專利名稱：用于非接觸靜電探測器的傳感器的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及電氣測量技術(shù)，更具體地說，本發(fā)明涉及用作非接觸靜電電場，靜電電壓或靜電電荷探測裝置的新型改進(jìn)的傳感器或探頭。
非接觸靜電探測器被用于通過和被測量/監(jiān)視的表面，電路或裝置的物理接觸被轉(zhuǎn)移到測量裝置上的電荷將改變或破壞數(shù)據(jù)這樣的應(yīng)用場合。這樣的測量包括例如監(jiān)視復(fù)印機(jī)或其他電子攝影過程中使用的光敏電阻的電壓水平，監(jiān)視在例如在紡織物或塑料薄膜制造工藝中應(yīng)用的電介質(zhì)卷筒的工藝線上的靜電荷的建立，或監(jiān)視半導(dǎo)體制造/處理工藝中電荷堆積通過靜電放電(產(chǎn)生電弧)的結(jié)果成為產(chǎn)品污染源或失效的原因的區(qū)域。
在此以前，進(jìn)行高精度高速度低噪聲的測量所需要的類型的，以及還需小實體尺寸的靜電傳感器/探頭在制造上一直非常昂貴，妨礙了它們在更高數(shù)量更低成本的工藝和/或設(shè)備，諸如低端激光打印機(jī)，復(fù)印機(jī)或多點(diǎn)靜電荷建立監(jiān)視系統(tǒng)中的應(yīng)用。
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的第一個目的是提供一種用于靜電測量的，能夠滿足上述要求同時又有低制造成本的新型改進(jìn)的傳感器/探頭。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有獨(dú)立于傳感器/探頭的質(zhì)量和/或用于將傳感器/探頭置于其相對于試驗表面或區(qū)域的測量位置的夾持/固定結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的電氣性能的傳感器/探頭。
本發(fā)明的另一個目的是提供這樣的傳感器/探頭，其能最大程度地減小或容易地消除噪聲和偏移信號的產(chǎn)生，從而不再需要在傳感器/探頭放大器電路的電氣元件和傳感器/探頭外殼元件之間提供相對大的間隔，從而減小污染物進(jìn)入傳感器/探頭結(jié)構(gòu)內(nèi)部的可能性。
本發(fā)明的另一個目的是提供這樣的傳感器/探頭，其能容易地構(gòu)型成提供各種空間分辨率的性能。
本發(fā)明的另一個目的是提供這樣的傳感器/探頭，其對響應(yīng)的電氣速度被提高到能精確地測量更高頻率的靜電參數(shù)變化。
本發(fā)明的另一個目的是提供這樣的傳感器/探頭，其尺寸更小，結(jié)構(gòu)更簡單，制造更經(jīng)濟(jì)以及工作更可靠。
本發(fā)明為靜電探測器提供的傳感器包括一個以懸臂梁的形式支承在一端的機(jī)械節(jié)點(diǎn)上的延長的振動元件，一個在靠近另一端的該振動元件上，適合于被設(shè)置成朝向被測量的電荷，電場或電勢的靈敏電極，以及一個在振動元件上用于在改變該電極和被測量的電荷、電場或電勢之間的電容耦合的方向上振動該元件的驅(qū)動變換器。驅(qū)動裝置在沿該懸臂梁的位置并在一個振動頻率下工作，這樣沿該懸臂梁顯示一個虛機(jī)械節(jié)點(diǎn)。這反過來減小了在機(jī)械附著節(jié)點(diǎn)處的振動，因此機(jī)械節(jié)點(diǎn)的剛硬度不會影響工作頻率和/或在懸臂梁自由端處的位移。懸臂梁振動幅度變化，因此在梁的該端的探測器的運(yùn)動幅度獨(dú)立于傳感器/探頭的質(zhì)量和/或用于將傳感器/探頭置于其相對于試驗表面或區(qū)域的測量位置的諸如夾持/固定夾具的質(zhì)量。因此使電氣性能穩(wěn)定，獨(dú)立于所使用的具體夾持/固定結(jié)構(gòu)。一個振動元件上的放大器具有連接到敏感電極的輸入端和適于連接到例如靜電電壓表的讀出/測量裝置的輸出端。根據(jù)本發(fā)明的較佳實施例，振動頻率與驅(qū)動裝置的第二振動節(jié)點(diǎn)相應(yīng)，且驅(qū)動裝置位于懸臂梁上與靠近懸臂梁中部的振動峰位重疊的位置上。
