專利名稱：用于非接觸靜電探測(cè)器的傳感器的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及電氣測(cè)量技術(shù)，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及用作非接觸靜電電場(chǎng)，靜電電壓或靜電電荷探測(cè)裝置的新型改進(jìn)的傳感器或探頭。
非接觸靜電探測(cè)器被用于通過(guò)和被測(cè)量/監(jiān)視的表面，電路或裝置的物理接觸被轉(zhuǎn)移到測(cè)量裝置上的電荷將改變或破壞數(shù)據(jù)這樣的應(yīng)用場(chǎng)合。這樣的測(cè)量包括例如監(jiān)視復(fù)印機(jī)或其他電光照相過(guò)程中使用的光電導(dǎo)體的電壓水平，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(guò)靜電放電(產(chǎn)生電弧)的結(jié)果成為產(chǎn)品污染或失效的原因的區(qū)域。
在此以前，進(jìn)行高精度高速度低噪聲的測(cè)量所需要的類型的，以及還需小實(shí)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?cè)诟邤?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(gè)目的是提供一種用于靜電測(cè)量的，能夠滿足上述要求同時(shí)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(gè)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/探頭置于其相關(guān)于試驗(yàn)表面或區(qū)域的測(cè)量位置的夾持/保持結(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(gè)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(hào)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(duì)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(gè)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(gè)目的是提供這樣的傳感器/探頭，其對(duì)響應(yīng)的電氣速度被提高到能精確地測(cè)量更高頻率的靜電數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣的傳感器/探頭，其尺寸更小，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，制造更經(jīng)濟(jì)以及工作更可靠。
本發(fā)明為靜電探測(cè)器提供的傳感器包括一個(gè)以懸臂梁的形式支撐在一端的機(jī)械節(jié)點(diǎn)上的延長(zhǎng)的振動(dòng)元件，一個(gè)在靠近另一端的該振動(dòng)元件上，適合于被設(shè)置成朝向被測(cè)量的電荷，電場(chǎng)或電勢(shì)的靈敏電極，以及一個(gè)在振動(dòng)元件上用于在改變?cè)撾姌O和被測(cè)量的電荷、電場(chǎng)或電勢(shì)之間的電容耦合的方向上振動(dòng)該元件的驅(qū)動(dòng)變換器。驅(qū)動(dòng)裝置在沿該懸臂梁的位置并在一個(gè)振動(dòng)頻率下工作，這樣沿該懸臂梁顯示一個(gè)虛機(jī)械節(jié)點(diǎn)。這反過(guò)來(lái)防止機(jī)械節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)，因此機(jī)械節(jié)點(diǎn)的剛硬度不會(huì)影響工作頻率和/或懸臂梁的自由端的位移。懸臂梁的振動(dòng)的幅度以及在梁的該端的探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)幅度獨(dú)立于傳感器/探頭的質(zhì)量和/或用于將傳感器/探頭置于其相關(guān)于試驗(yàn)表面或區(qū)域的測(cè)量位置的諸如夾持/保持夾具的質(zhì)量。因此使電氣性能穩(wěn)定，獨(dú)立于所使用的具體夾持/保持結(jié)構(gòu)。一個(gè)放大器和靈敏電極被結(jié)合在振動(dòng)元件上的一個(gè)組合件內(nèi)，從而提供一個(gè)低阻抗的放大器輸出，這樣反過(guò)來(lái)又使振動(dòng)元件周圍的間隔更小，防止污染物的進(jìn)入。振動(dòng)元件可以配備一種允許以各種空間分辨率性能進(jìn)行測(cè)量的結(jié)構(gòu)。
通過(guò)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(jiǎn)述

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)透視圖，其中部分零件被去除；圖2A和2B是說(shuō)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(shuō)明圖2A和2B中顯示類型的懸臂梁的振動(dòng)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(shuō)明本發(fā)明的示意圖；圖7是和本發(fā)明的傳感器一起使用的電路的示意框圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的傳感器示意圖，其中放大器的靈敏電極被結(jié)合進(jìn)一個(gè)單獨(dú)的組合件中；和圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的傳感器示意圖，其允許用各種空間分辨率性能進(jìn)行測(cè)量。
示范實(shí)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(dòng)元件40具有一個(gè)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(gè)靈敏電極50的表面。對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)傳感器10的更詳盡的敘述，可以參考申請(qǐng)于1988年8月9日，題為“Sensorfor Electrostatic Voltmeter”，專利號(hào)為4763078的美國(guó)專利，該專利的發(fā)明內(nèi)容通過(guò)引用而結(jié)合在本文中。
