一种基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器

摘要

本发明公开了一种基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器，石英圆环谐振器正下方连接有探针，探针正下方设置有压力膜，石英圆环谐振器的水平直径方向上设置有电极，电极包括相互连通在外环表面的第一电极与第四电极，相互连通在内环表面的第二电极与第三电极；控制电路用于控制激振电路、驱动电路输出控制信号，激振电路分别通过引线连接第一电极与第四电极以及第二电极与第三电极；压电陶瓷驱动器的输出端连接于在石英圆环谐振器顶部中心位置，压电陶瓷驱动器与探针相对于石英圆环谐振器中心呈对称安装；压电陶瓷驱动器的驱动端通过引线连接驱动电路。本发明利用原子力检测压力膜的表面形变，具有纳米级别的分辨率。

权利要求

1.一种基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器，其特征在于，沿竖直方向设置有压力膜（8）、探针（14）、石英圆环谐振器（7）、压电陶瓷驱动器（3）、控制系统（15）；

所述石英圆环谐振器（7）正下方连接有探针（14），所述探针（14）正下方设置有压力膜（8），所述石英圆环谐振器（7）的水平直径方向上设置有电极（6），所述电极（6）具体包括相互连通在外环表面的第一电极（601）与第四电极（604），相互连通在内环表面的第二电极（602）与第三电极（603）；所述控制系统（15）至少包括控制电路（16）、激振电路（17）和驱动电路（19），所述控制电路（16）用于控制激振电路（17）、驱动电路（19）输出控制信号，所述激振电路（17）分别通过引线连接第一电极（601）与第四电极（604）以及第二电极（602）与第三电极（603），在激振电路（17）的作用下产生水平径向的交变电场；所述压电陶瓷驱动器（3）的输出端连接于在石英圆环谐振器（7）顶部中心位置，压电陶瓷驱动器（3）与探针（14）相对于石英圆环谐振器（7）中心呈对称安装；所述压电陶瓷驱动器（3）的驱动端通过引线连接驱动电路（19）。

2.根据权利要求1所述的基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器，其特征在于，还包括输入端口（18），所述输入端口（18）安装于控制系统上，用于连接显示器以及输入、输出设备。

3.根据权利要求1所述的基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器，其特征在于，所述压力膜（8）的材料为单晶硅，压力膜（8）通过湿法腐蚀工艺制得。

4.根据权利要求1所述的基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器，其特征在于，所述探针（14）的材质为钨，探针（14）粘连在石英圆环谐振器（7）的底端。

5.根据权利要求1所述的基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器，其特征在于，所述电极（6）材料为Cr/Au层。

6.根据权利要求1所述的基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器，其特征在于，还包括法兰盘（9）、待测压力输入端（10）、压力舱（11），所述待测压力输入端（10）结构为空心的外螺纹通孔，所述外螺纹通孔通过法兰盘（9）与压力舱（11）一端连接，压力舱（11）另一端连接压力膜（8）底部。

7.根据权利要求1所述的基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器，其特征在于，还包括预紧螺母（1）、石英板（2）、预紧装置（4）以及移动端（5），所述移动端（5）上开一个定位槽，石英圆环谐振器（7）顶端嵌入定位槽内，并通过胶粘合；所述移动端（5）上方依次安装压电陶瓷驱动器（3）以及石英板（2），所述预紧装置（4）内部设有一定的空腔用于包裹移动端（5）、压电陶瓷驱动器（3）以及石英板（2），所述预紧装置（4）上端设有与预紧螺母（1）外螺纹相互契合的通孔，通孔左右两端接触石英板（2）的上部。

8.根据权利要求6所述的基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器，其特征在于，还包括内置空腔的外壳（20）以及相匹配的底座（12），所述底座（12）粘接于外壳（20）的下部，所述底座（12）的中间部位设有通孔，通孔上端周围设有定位槽，所述压力舱（11）安装于通孔中并与之相匹配，压力舱（11）、压力膜（8）之间通过硅胶粘连在定位槽中，压力舱（11）与底座接触的下部依次紧密安装法兰盘（9）、外螺纹通孔；所述控制系统（15）安装于外壳（20）的内侧壁上，输入端口（18）与控制系统（15）连接并安装于外壳（20）的外侧壁上；所述外壳（20）上端设有与预紧装置（4）相匹配的通孔，预紧装置（4）通过通孔固定于外壳（20）内。

9.根据权利要求8所述的基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器，其特征在于，所述外壳（20）和底座（12）的材料均为不锈钢。

说明书

一种基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种测量微弱压力的压力传感器，特别涉及一种基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器。

背景技术

[0002] 压力传感器是人们日常生活和工业实践中常见的一种传感器。压力传感器就是一种把待测压力（非电量）转变成电信号的器件。目前市场上常见的压力传感器有电阻应变式
压力传感器、压阻式压力传感器及电容式压力传感器等。