通過閱讀詳盡的敘述以及所包括的附圖，本發(fā)明的上述的和其他的優(yōu)點(diǎn)和性能特征將變得更清楚明了。
附圖簡述

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一個透視圖，其中部分零件被去除；圖2A和2B是說明圖1的傳感器中的懸臂梁的工作的示意圖；圖3是在傳感器中應(yīng)用的調(diào)諧叉系統(tǒng)的示意圖；圖4A，4B和4C是說明圖2A和2B中所顯示類型的懸臂梁的振動模式的曲線圖；圖5是應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的懸臂梁的傳感器的示意圖；圖6是進(jìn)一步說明本發(fā)明的示意圖；圖7是供本發(fā)明的傳感器使用的電路的示意框圖；示范實施例的詳細(xì)描述首先參考圖1，圖中顯示了由標(biāo)記10總體指出的現(xiàn)有技術(shù)的傳感器，其中，具有單懸臂梁形式的振動元件40具有一個連接或集成到基板14上的端部，而自由端提供了用于放大器90和一個靈敏電極50的安裝表面。對于現(xiàn)有技術(shù)傳感器10的更詳盡的敘述，可以參考申請于1988年8月9日，題為“Sensor for Electrostatic Voltmeter”，專利號為4763078的美國專利，該專利的發(fā)明內(nèi)容通過引用而結(jié)合在本文中。
如常規(guī)所知，單懸臂梁在振動中在附接或連接到機(jī)械節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)或在圖1的傳感器的情況下的基板結(jié)構(gòu)的點(diǎn)上會產(chǎn)生不平衡的機(jī)械扭矩。作為對比，在諸如調(diào)諧叉的雙懸臂梁結(jié)構(gòu)中，由每個調(diào)諧叉的叉頭的運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械力可以使其相等和相反，這樣，在叉的公共連接點(diǎn)(支點(diǎn))沒有合機(jī)械扭矩產(chǎn)生。因此，調(diào)諧叉以作為支點(diǎn)處存在的質(zhì)量(或安裝剛強(qiáng)度)的函數(shù)的穩(wěn)定的幅度和頻率工作，而圖1顯示的類型的單懸臂梁因為在基板附接點(diǎn)處的機(jī)械質(zhì)量或機(jī)械剛強(qiáng)度變化而在振動的頻率和幅度上不穩(wěn)定。在為減小傳感器/探頭的尺寸和/或重量的努力中嘗試減小基板結(jié)構(gòu)的物理尺寸時，這種不穩(wěn)定尤其麻煩。
具體地說，當(dāng)探頭的尺寸從專利4763078中顯示和敘述的說明性的尺寸明顯減小時，懸臂梁的自由端的振動幅度可以變得不穩(wěn)定并取決于用于相對于試驗表面/區(qū)域定位該傳感器/探頭的夾具。另外，由于使探頭/傳感器結(jié)構(gòu)以及安裝夾具涉及到懸臂的機(jī)械振動體系的單懸臂梁的不穩(wěn)定性能，產(chǎn)生并向傳感器/探頭結(jié)構(gòu)外發(fā)射不希望的能聽到的振動，引起令人討厭的能聽到的噪聲。通過使用內(nèi)在平衡的調(diào)諧叉代替單懸臂梁，這些機(jī)械上的不希望的效果可以被消除。但是，在使用雙懸臂即調(diào)諧叉時的制造成本令人望而卻步，因為作為基板14的一個被結(jié)合的部分的調(diào)諧叉通過價廉的化學(xué)蝕刻等工藝是難以制造出來的。
圖2A說明了在專利4763078中敘述的圖1中的裝置的單懸臂工作。如圖所示，懸臂梁40A被支承在機(jī)械節(jié)點(diǎn)(N)處的一端，而另一端能自由振動。圖2A顯示了處在非加電即靜止位置中的懸臂梁40A。通過該梁到安裝節(jié)點(diǎn)(N)畫的直線70限定了該靜止位置。在向包括驅(qū)動和反饋壓電陶瓷芯片(未顯示)的振蕩電路通電時，使懸臂梁40A在其基礎(chǔ)諧振頻率上或該頻率附近振蕩(對于在專利4763078的說明性的裝置中顯示的尺寸，該頻率大致為700hz)。
