[发明专利]一种测多维力的压电石英晶组及制作方法

说明书

技术领域

本发明属于压电式传感器领域，特别涉及在多维力作用下，基于压电石英晶片面域电荷分布规律制作测量多维力的压电石英晶组

背景技术

在传统的多维力测量领域中，典型的有以下两种：

A基于应变片的应变式多维力测量装置

应变式传感器是利用特定材料在变形过程中所发生的物性变化如电阻等为基础制成的，具有质量轻、响应快、体积较小等优势。由于应变片具有结构简单、布片灵活、灵敏度高、稳定性好等特点，基于应变片的各类传感器得到了广泛的应用。由于它必须具有一定的形变，通常是几十到两万微应变，敏感材料才能产生物性效应，所以应变式传感器一般刚度较低，一般用于模型的静态测力。

B基于压电效应的多维压电式测试系统

传统的压电式多维力测试系统通常以四组压电式三分力传感器或六组压电式单向力传感器采取一定空间布置的方法来实现。其优点是：高刚度、高固有频率、高灵敏度、稳定性优良。目前已在轨/姿控火箭发动机脉冲推力矢量测量和高频脉冲推力测量等领域应用。由于目前的压电式三分力或压电式单向力传感器均是基于压电石英晶体纵向效应和横向效应制成的，采用X0切型或Y0切型的石英晶片整体电荷输出，造成多维力测量时传感器布置的空间尺寸大，在很多重要工程的重要项目中限制了其应用范围的拓展。多维压电式测试系统的核心是压电式传感器，而压电石英晶组又是压电式传感器的核心。

发明内容

本发明要解决的技术难题是改变传统的多维压电式测试系统尺寸过大，某些场合无法应用的难题，发明一种具备多维力测量功能的测多维力的压电石英晶组及制作工艺。压电石英晶组利用X0切型的石英晶片在法向力、除法向转矩外的另外两个转矩的作用下产生耦合感生电荷的方法，采用多电极布置多区域电荷输出叠加的解耦方法，实现该三个力或力矩测量；同样，利用Y0切型的石英晶片可实现两个切向力和法向转矩的测量。该种方法有效减小了多维力测量压电式测试系统的尺寸，极大拓宽了压电式多维力测试系统的应用范围。有效减小多维压电式测试系统的尺寸，应用于需要多维力动态测量而对尺寸有限制的场合，在机械加工、航空航天、国防军工等领域有较多的应用。

本发明所采用的技术方案是：一种测多维力的压电石英晶组，其特征是，压电石英晶组由X0切型的石英单元晶组3、第一个Y0切型的石英单元晶组1、第二个Y0切型的石英单元晶组2以及第一、第二两片接地电极4构成；其中，X0切型的石英单元晶组3由X0切型的第一、第二石英晶片5₁、5₂和四片相同形状的X0引出电极6组成；第一个Y0切型的石英单元晶组1由Y0切型的第一、第二石英晶片7₁、7₂和一片Y0整体引出电极8组成；第二个Y0切型的石英单元晶组2由Y0切型的第三、第四石英晶片7₃、7₄和两片形状相同的Y0引出电极9组成。

一种测多维力的压电石英晶组的制作方法，其特征是，压电石英晶组利用两片X0切型的石英晶片在法向力、除法向转矩外的另外两个转矩的作用下产生耦合感生电荷的方法，采用多电极布置、多区域电荷输出叠加的解耦方法，实现该三个力或力矩的测量；再利用四片Y0切型的石英晶片实现两个切向力和法向转矩的测量，六片石英晶片的规格尺寸完全相同，并都具有相同的石英晶片大倒角A；采用特定的设备，先将六片石英晶片的电荷灵敏度方向和电荷输出为“-”的面做标记；

1)制作X0切型的石英单元晶组3

以X0切型的第一石英晶片5₁输出电荷为“-”的一面为基准，并将输出电荷为“-”的一面向上，把四片相同形状的X0引出电极6两面涂导电胶后，均匀地布置在第一石英晶片5₁输出电荷为“-”的一面上，再将X0切型的第二石英晶片5₂输出电荷为“-”的一面向下，按照石英晶片的大倒角A为基准对齐，X0切型的第一、第二石英晶片5₁、5₂两片对装，组成X0切型的石英单元晶组3后，置于特制的设备中预压至胶干；

2)制作第一个Y0切型的石英单元晶组1