如常規(guī)所知，單懸臂梁在振動(dòng)中在附接或連接到機(jī)械節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)或在圖1的傳感器的情況下附接或連接到基板結(jié)構(gòu)的點(diǎn)上會(huì)產(chǎn)生不平衡的機(jī)械扭矩。作為對(duì)比，在諸如調(diào)諧叉的雙懸臂梁結(jié)構(gòu)中，由每個(gè)調(diào)諧叉的叉頭的運(yùn)動(dòng)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?yàn)樵诨甯浇狱c(diǎn)處的機(jī)械質(zhì)量或機(jī)械剛強(qiáng)度變化而在振動(dòng)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(shí)，這種不穩(wěn)定尤其麻煩。
具體地說(shuō)，當(dāng)探頭的尺寸從專利4763078中顯示和敘述的說(shuō)明性的尺寸明顯減小時(shí)，懸臂梁的自由端的振動(dòng)幅度可以變得不穩(wěn)定并取決于用于相對(duì)于試驗(yàn)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(dòng)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(dòng)，引起令人討厭的能聽到的噪聲。通過(guò)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(shí)的制造成本令人望而卻步，因?yàn)樽鳛榛?4的一個(gè)被結(jié)合的部分的調(diào)諧叉通過(guò)價(jià)廉的化學(xué)蝕刻等工藝是難以制造出來(lái)的。
對(duì)圖1所顯示的探頭/傳感器的工作的另一個(gè)限制也可以從在靈敏電極50和放大器90之間通過(guò)導(dǎo)線連接52進(jìn)行的電氣連接產(chǎn)生。靈敏電極50在相當(dāng)高的阻抗水平(兆歐數(shù)量級(jí))下工作而作為一個(gè)有效的靜電數(shù)量探測(cè)器。直接連接到靈敏電極50的導(dǎo)線連接52也在和電極50相同的高阻抗水平。即使連接導(dǎo)線52可以保持得2mm數(shù)量級(jí)那樣短，它仍將包圍將被連接到放大器90上去的懸臂40的端部。當(dāng)導(dǎo)線52和懸臂40同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，它將相對(duì)于基板14中的開口36的端部振動(dòng)。為了防止在導(dǎo)線52上因?yàn)榛?4和導(dǎo)線52中使用的金屬材料中的接觸電勢(shì)差或在導(dǎo)線52或基板14上由電荷吸引的灰塵，色粉或其他污染物而產(chǎn)生外來(lái)的電噪聲和電信號(hào)，必需在導(dǎo)線52和基板14間保持相對(duì)大的間隔。較大的間隔將降低污染噪聲源和導(dǎo)線52間的并聯(lián)量，這樣往往會(huì)減小污染物的不希望的噪聲效果。但是，也合乎要求的是將所有在懸臂40和基板14之間的開口保持在最小的間隔以防止或減小可能進(jìn)入傳感器/探頭結(jié)構(gòu)內(nèi)部的污染物的數(shù)量。
圖2A說(shuō)明了在專利4763078中敘述的圖1的裝置的的單懸臂的工作。如圖所示，懸臂梁40A被支撐在機(jī)械節(jié)點(diǎn)(N)處的一端，而另一端能自由振動(dòng)。圖2A顯示了處在非加電或靜止位置中的懸臂梁40A。通過(guò)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(dòng)和反饋壓電陶瓷芯片(未顯示)的振蕩電路通電時(shí)，使懸臂梁40A在其基礎(chǔ)諧振頻率上或該頻率附近振蕩(對(duì)于在專利4763078的說(shuō)明性的裝置中顯示的尺寸，該頻率大致為700hz) 。
圖2B說(shuō)明了由梁40B產(chǎn)生的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的限制，該機(jī)械運(yùn)動(dòng)在該梁的自由端產(chǎn)生振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)△L。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(dòng)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(huì)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?yàn)楹蚑3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(duì)運(yùn)動(dòng)，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)生合扭矩。
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(dòng)并將進(jìn)入機(jī)械平衡，該機(jī)械平衡說(shuō)明了懸臂在懸臂的自由端有關(guān)工作頻率和運(yùn)動(dòng)△L上的運(yùn)動(dòng)。因?yàn)楣?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/探頭所被賦予的具體應(yīng)用。電極幅度的任何不穩(wěn)定都將反過(guò)來(lái)影響由傳感器/探頭探測(cè)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(shí)更是如此。