圖2B說明了由梁40B產(chǎn)生的機(jī)械運(yùn)動的限制，該機(jī)械運(yùn)動在該梁的自由端產(chǎn)生振動的運(yùn)動ΔL。應(yīng)該注意，在機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)N上由懸臂梁的運(yùn)動產(chǎn)生的任何扭矩沒有由任何相等而相反的扭矩補(bǔ)償，而這樣的扭矩會由例如如圖3所示的調(diào)諧叉系統(tǒng)74產(chǎn)生。圖3中，扭矩T2由扭矩T3精確地補(bǔ)償。T3有相同的數(shù)量但有相反的方向，因為和T3相關(guān)的叉頭76總是以與和T2相關(guān)的叉頭78有180°的相位進(jìn)行相對運(yùn)動，這正如常規(guī)所知。因此，節(jié)點(diǎn)N1經(jīng)受了相等而相反的扭矩，因此不產(chǎn)生凈扭矩。
在圖2的系統(tǒng)的情況下，單懸臂的工作不受到補(bǔ)償，節(jié)點(diǎn)(N)不是大塊體積的因此不是機(jī)械“剛強(qiáng)”的，節(jié)點(diǎn)(N)將發(fā)生振動并將進(jìn)入機(jī)械平衡，該機(jī)械平衡說明了懸臂在懸臂的自由端有關(guān)工作頻率和運(yùn)動ΔL上的運(yùn)動。因為節(jié)點(diǎn)(N)的剛強(qiáng)度也取決于傳感器/探頭保持夾具的質(zhì)量，自由端以及電極50的振蕩幅度也將取決于夾具的剛強(qiáng)度以及因此而取決于傳感器/探頭的具體應(yīng)用。電極50幅度的任何不穩(wěn)定都將反過來影響由傳感器/探頭探測的靜電數(shù)量的精確度和穩(wěn)定性，尤其在試圖減小傳感器/探頭結(jié)構(gòu)的尺寸和/或重量因此而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)(N)較小的塊狀體積或較小的剛強(qiáng)度時更是如此。
上述內(nèi)容通過考慮薄懸臂梁的動力學(xué)結(jié)構(gòu)而進(jìn)一步說明。任何振動梁都將顯示一組分離的諧振的模式，模式的形狀和頻率取決于所施加的邊界條件的性質(zhì)。在圖4A，4B和4C中，曲線80，82和84描繪了帶有一個夾持端和一個自由端的懸臂梁開頭的三個振動模式(n分別等于1，2，3)的形狀。雖然只有開始的幾個模式可能在本文敘述的類型的裝置中有任何的實際意義，但這些模式在數(shù)目上是無限的。n＝1的模式非常類似于懸臂在端部具有普通負(fù)載的靜態(tài)位移。n＝2的模式有單拐點(diǎn)和零交點(diǎn)，n＝3的模式有兩個拐點(diǎn)和零交點(diǎn)。相繼的更高的模式的特征是有更多的拐點(diǎn)和零交點(diǎn)。
模式的諧振頻率有規(guī)定的互相相關(guān)的比例。對于一個有理想的夾持的梁，其在固定端被賦予零運(yùn)動和零斜度的條件，該比例是f1∶f2∶f3∶…＝1∶6.2∶17.5∶…因此，第一諧振在f1＝400Hz，則f2＝2.48kHz，f3＝7.0kHz，等等。在一個金屬梁中，機(jī)械損耗低，因此模式的品質(zhì)因子高，即Q1，Q2，Q3＞50。這樣，諧振可被認(rèn)為被很好地隔離。
在任何實際方法中理想的夾持是不可能的，即圖1中顯示類型的可制造的探頭也是不需要的。圖1顯示結(jié)構(gòu)的諧振模式被發(fā)現(xiàn)具有非常相似于圖4A，4B，4C顯示的“理想夾持”情況的形狀；但是，諧振頻率的比多少發(fā)生變化f1∶f2∶f3∶…＝1∶8∶22∶…另一個觀察到的現(xiàn)象是，只要片體被可靠地焊接到其外殼上，這些被很好隔離的諧振的振動損耗仍然是低的，即Q＞50。
對于模式的不同的形狀指出，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置壓電促動器，一種模式能選擇性地并且優(yōu)化地激發(fā)出一個給定的模式。同樣，為了用可獲得的最大靈敏度探測給定模式的存在，壓電元件的位置可以被優(yōu)化。壓電變換器將AC電氣激勵轉(zhuǎn)換成機(jī)械形變。當(dāng)一個這種元件被剛性地附接到懸臂梁，該元件在側(cè)向尺度上由電壓誘發(fā)的變化-沿懸臂梁的表面-誘發(fā)了一個引起該梁偏斜的切變。這樣，如根據(jù)本發(fā)明所確定的，用于激勵(也是用于探測)任何模式的最佳位置在被偏斜的梁的曲率最大的點(diǎn)上。該關(guān)于最佳變換器位置的簡單的前提已經(jīng)在懸臂梁的n＝1，2和3的模式中受到檢驗。
