔性铰链和所述第二柔性铰链的尺寸均为：宽度8μm，长度550μm，厚度50μm。

[0016] 进一步地，所述第一基体本体、第二基体本体、第三基体本体、探针、第二柔性铰链、第一电容和第二电容均采用硅片制成。

[0017] 本发明的有益效果是：

[0018] 采用微电子机械系统和梳状电容结构，能够实现单方向的范围较广的高精度微力测量。本发明基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器的量程调节范围为由±20μN至±200μN，测量误差小于30nN。

[0019] 本发明基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器采用微电子机械系统(MEMS)技术，尺寸小，结构紧凑，易于集成到现有的实验装置中。本发明基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器采用梳状电容结构(附图中的C1，C2)，电容板的对数为50～200，使得电容值对间距变化十分灵敏，提高了传感器的灵敏度。

[0020] 本发明基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器采用四个对称布置的柔性铰链(附图中的6，7)，形成了两个平行四边形机构，能够保证传感器的探针沿X方向运动。

[0021] 本发明基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器的电路部分可以把位移量转化为电压信号，由五部分组成，分别为带有可调电容C1，C2以及两个相位差为180°的周期性激励电压的输入部分，带有一个可调电容Cint的电荷积分器，一个采样单元，一个二阶低通滤波器和一个具有附加增益G的放大器部分。

附图说明

[0022] 图1为本发明的工作原理图；

[0023] 图2为本发明的结构明细图；

[0024] 图3为本发明的传感器本体的前视图；

[0025] 图4为图3中的A局部放大图；

[0026] 图5为本发明的传感器本体的侧视图；

[0027] 图6为本发明的传感器本体的俯视图；

[0028] 图7为本发明的传感器本体的前面立体图；

[0029] 图8为本发明的传感器本体的后面立体图；

[0030] 图9为本发明的电路部分原理图。

[0031] 附图标注：1、探针，2、第一基体本体，3、第二基体本体，4、第三基体本体，5、第四基体本体，6、第一柔性铰链，7、第二柔性铰链，8、第一接线端，9、第二接线端，10、第三接线端，11、PCB板，12、第一平行板阵列，13、第二平行板阵列，14、第三平行板阵列，15、第四平行板阵列；

[0032] C1、第一电容，C2、第二电容，Ⅰ、输入部分，Ⅱ、电荷积分器，Ⅲ、采样单元，Ⅳ、二阶低通滤波器，Ⅴ、放大器。

具体实施方式

[0033] 为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

[0034] 如附图1至图9所示，一种基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器，包括设置于PCB板11上的传感器本体和电路部分。

[0035] (一)传感器本体

[0036] 所述传感器本体包括固结基体，探针1，第一柔性铰链6，第二柔性铰链7，第一电容C1和第二电容C2。所述固结基体呈“口”字形，包括位于左侧的第一基体本体2、位于下侧呈“U”型的第二基体本体3、位于右侧的第三基体本体4和位于上侧呈倒“U”型的第四基体本体5，所述第一基体本体2、所述第二基体本体3、所述第三基体本体4和所述第四基体本体5均通过焊接固定在所述PCB板11上，并且，彼此之间不相连接；所述第一基体本体2上设置有第一接线端8，所述第二基体本体3上设置有第二接线端9、所述第三基体本体4上设置有第三接线端10，所述第一接线端8、第二接线端9和第三接线端10连接在所述PCB板11的电路部分的相应位置。所述探针1的端部穿过所述第四基体本体5的中心伸入至所述固结基体内。所述第一柔性铰链6设置有一对，分别设置在所述探针1的左右两侧并位于所述探针1的上部，所述第一柔性铰链6的一端固定在所述探针1上、所述第一柔性铰链6的另一端固定在所述第四基体本体5上；所述第二柔性铰链7设置有一对，分别设置在所述探针1的左右两侧并位于所述探针1的下部，所述第二柔性铰链7的一端固定在所述探针1上、所述第二柔性铰链7的另一端固定在所述第二基体本体3上；所述第一柔性铰链6和所述第二柔性铰链7的尺寸均为：宽度8μm，长度550μm，厚度50μm。所述第一电容C1由第一平行板阵列12和第二平行板阵列13组成，所述第一平行板阵列12固结在所述探针1上，所述第二平行板阵列13固结在所述第一基体本体2上；所述第一平行板阵列12的平行板单体和所述第二平行板阵列13的平行板单体相互交错排布，并且，所述第一平行板阵列12中由上至下的第一个平行板单体位于所述第二平行板阵列13中由上至下的第一个平行板单体的上方。所述第二电容C2由第三平行板阵列14和第四平行板阵列15组成，所述第三平行板阵列14固结在所述探针1上，所述第四平行板阵列15固结在所述第三基体本体4上；所述第三平行板阵列14的平行板单体和所述第四平行板阵列15的平行板单体相互交错排布，并且，所述第三平行板阵列14中由上至下的第一个平行板单体位于所述第四平行板阵列15中由上至下的第一个平行板单体的下方。所述第一电容C1和所述第二电容C2的电容板的对数相同，均具有50～200对平行板单体；所述第一电容C1的第一平行板阵列12和第二平行板阵列13，以及所述第二电容C2的第三平行板阵列14和第四平行板阵列15的尺寸均为：宽度5μm，长度525μm，厚度50μm。