[0003] 电阻应变式压力传感器，利用压力改变电阻应变片的电阻值变化来测量压力，另外，由于电阻的自发热，会产生零点漂移。压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应构成
的，需要在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，当受到待测压力作用时，单晶硅产生应
变，扩散在上面的应变电阻发生变化，再由桥式电路获相应的电压输出信号，其受温度的影
响大。电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将待测压力转换成与之成一定关系的电
量输出的压力传感器。环境温度、湿度会引起介质的介电常数或极板的几何尺寸、相对位置
发生变化，从而影响其稳定性。同时，寄生电容的存在对测量准确度有极大影响。

[0004] 据此，目前急需一种具有低温度敏感性、灵敏度及分辨率高、热稳定性及抗干扰能力强的基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有低温度敏感性、灵敏度及分辨率高、热稳定性及抗干扰能力强的基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器。

[0006] 本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

[0007] 一种基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器，沿竖直方向设置有压力膜、探针、石英圆环谐振器、压电陶瓷驱动器、控制系统；

[0008] 所述石英圆环谐振器正下方连接有探针，所述探针正下方设置有压力膜，所述石英圆环谐振器的水平直径方向上设置有电极，所述电极具体包括相互连通在外环表面的第
一电极与第四电极，相互连通在内环表面的第二电极与第三电极；所述控制系统至少包括
控制电路、激振电路和驱动电路，所述控制电路用于控制激振电路、驱动电路输出控制信
号，所述激振电路分别通过引线连接第一电极与第四电极以及第二电极与第三电极，在激
振电路的作用下产生水平径向的交变电场；所述压电陶瓷驱动器的输出端连接于在石英圆
环谐振器顶部中心位置，压电陶瓷驱动器与探针相对于石英圆环谐振器中心呈对称安装；
所述压电陶瓷驱动器的驱动端通过引线连接驱动电路。

[0009] 作为本发明的优选方式之一，还包括输入端口，所述输入端口安装于控制系统上，用于连接显示器以及输入、输出设备。

[0010] 作为本发明的优选方式之一，所述压力膜的材料为单晶硅，压力膜通过湿法腐蚀工艺制得。

[0011] 作为本发明的优选方式之一，所述探针的材质为钨，探针粘连在石英圆环谐振器的底端。

[0012] 作为本发明的优选方式之一，所述电极材料为Cr/Au层。

[0013] 作为本发明的优选方式之一，还包括法兰盘、待测压力输入端、压力舱，所述待测压力输入端结构为空心的外螺纹通孔，所述外螺纹通孔通过法兰盘与压力舱一端连接，压
力舱另一端连接压力膜底部。

[0014] 作为本发明的优选方式之一，还包括预紧螺母、石英板、预紧装置以及移动端，所述移动端上开一个定位槽，石英圆环谐振器顶端嵌入定位槽内，并通过胶粘合；所述移动端
上方依次安装压电陶瓷驱动器以及石英板，所述预紧装置内部设有一定的空腔用于包裹移
动端、压电陶瓷驱动器以及石英板，所述预紧装置上端设有与预紧螺母外螺纹相互契合的
通孔，通孔左右两端接触石英板的上部。

[0015] 作为本发明的优选方式之一，还包括内置空腔的外壳以及相匹配的底座，所述底座粘接于外壳的下部，所述底座的中间部位设有通孔，通孔上端周围设有定位槽，所述压力
舱安装于通孔中并与之相匹配，压力舱、压力膜之间通过硅胶粘连在定位槽中，压力舱与底
座接触的下部依次紧密安装法兰盘、外螺纹通孔；所述控制系统安装于外壳的内侧壁上，输
入端口与控制系统连接并安装于外壳的外侧壁上；所述外壳上端设有与预紧装置相匹配的
通孔，预紧装置通过通孔固定于外壳内。

[0016] 作为本发明的优选方式之一，所述外壳和底座的材料均为不锈钢。

[0017] 本发明相比现有技术的优点在于：在测量原理上，与传统的压力传感器不同，本发明直接检测出压力膜形变，并通过电路转换成电信号输出，避免了温度、振动等环境因素对
集成的转换元件的机电特性产生的干扰。本发明创新地提出了一种新的检测压力的方法，
具有较高的发展前景，超高的分辨率，较强的稳定性和抗干扰能力。

附图说明

[0018] 图1是实施例中的基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器的结构示意图；

[0019] 图2是实施例中的移动端与石英圆环谐振器连接结构示意图；

[0020] 图3是实施例中的石英圆环谐振器电极分布与振动模态示意图；

[0021] 图4是本发明的工作原理示意图。

具体实施方式

[0022] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施
例。

[0023] 实施例1

[0024] 如图1‑3所示，本实施例的一种基于石英圆环谐振器的原子力探针式传感器，沿竖直方向设置有压力膜8、探针14、石英圆环谐振器7、压电陶瓷驱动器3、控制系统15；