圖5說明了本發(fā)明的傳感器的懸臂梁100的工作。如圖所示，懸臂梁(100)支承在機(jī)械節(jié)點(diǎn)(N)，該點(diǎn)也用102指示，而另一端104可自由振動。振蕩器電路以及驅(qū)動器106和反饋壓電陶瓷芯片108沿懸臂梁100的設(shè)置和專利4763078的傳感器中的振蕩器和芯片設(shè)置不同，如將在本文中解釋的那樣。在本發(fā)明中，當(dāng)電源被施加到振蕩器電路和壓電芯片106，108時，懸臂梁100在使一個以(NS)做標(biāo)記的也用110指示的虛機(jī)械節(jié)點(diǎn)沿該懸臂梁出現(xiàn)的頻率上振動。當(dāng)懸臂100在高于其基礎(chǔ)頻率的頻率上工作時由于虛機(jī)械節(jié)點(diǎn)(NS)出現(xiàn)，就可以在機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)(N3)產(chǎn)生基本補(bǔ)償?shù)呐ぞ?，因此在?jié)點(diǎn)(N3)上基本沒有施加凈扭矩。
如圖5所示，如由以實線和虛線的位置所說明的振動的限制所限定的懸臂梁100的振動在梁的一端104產(chǎn)生一個ΔLB的振動。當(dāng)虛節(jié)點(diǎn)(NS)在振蕩的振動周期上保持靜止時，懸臂梁在節(jié)點(diǎn)(N3)和(NS)之間的部分在所有時間里都在和該梁在節(jié)點(diǎn)(NS)和自由端104之間的部分的運(yùn)動方向相反的方向上運(yùn)動。圖5中圖示顯示了基本補(bǔ)償?shù)呐ぞ氐漠a(chǎn)生。在圖5中，由在距節(jié)點(diǎn)N3的距離為D4處施加的力F4產(chǎn)生的扭矩T4被由在距節(jié)點(diǎn)N3的距離為D5處施加的力F5產(chǎn)生的扭矩T5基本補(bǔ)償。距離D4從節(jié)點(diǎn)N3測量到梁100的質(zhì)量中心，距離D5從節(jié)點(diǎn)N3測量到位于節(jié)點(diǎn)(NS)和端點(diǎn)104之間的質(zhì)量的折回中心。
當(dāng)基本補(bǔ)償?shù)呐ぞ豑5產(chǎn)生時，基本沒有凈扭矩施加到節(jié)點(diǎn)N3。因為基本沒有凈扭矩施加到節(jié)點(diǎn)N3，節(jié)點(diǎn)N3不能振動，因此其剛強(qiáng)度不會明顯地影響懸臂梁100的工作頻率和/或懸臂100的端點(diǎn)104處的位移ΔLB。因此，當(dāng)懸臂梁在產(chǎn)生虛機(jī)械節(jié)點(diǎn)，或在沿懸臂梁的適當(dāng)位置產(chǎn)生多虛機(jī)械節(jié)點(diǎn)的頻率上工作時，可以使單懸臂梁100相似于調(diào)諧叉的情況一樣好象其安裝節(jié)點(diǎn)受到扭矩補(bǔ)償?shù)鼗顒印Ｒ驗槠浒惭b節(jié)點(diǎn)扭矩基本被補(bǔ)償，因此使有振動幅度ΔLB的變化，因而有在梁端點(diǎn)的探測器的運(yùn)動幅度獨(dú)立于傳感器/探頭的質(zhì)量和/或用于將傳感器/探頭置于其相對于試驗表面或區(qū)域的測量位置的夾持/固定夾具的質(zhì)量。因此電氣性能得到穩(wěn)定，使其獨(dú)立于所應(yīng)用的具體夾持/固定裝置，這是本發(fā)明的一個目的。
考慮到懸臂梁100的第二(n＝2)振動模式的應(yīng)用，驅(qū)動變換器106被定位成使其重疊靠近中間的峰，懸臂梁100的機(jī)械響應(yīng)將達(dá)到最大，因為當(dāng)偏移時其曲率在該點(diǎn)最大。被用來探測運(yùn)動和提供信號以關(guān)閉反饋環(huán)的反饋壓電變換器108被定位于相當(dāng)靠近夾持點(diǎn)112。被設(shè)置在另一個曲率大的位置，該元件被發(fā)現(xiàn)探測全部適當(dāng)?shù)男盘?。作為非接觸ESV設(shè)備的中心的電容性的電極114被附接到非常靠近懸臂梁100的端點(diǎn)104的地方，在該處運(yùn)動的幅度最大。