上述內(nèi)容通過(guò)考慮薄懸臂梁的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)而進(jìn)一步說(shuō)明。任何振動(dòng)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(gè)夾持端和一個(gè)自由端的懸臂梁的第一三個(gè)振動(dòng)模式(n分別等于1，2，3)的形狀。雖然只有開始的幾個(gè)模式可能在本文敘述的類型的裝置中有任何的實(shí)際意義，這些模式在數(shù)目上是無(wú)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(gè)拐點(diǎn)和零交點(diǎn)。相繼的更高的模式的特征是有附加的拐點(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(duì)于一個(gè)有理想的夾持的梁，其在固定端被賦予零運(yùn)動(dòng)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(gè)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，諧振可被考慮為很好地隔離。
在任何實(shí)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可能的。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(gè)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(dòng)損耗保持低，即Q＞50。
對(duì)于模式的不同的形狀指出，通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)置壓電促動(dòng)器，一種模式能選擇性地并且優(yōu)化地激發(fā)出一個(gè)給定的模式。同樣，為了用可獲得的最大靈敏度探測(cè)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(lì)轉(zhuǎn)換成機(jī)械形變。當(dāng)一個(gè)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(gè)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(lì)(也是用于探測(cè))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(jiǎn)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(yàn)。
圖5說(shuō)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)支撐在機(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(dòng)。振蕩器電路以及驅(qū)動(dòng)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(shí)，懸臂梁100在使一個(gè)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(dòng)。當(dāng)懸臂100在高于其基礎(chǔ)頻率的頻率上工作時(shí)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)上基本沒有施加合扭矩。
如圖5所示，如由以實(shí)線和虛線的位置所說(shuō)明的振動(dòng)的限制所限定的懸臂梁100的振動(dòng)在梁的一端104產(chǎn)生一個(gè)△LB的振動(dòng)。當(dāng)虛節(jié)點(diǎn)(NS)在振蕩的振動(dòng)循環(huán)上保持靜止時(shí)，懸臂梁在節(jié)點(diǎn)(N3)和(NS)之間的部分在所有時(shí)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(dòng)方向相反的方向上運(yùn)動(dòng)。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(cè)量到梁100的質(zhì)量中心，距離D5從節(jié)點(diǎn)N3測(cè)量到位于節(jié)點(diǎn)(NS)和端點(diǎn)104之間的質(zhì)量的反射中心。
當(dāng)基本補(bǔ)償?shù)呐ぞ豑5產(chǎn)生時(shí)，基本沒有合扭矩施加到節(jié)點(diǎn)N3。因?yàn)榛緵]有合扭矩施加到節(jié)點(diǎn)N3，節(jié)點(diǎn)N3不能振動(dòng)，因此其剛強(qiáng)度不會(huì)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△LB。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(shí)，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?dòng)。因?yàn)槠浒惭b節(jié)點(diǎn)扭矩基本被補(bǔ)償，因此使有振動(dòng)幅度△LB以及因此而有在梁端點(diǎn)的探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)幅度的振動(dòng)獨(dú)立于傳感器/探頭的質(zhì)量和/或用于將傳感器/探頭置于其相關(guān)于試驗(yàn)表面或區(qū)域的測(cè)量位置的夾持/保持夾具的質(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/保持裝置，這是本發(fā)明的一個(gè)目的。