[0025] 所述石英圆环谐振器7正下方连接有探针14，所述探针14正下方设置有压力膜8，所述石英圆环谐振器7的水平直径方向上设置有电极6，所述电极6具体包括相互连通在外
环表面的第一电极601与第四电极604，相互连通在内环表面的第二电极602与第三电极
603；所述控制系统15至少包括控制电路16、激振电路17和驱动电路19，所述控制电路16用
于控制激振电路17、驱动电路19输出控制信号，所述激振电路17分别通过引线连接第一电
极601与第四电极604以及第二电极602与第三电极603，在激振电路17的作用下产生水平径
向的交变电场，需要说明的是，当电场频率与石英圆环谐振器7的固有频率相同时发生谐
振，并沿竖直方向的弯曲振动模态振动；

[0026] 所述压电陶瓷驱动器3的输出端连接于在石英圆环谐振器7顶部中心位置，压电陶瓷驱动器3与探针14相对于石英圆环谐振器7中心呈对称安装；所述压电陶瓷驱动器3的驱
动端通过引线连接驱动电路19；需要说明的是，调节驱动电路驱动压电陶瓷驱动器3产生一
定位移量，使压力膜表面与针尖保持合适的作用力，以此达到竖直方向上的平衡。

[0027] 本实施例利用探针检测原子力的原理直接检测压力膜表面的形变，输入能量极小，石英圆环谐振器因采用石英晶体制作，具有天然的压电效应，利用逆压电效应激励其稳
定振动，压电陶瓷驱动器可提供精确的微米级位移，对振动和热应力干扰的抵抗力强。

[0028] 优选的，还包括输入端口18，所述输入端口18安装于控制系统上，用于连接显示器以及输入、输出设备；例如：输入、输出设备可以为键盘、滑动屏等，显示器可以显示传感器
测试结果的压力值；所述压力膜8的材料为单晶硅，压力膜8通过湿法腐蚀工艺制得，所述探
针14的材质为钨，探针14粘连在石英圆环谐振器7的底端，所述电极6材料为Cr/Au层。进一
步的，还包括法兰盘9、待测压力输入端10、压力舱11，所述待测压力输入端10结构为空心的
外螺纹通孔，所述外螺纹通孔通过法兰盘9与压力舱11一端连接，压力舱11另一端连接压力
膜8底部；通过外螺纹通孔可以螺纹固定连接待测压力装置，然后通过通孔、压力舱11接触
压力膜，进行压力测试。

[0029] 进一步的，还包括预紧螺母1、石英板2、预紧装置4以及移动端5，所述移动端5上开一个定位槽，石英圆环谐振器7顶端嵌入定位槽内，并通过胶粘合；所述移动端5上方依次安
装压电陶瓷驱动器3以及石英板2，所述预紧装置4内部设有一定的空腔用于包裹移动端5、
压电陶瓷驱动器3以及石英板2，所述预紧装置4上端设有与预紧螺母1外螺纹相互契合的通
孔，通孔左右两端接触石英板2的上部，需要说明的是， 预紧螺母1与预紧装置4配合实现对
由石英板2、压电陶瓷驱动器3和移动端5组成结构的预紧。

[0030] 实施例2

[0031] 本实施例与实施例1基本相同，主要不同之处在于，还包括内置空腔的外壳20以及相匹配的底座20，所述底座20粘接于外壳20的下部，所述底座20的中间部位设有通孔，通孔
上端周围设有定位槽，所述压力舱11安装于通孔中并与之相匹配，压力舱11、压力膜8之间
通过硅胶粘连在定位槽中，压力舱11与底座接触的下部依次紧密安装法兰盘9、外螺纹通
孔；所述控制系统15安装于外壳20的内侧壁上，输入端口18与控制系统15连接并安装于外
壳20的外侧壁上；所述外壳20上端设有与预紧装置4相匹配的通孔，预紧装置4通过通孔固
定于外壳20内，所述外壳20和底座12的材料均为不锈钢；本实施例将传感器结构、装置化，
本实施例的外壳及底座可以不限于方形、圆柱形、以及其他空腔结构。

[0032] 参见图4：本发明的工作原理是：待测压力P作用在压力膜上，导致压力膜表面中心位置产生偏移量S。探针和压力膜表面间距ΔS（ΔS=S‑S’）发生变化，从而导致探针针尖与
压力膜表面的原子力F发生变化；进一步改变了石英圆环谐振器的谐振特性，石英圆环谐振
器在激振电路的作用下工作。利用石英材料的压电效应检测出石英圆环谐振器表面的电荷
量Q；通过转换电路将电荷量Q转换为检测电压V。至此，将压力膜表面中心位置产生偏移量S
检测并转换成电信号（检测电压V）。

[0033] 将上述电信号当作反馈信号，与触发电压V’比较，得到驱动电压ΔV（ΔV=V‑V’），通过驱动电路驱使压电陶瓷驱动器工作，使石英圆环谐振器做相应的位移量S’，以保持压
力膜表面与针尖保持合适的作用力。

[0034] 根据上述系统在控制电路的作用下，实现了对待测压力P的检测，并转化为电信号输出U，根据电信号输出U与压力之间的线性关系，计算出压力值P。

[0035] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。