使用懸臂梁中的高階模式改善了和在梁及其安裝之間的振動隔離相關(guān)的嚴(yán)重問題。為了理解該改進(jìn)是怎樣實現(xiàn)的，可以對圖4A和4B中的第一和第二模式的振動模式的形狀進(jìn)行比較。對于n＝1的模式，懸臂梁每個周期的一半全部在平衡位置的上面，該周期的另一半全部在平衡位置的下面。結(jié)果，最大的扭矩通過該梁被通到外殼。因為實際上沒有足夠結(jié)實的外殼或支架足以能夠防止該情況出現(xiàn)，該扭矩通常導(dǎo)致支架的共振，且探頭被附接到其上的部件。另一方面，對于n＝2的模式，偏轉(zhuǎn)總是將平衡位置一分為二，從而在梁的外部和內(nèi)部之間提供了某個平衡度。當(dāng)模式號碼n上升時該自動平衡度增加。由于實際上的其他限制因素，超過第二(n＝2)的模式是否能被利用還不能被論證。還有，從振動隔離的觀點(diǎn)看，更高的模式更好。
使用更高階模式的另一個優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)探頭在諸如靜電印刷復(fù)印/打印機(jī)等重要的應(yīng)用中被用于測量靜電表面電勢時，對探頭的更高的工作頻率改進(jìn)了支持電子元件的剛強(qiáng)度，同時也提高了可獲得的取樣率。該后一個特征將明顯提高對可能是最重要的目前范圍內(nèi)的新型的低成本彩色復(fù)印打印機(jī)(三原色+黑色)的靜電印刷過程的控制能力。如果目前在彩色機(jī)器中的復(fù)印速度接近黑白的復(fù)印速度，更高的速度以及提高感光器電荷的空間分辨率將是最重要的。提高空間分辨率對于獲得彩色技術(shù)的更限制性的套準(zhǔn)要求是決定性的。
考慮下述的實例來說明這樣的改進(jìn)。一個非接觸靜電電壓計(ESV)中的1cm懸臂梁的第二模式將工作頻率從約400Hz轉(zhuǎn)換到約2400Hz。這種六倍的增加極大地提高了ESV的有效帶寬。另一個優(yōu)點(diǎn)是第二模式的機(jī)械損耗小于第一模式，即Q2＞Q1。第二模式的更高的Q值在兩個方面有價值。首先，提高了壓電驅(qū)動變換器的電氣-機(jī)械的變換效率，對于給定的AC激勵轉(zhuǎn)換成更強(qiáng)烈的振動運(yùn)動。其次，通過改進(jìn)對來自傳感壓電元件的輸出的噪聲信號的濾波，更高的Q值提高了反饋控制電路的剛強(qiáng)度。
上述內(nèi)容通過考慮說明根據(jù)本發(fā)明用于靜電電壓計的懸臂梁的第一和第二模式的圖6來進(jìn)一步說明。懸臂梁100’分別配備驅(qū)動和反饋壓電變換器106’和108’以及懸臂傳感器114’。圖6也顯示了對于第一(n＝1)和第二(n＝2)模式的位移輪廓圖。Euler-Bernoulli連續(xù)梁模式給出了對于第一模式的固有頻率的簡單表達(dá)式f1=12π(1.875)2tL2Eρ]]>式中L和t是梁的長度和寬度，E和ρ分別是材料的楊氏模量和質(zhì)量密度。
對于典型的ESV探頭尺度，n＝1模式提供了可獲得的諧振頻率，大約是提供彩色復(fù)印機(jī)的充分的取樣帶寬所需要的值的一半。另外，所裝配的ESV探頭單元的諧振峰顯示了對于在復(fù)印機(jī)中安裝的方法的不可接受的過高的敏感性。上式表明一旦選定了連續(xù)梁材料，僅通過改變長度L或厚度t就能夠改變共振頻率。用這種方法提高頻率減小了振幅，反過來降低了探頭的電壓探測靈敏度。
采用第二模式(n＝2)替代第一模式，通過對懸臂梁或外殼進(jìn)行很小量的再設(shè)計，緩解了上述兩個問題。圖6中顯示的第二模式的諧振頻率為f2=12π(4.694)2tL2Eρ]]>從上述兩個等式可得出，f2/f1≈6.3，從而解決了第一個問題。而且，根據(jù)實驗可知，對n＝2諧振峰的安裝的靈敏度應(yīng)該大大低于n＝1的模式，因為第二模式的運(yùn)動往往會自動平衡。通過比較，對于某些安裝排列，第一諧振的振動幾乎消失，而第二諧振的振幅僅下降10％到30％。很重要的是要注意n＝2的模式的有效率的激勵和探測要求靠近曲率的最大值處設(shè)置壓電變換器元件。圖6顯示了經(jīng)優(yōu)化的對于驅(qū)動106’和運(yùn)動探測108’元件的設(shè)置。同樣地，電容式的(ESV)電極114’必須位于靠近梁的端部(如圖6所示)或更靠近被夾持端的局部最大位移發(fā)生的位置。