考慮到懸臂梁100的第二(n＝2)振動(dòng)模式的應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)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?yàn)楫?dāng)偏移時(shí)其曲率在該點(diǎn)最大。被用來(lái)探測(cè)運(yùn)動(dòng)和提供信號(hào)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(gè)曲率大的位置，該元件被發(fā)現(xiàn)探測(cè)全部適當(dāng)?shù)男盘?hào)。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?？拷鼞冶哿?00的端點(diǎn)104的地方，在該處運(yùn)動(dòng)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(dòng)隔離相關(guān)的嚴(yán)重問(wèn)題。為了理解該改進(jìn)是怎樣實(shí)現(xiàn)的，可以對(duì)圖4A和4B中的第一和第二模式的振動(dòng)模式的形狀進(jìn)行比較。對(duì)于n＝1的模式，懸臂梁每個(gè)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(guò)該梁被通到外殼。因?yàn)閷?shí)際上沒有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(duì)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(gè)平衡度。當(dāng)模式號(hào)碼n上升時(shí)該自我平衡度增加。由于實(shí)際上的其他限制因素，超過(guò)第二(n＝2)的模式是否能被利用還不能被論證。還有，從振動(dòng)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(gè)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(cè)量靜電表面電勢(shì)時(shí)，對(duì)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(shí)也提高了樣品的可獲得率。該后一個(gè)特征將明顯提高對(duì)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(guò)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(duì)于獲得彩色技術(shù)的更限制性的配準(zhǔn)要求是決定性的。
考慮下述的實(shí)例來(lái)說(shuō)明這樣的改進(jìn)。一個(gè)非接觸靜電電壓計(jì)(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(gè)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(gè)方面有價(jià)值。首先，提高了壓電驅(qū)動(dòng)變換器的電氣-機(jī)械的變換效率，對(duì)于給定的AC激勵(lì)轉(zhuǎn)換成更強(qiáng)烈的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。其次，通過(guò)改進(jìn)對(duì)來(lái)自傳感壓電元件的輸出的噪聲信號(hào)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(guò)考慮說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明用于靜電電壓計(jì)的懸臂梁的第一和第二模式的圖6來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明。懸臂梁100’分別配備驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)于第一模式的自然頻率的簡(jiǎn)單表達(dá)式
f1=12π(1.875)2tL2Eρ]]>式中L和t是梁的長(zhǎng)度和寬度，E和ρ分別是材料的楊氏模量的質(zhì)量密度。
對(duì)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(duì)于在復(fù)印機(jī)中安裝的方法的不可接受的過(guò)高的敏感性。上式表明一旦選定了連續(xù)梁材料，僅通過(guò)改變長(zhǎng)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(guò)來(lái)降低了探頭的電壓探測(cè)靈敏度。
采用第二模式(n＝2)替代第一模式，通過(guò)對(duì)懸臂梁或外殼進(jìn)行很小量的再設(shè)計(jì)，緩解了上述兩個(gè)問(wèn)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(gè)等式可得出，f2/f1≈6.3，從而解決了第一個(gè)問(wèn)題。而且，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，對(duì)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?yàn)榈诙Ｊ降倪\(yùn)動(dòng)往往會(huì)自我平衡。通過(guò)比較，對(duì)于某些安裝排列，第一諧振的振動(dòng)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(lì)和探測(cè)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(duì)于驅(qū)動(dòng)106’和運(yùn)動(dòng)探測(cè)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。用于運(yùn)行圖5和6的傳感器的電路140在圖7圖解式地顯示。電路140有一個(gè)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(duì)從放大器130接收的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理并將這樣的信號(hào)傳遞到靜電電壓計(jì)的信號(hào)處理/監(jiān)視部分的部分142。電路140也有一個(gè)驅(qū)動(dòng)或振蕩部分144用于提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，運(yùn)行驅(qū)動(dòng)變換器106以振動(dòng)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(dòng)頻率由變換器108檢測(cè)，變換器發(fā)出的信號(hào)由電路部分144利用以控制所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，從而就這樣控制梁100的振動(dòng)頻率。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(gè)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(gè)大約六倍的因子相關(guān)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(shuō)明的尺度的懸臂當(dāng)被根據(jù)該發(fā)明的原理操作時(shí)將以大約4千赫的頻率工作，取代基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)工作時(shí)的約700Hz的頻率。這樣，在4千赫的頻率工作的傳感器中的該結(jié)果提高了傳感器能夠檢測(cè)并追蹤被測(cè)量的靜電數(shù)據(jù)的速度，這樣達(dá)到本發(fā)明的另一個(gè)目的。