[0037] 其中，所述第一基体本体2、第二基体本体3、第三基体本体4、第四基体本体5、探针1、第一柔性铰链6、第二柔性铰链7、第一电容C1和第二电容C2均采用硅片制成，均可导电。

[0038] 所述传感器本体的工作原理为：如图1所示，电容式微力测量传感器的工作时，沿X方向的力作用在所述探针1的尖端，使得所述第一柔性铰链6和第二柔性铰链7产生变形，从而使所述探针1产生微小位移，从而改变第一电容C1的平行板阵列和第二电容C2的平行板阵列之间的间距，其中第一电容C1的平行板阵列之间的间距减小，而第二电容C2的平行板阵列之间的间距增大，使得电容变化值与间距变化值成近似线性关系。同理，当作用在所述探针1尖端的力沿-X方向时，第一电容C1的平行板阵列之间的间距增大，而第二电容C2的平行板阵列之间的间距减小。电容式微力测量传感器的探针1位移等于电容间距的变化值，所述电容式微力测量传感器的电路部分可以把电容变化量转换为电压值，该电压显示值与探针1位移成近似线性关系，可写成：

[0039] Vout∝(C1-C2)∝△d (1)

[0040] 其中，Vout为电压显示值，C1为第一电容C1的电容值，C2为第二电容C2的电容值，△d为探针1的位移。

[0041] 所述第一柔性铰链6和第二柔性铰链7的形变十分微小，柔性铰链在小弹性变形范围内，可以通过计算得到其刚度值k。作用在电容式微力测量传感器的探针1尖端的X方向的力与探针1位移成线性关系：

[0042] F＝k△d∝Vout (2)

[0043] 式中，F为作用在所述探针1尖端的X方向的力，k为所述第一柔性铰链6和第二柔性铰链7的并联刚度值。

[0044] 通过对电容式微力测量传感器进行标定实验和理论计算，可以确定力与电压显示值之间的线性关系系数，在电容式微力测量传感器的应用中，可以由电压显示值得到作用在其探针1尖端的X方向的力值。通过调节电路参数，可以改变力与电压显示值之间的线性关系系数，从而改变电容式微力测量传感器的量程。

[0045] (二)电路部分

[0046] 所述电路部分为所述PCB板11上的集成电路。如图9所示，所述电路部分包括依次连接的五部分组成：输入部分Ⅰ、电荷积分器Ⅱ、采样单元Ⅲ、二阶低通滤波器Ⅳ和放大器Ⅴ。所述第二基体本体3上所设置的第二接线端9连接在所述电荷积分器Ⅱ的输入端，两个相位差为180°的周期性激励电压(如图9中的Vs和-Vs所示)分别施加在所述第一基体本体2上所设置的第一接线端8和所述第三基体本体4上所设置的第三接线端10上；所述第一电容C1的第二平行板阵列13通过所述第一基体本体2和所述第一基体本体2上的第一接线端8接入所述电路部分，所述第二电容C2的第四平行板阵列15通过所述第三基体本体4和所述第三基体本体4上的第三接线端10接入所述电路部分，所述第一电容C1的第一平行板阵列12和所述第二电容C2的第三平行板阵列14分别通过所述探针1、所述第二柔性铰链7、所述第二基体本体3和所述第二基体本体3上的第二接线端9接入所述电路部分。所述第一电容C1、所述第二电容C2和分别施加到所述第一电容C1、所述第二电容C2上的两个相位差为180°的周期性励磁电压组成了所述电路部分的输入部分Ⅰ，输入所述探针1的位移可以改变所述第一电容C1和所述第二电容C2的两个平行板阵列之间的间距，从而改变所述第一电容C1和所述第二电容C2的电容值，输入部分Ⅰ的输出由所述第一电容C1和所述第二电容C2的电容值决定。所述电荷积分器Ⅱ中包含一个可调电容。所述二阶低通滤波器Ⅳ的截止频率设置为5kHz。所述放大器Ⅴ具有可由串行接口设置的附加增益。

[0047] 本发明电容式微力测量传感器被设计为测量正负力，所有内部运算放大器和输出电压均调整到0～4V范围的中点，外力导致的最大电压变化为±2V。所有设置都存储在集成的EEPROM单元中。使用Labview 软件和数据采集卡实现串行接口和模拟电压读数。通过改变所述电荷积分器Ⅱ的可调电容和所述放大器Ⅴ的附加增益的值，可以调节电容式微力测量传感器的灵敏度改变其量程，从而适应应用中不同范围的微力，有以下关系：

[0048]

[0049] 式中，Vout为电压显示值，G为放大器Ⅴ的附加增益值，C1为第一电容C1的电容值，C2为第二电容C2的电容值，Cint为电荷积分器Ⅱ的可调电容的电容值。

[0050] 根据公式(2)和公式(3)可知：

[0051]

[0052] 综上，本发明一种基于微电子机械系统的可调量程的电容式微力测量传感器，能够实现单方向的范围较广的高精度微力测量。本发明的机械部分采用微电子机械系统和梳状电容结构，两个梳状电容的电容对数为50～200，具有很高的位移灵敏度。本发明的电路部分可以把位移量转化为电压信号，通过改变电路参数，可以调节传感器的灵敏度从而改变其量程以测量不同范围的微力。本发明的量程调节范围为由±20μN至±200μN，测量误差小于30nN。

[0053] 尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

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