放大器130設(shè)置在懸臂梁100上并有相似于在上述專利4763078發(fā)明的放大器100的方式的功能。用于圖5和6的運(yùn)行傳感器的電路140在圖7用圖解顯示。電路140有一個操作性地連接到放大器130，用于以已知的方式為放大器提供工作電壓和對從放大器130接收的信號進(jìn)行預(yù)處理并將這樣的信號傳遞到靜電電壓計的信號處理/監(jiān)視部分的部分142。電路140也有一個驅(qū)動或振蕩器部分144用于提供驅(qū)動信號，運(yùn)行驅(qū)動變換器106以振動懸臂梁。反饋?zhàn)儞Q器108以和部分144成控制關(guān)系進(jìn)行連接。梁100的振動頻率由變換器108檢測，變換器發(fā)出的信號由電路部分144利用以控制所產(chǎn)生的驅(qū)動信號的頻率，從而就這樣控制梁100的振動頻率。振動懸臂梁100起了電路的共振器件的作用，各種電氣連接可以以相似于專利4763078發(fā)明的方式進(jìn)行。
為了產(chǎn)生圖5中由110指示的虛節(jié)點(diǎn)NS而便于產(chǎn)生適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率，振蕩器電路144和壓電陶瓷芯片106，108一起作為一個閉環(huán)頻率選擇正反饋系統(tǒng)工作，該正反饋系統(tǒng)在和顯示虛節(jié)點(diǎn)的機(jī)械頻率同步的特定頻率上保持電振蕩。該頻率以一個大約六倍的因子相對于該單懸臂梁100的基礎(chǔ)機(jī)械振蕩頻率。因此有在專利4763078中說明的尺度的懸臂當(dāng)被根據(jù)該發(fā)明的原理操作時將以大約4千赫的頻率工作，取代基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)工作時的約700Hz的頻率。這樣，在4千赫的頻率工作的探測器中的該結(jié)果提高了探測器能夠檢測并追蹤被測量的靜電數(shù)據(jù)的速度，這樣達(dá)到本發(fā)明的另一個目的。
本發(fā)明的傳感器以下述的方式工作。傳感器外殼用面向一個承受被測量的靜電場或靜電勢的表面即試驗表面的電極114來定位，。通過暴露到試驗表面的電極靈敏表面，在電極114和試驗表面之間存在一個電容耦合。振蕩器144向壓電元件106施加一個a.c.電壓，使其在基本垂直于懸臂梁100從其延伸的板的平面的方向上以基本相等于振蕩器輸出頻率的頻率振動。懸臂梁100將壓電元件106的振動傳遞到電極114。電極114在基本垂直于其平面的方向上以由如上所述的振蕩器輸出頻率和元件100的機(jī)械特性確定的頻率振動。電極114振動時，其朝向和離開試驗表面運(yùn)動，從而改變電極靈敏表面和試驗表面之間的電容耦合。
元件100振動時，其運(yùn)動在附接到元件100的壓電元件108上產(chǎn)生一個電壓，該電壓被電反饋到電路140以完成一個反饋環(huán)，維持該振蕩。具體地說，描繪實際振動或震蕩的被反饋的信號和一個描繪所需要的振蕩或振動的基準(zhǔn)信號進(jìn)行比較以控制振蕩器的輸出。這樣做的方式對于在本技術(shù)領(lǐng)域熟練的人員而言是顯而易見的，因此不必在作任何更詳盡的敘述。
如果作為系統(tǒng)反饋電勢的探測器電極114的電勢不同于試驗表面上的電勢，在電極114的表面上誘發(fā)一個a.c.信號。該誘發(fā)的a.c.信號被施加到前置放大器130的輸入。該相對于從振蕩器獲得的驅(qū)動信號的誘發(fā)信號的幅度和相位分別取決于該兩個表面的電勢差的大小和極性。放大器130的輸出被施加到靜電電壓計，然后施加到解調(diào)器(未顯示)的輸入。同步解調(diào)器利用從振蕩器獲得的驅(qū)動信號作為基準(zhǔn)相位發(fā)揮從誘發(fā)的a.c.信號中去除幅度和相位信息的功能。從振蕩器信號得到的線頻率可以被用于確保在解調(diào)過程以后調(diào)制到探測器電極114上的任何環(huán)境誘發(fā)的信號不被顯示為噪聲。然后該已經(jīng)是一個d.c.電壓的被解調(diào)信號可以在一個高增益放大器中放大，該放大器的輸出被施加到一個諸如儀表的適當(dāng)裝置的輸入，用于持續(xù)顯示和試驗表面電勢的監(jiān)視。
因此很明顯的是本發(fā)明實現(xiàn)了其期望的目的。根據(jù)本發(fā)明的傳感器使用了懸臂梁的較高階諧振模式中的一種。如上所述，這些模式包括了n＝2的模式和可能的更高階模式，這些模式可用于造價更廉價的非接觸型ESV設(shè)備的新型高性能探頭的設(shè)計中。改進(jìn)的性能來源于這樣的事實，較高階模式在比1階模式(n＝1)高出6倍(或更高)的頻率諧振。在較高頻率操作振動元件ESV的幾個優(yōu)點(diǎn)雖早已為人們所認(rèn)識，但以前從未有人認(rèn)真考慮過要達(dá)到它。在較高階諧振驅(qū)動懸臂梁則顯然將較高頻率付諸實踐。
雖然本發(fā)明的實施例已經(jīng)進(jìn)行了詳盡的敘述，但是本發(fā)明為所敘述的目的所進(jìn)行的實施是沒有限制的。
權(quán)利要求
1.一種用于諸如靜電電壓計的靜電探測器的傳感器包括(a)一個具有兩個端點(diǎn)的延長的振動元件；(b)用于在作為一個懸臂梁的所述端點(diǎn)的一個端點(diǎn)上支承所述振動元件并限制在所述端點(diǎn)處的機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)的裝置；(c)一個在靠近另一個所述端點(diǎn)的所述振動元件上的靈敏電極，該靈敏電極朝向被探測的電荷、電場或電勢設(shè)置，電荷、電場或電勢和所述靈敏電極成電容性的耦合；(d)一個剛性附接到所述振動元件上一個預(yù)先確定的位置上，用于以一個預(yù)先確定的頻率在一個改變所述靈敏電極和被探測的電荷、電場或電勢之間的電容性耦合的方向上振動所述元件的驅(qū)動變換器；(e)一個操作性地連接到所述驅(qū)動變換器，用于操作所述變換器振動所述元件的振蕩器；和(f)選擇所述驅(qū)動變換器的位置和所述元件的振動頻率，以在懸臂梁的基本振動頻率以上的頻率振動所述元件，從而在懸臂梁的機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生了補(bǔ)償扭矩，使施加到所述安裝節(jié)點(diǎn)上的凈扭矩大為減小，于是安裝節(jié)點(diǎn)的剛性程度不足以影響懸臂梁的工作頻率或懸臂梁的自由端位移；及(g)用于從所述靈敏電極取得的包括關(guān)于被探測到的電荷、電場或電勢的電信號的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，其中所述驅(qū)動變換器位于懸臂梁上對于經(jīng)選擇的該懸臂梁的振動模式曲率最大的一個位置。
3.如權(quán)利要求2所述的傳感器，其特征在于，其中經(jīng)選擇的該懸臂梁的振動模式為第二模式。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，其中用于取得電信號的所述裝置包括放大器。
5.如權(quán)利要求1所述的傳感器，在所述振動元件上進(jìn)一步包括一個反饋?zhàn)儞Q器用于檢測所述元件的振動頻率。
6.如權(quán)利要求5所述的傳感器，進(jìn)一步包括一個連接到所述反饋?zhàn)儞Q器上和連接到所述振蕩器上的控制器，用于控制所述振蕩器在預(yù)先確定的頻率上振動所述元件。
7.一種用于諸如靜電電壓計的靜電探測器的傳感器包括(a)一個具有兩個端點(diǎn)的延長的振動元件；(b)用于在作為一個懸臂梁的所述端點(diǎn)的一個端點(diǎn)上支承所述振動元件并限制在所述端點(diǎn)處的機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)的裝置；(c)一個在靠近另一個所述端點(diǎn)的所述振動元件上的靈敏電極，該靈敏電極朝向被探測的電荷、電場或電勢設(shè)置，電荷、電場或電勢和所述靈敏電極成電容性的耦合；(d)一個剛性附接到所述振動元件上一個預(yù)先確定的位置上，用于以一個預(yù)先確定的頻率在一個改變所述靈敏電極和被探測的電荷、電場或電勢之間的電容性耦合的方向上振動所述元件的驅(qū)動變換器；(e)一個操作性地連接到所述驅(qū)動變換器，用于操作所述變換器振動所述元件的振蕩器；和(f)所述驅(qū)動變換器工作于與所述懸臂梁的第二振動模式相應(yīng)的頻率，且所述變換器以對在其中部的對應(yīng)于第二振動模式的模式峰位的重疊關(guān)系位于所述振動元件上；及(g)用于從所述靈敏電極取得的包括關(guān)于被檢測的電荷、電場或電勢的電信號的裝置；(h)從而提供了在懸臂梁和機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)間的振動隔離。
8.如權(quán)利要求7所述的傳感器，其特征在于，所述取得電信號的裝置包括放大器。
9.如權(quán)利要求7所述的傳感器，其特征在于，還包括在所述振動元件上檢測所述元件振動的反饋?zhàn)儞Q器。
10.如權(quán)利要求9所述的傳感器，其特征在于，還包括連接到所述反饋?zhàn)儞Q器和所述振蕩器的控制器，以控制所述振蕩器在與第二振動模式相應(yīng)的所述頻率操作所述驅(qū)動變換器。
11.一種用于操作諸如靜電電壓計的靜電探測器的傳感器的方法，其中該傳感器包括一個支承在一個安裝節(jié)點(diǎn)上作為一個懸臂梁并且在其自由端有一個傳感電極的延長的振動元件，并且其中該元件的振動改變被探測的靈敏電極和電荷、電場或電勢間的電容性的耦合，所述方法包括(a)向所述元件在其上的一個位置上以及以一個這樣的頻率施加一個振動力，以在懸臂梁的基礎(chǔ)振動頻率之上的頻率上振動所述元件，因此在該元件的安裝節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生一個基本補(bǔ)償?shù)呐ぞ兀曰旧蠜]有凈扭矩施加到安裝節(jié)點(diǎn)上，這樣，安裝節(jié)點(diǎn)的剛強(qiáng)度不會影響該懸臂梁的工作頻率或影響該懸臂梁的自由端的位移；以及(b)從靈敏電極獲得一個包含有關(guān)被探測的電荷，電場或電勢的信息的電信號。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，振動力施加到在懸臂梁上懸臂梁振動所選擇模式的曲率最大的位置。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，懸臂梁的振動所選擇模式是第二模式。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括(a)檢測元件的振動頻率；(b)利用所檢測到的振動頻率控制施加到該元件上的振動力的頻率。
15.一種用于操作諸如靜電電壓計的靜電探測器的傳感器的方法，其中該傳感器包括一個支承在一個安裝節(jié)點(diǎn)上作為一個懸臂梁并且在其自由端有一個傳感電極的延長的振動元件，并且其中該元件的振動改變被探測的靈敏電極和電荷、電場或電勢間的電容性的耦合，所述方法包括(a)在與懸臂梁的第二振動模式相應(yīng)的頻率并以在中部與第二振動模式的模式峰位的重疊關(guān)系的該元件的位置上施加振動力到所述元件；及(b)從敏感電極獲得一個包含有關(guān)被探測的電荷，電場或電勢的信息的電信號；(c)從而提供了懸臂梁和機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)間提供的振動隔離。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，還包括(a)檢測元件的振動頻率；(b)利用所檢測到的振動頻率控制施加到該元件上的振動力的頻率。
全文摘要
一種用于測量靜電的傳感器，具有細(xì)長的振動懸臂梁(100)，支承在該懸臂梁一端的機(jī)械節(jié)點(diǎn)(N
文檔編號G01R29/12GK1575419SQ02821018
公開日2005年2月2日 申請日期2002年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月24日
發(fā)明者J·基里斯, N·內(nèi)那迪克, T·B·瓊斯 申請人:特瑞克股份有限公司