本發(fā)明的傳感器以下述的方式工作。傳感器外殼和面向一個(gè)表面即試驗(yàn)表面的電極114一起定位，承受被測(cè)量的靜電場(chǎng)或靜電勢(shì)。通過(guò)暴露到試驗(yàn)表面的電極靈敏表面，在電極114和試驗(yàn)表面之間存在一個(gè)電容耦合。振蕩器144向壓電元件106施加一個(gè)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(dòng)。懸臂梁100將壓電元件106的振動(dòng)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(dòng)。電極114振動(dòng)時(shí)，其朝向和離開試驗(yàn)表面運(yùn)動(dòng)，從而改變電極靈敏表面和試驗(yàn)表面之間的電容耦合。
元件100振動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)在附接到元件100的壓電元件108上產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓被電反饋到電路140以完成一個(gè)反饋環(huán)，維持該振蕩。具體地說(shuō)，描繪實(shí)際振動(dòng)或震蕩的被反饋的信號(hào)和一個(gè)描繪所需要的振蕩或振動(dòng)的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較以控制振蕩器的輸出。這樣做的方式對(duì)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(shì)的探測(cè)器電極114的電勢(shì)不同于試驗(yàn)表面上的電勢(shì)，在電極114的表面上誘發(fā)一個(gè)a.c.信號(hào)。該誘發(fā)的a.c.信號(hào)被施加到預(yù)放大器130的輸入。該相關(guān)于從振蕩器獲得的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的誘發(fā)信號(hào)的幅度和相位分別取決于該兩個(gè)表面的電勢(shì)差的大小和極性。放大器130的輸出被施加到靜電電壓計(jì)，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(dòng)信號(hào)作為基準(zhǔn)相位發(fā)揮從誘發(fā)的a.c.信號(hào)中去除幅度和相位信息的功能。從振蕩器信號(hào)得到的線頻率可以被用于確保在解調(diào)過(guò)程以后調(diào)制到探測(cè)器電極114上的任何環(huán)境誘發(fā)的信號(hào)不被顯示為噪聲。然后該已經(jīng)是一個(gè)d.c.電壓的被解調(diào)信號(hào)可以在一個(gè)高增益放大器中放大，該放大器的輸出被施加到一個(gè)諸如儀表的適當(dāng)裝置的輸入，用于持續(xù)地顯示和監(jiān)視試驗(yàn)表面電勢(shì)。
圖8說(shuō)明了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例減小了污染物通過(guò)振動(dòng)元件和相鄰結(jié)構(gòu)之間的間隔的可能性，從而減小了這樣的污染物進(jìn)入傳感器/探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可能性。根據(jù)本發(fā)明的傳感器/探頭能夠典型地包括這樣的結(jié)構(gòu)，其中，在從板的一端支撐的振動(dòng)元件具有和在振動(dòng)元件被定位在其上的板上的一個(gè)開口的邊緣成緊密間隔關(guān)系的側(cè)面和端邊緣。例如，如上述參考專利4763078的圖1所示，一個(gè)相對(duì)狹窄的間隔存在于振動(dòng)元件40的側(cè)邊緣42，44和板上的開口的邊緣32，34之間，以及相似地存在于元件40的邊緣46和開口的邊緣36之間。使該間隔盡可能狹窄減小了污染物進(jìn)入傳感器/探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可能性。
如圖8所示，電容性傳感器114’或探測(cè)器表面，放大器130’和保護(hù)元件150(如果使用的話)被制作進(jìn)一個(gè)安裝在梁100”上靠近其自由端的單個(gè)的低剖面組件152內(nèi)。保護(hù)元件150可以是一層覆蓋在探測(cè)器表面114”上的保護(hù)層的形式并且用既能保護(hù)表面114”又不干擾表面114”和被探測(cè)的電場(chǎng)或電勢(shì)的電容耦合的材料制成。該結(jié)合組件152的應(yīng)用方便了放大器130’在懸臂梁100”的和探測(cè)器表面114’相同的表面而不是和專利4763078中發(fā)明的相對(duì)的表面上的設(shè)置。該結(jié)合的包裝組件152取消了在專利4763078中將探測(cè)器元件連接到放大器的由52表示的連接線，因?yàn)樵撨B接已經(jīng)被結(jié)合進(jìn)組件里了。這樣取消了在專利4763078中顯示的高阻抗水平連接的導(dǎo)線52的布線走向，不用考慮產(chǎn)生在懸臂在其中振動(dòng)的開口的終端的區(qū)域里發(fā)現(xiàn)的污染物的電噪聲。作為替代，在圖8的安排中，連接導(dǎo)線156被連接到放大器130’的輸出158，該輸出有放大器130’提供的相對(duì)低的輸出阻抗，其布線走向圍繞懸臂100”的終端，并最終被連接到如圖7中由140表示的電路，或連接到傳感器/探頭輸出電纜的組件。導(dǎo)線160被焊接或用其他方法連接到懸臂梁100”以為放大器130’提供一個(gè)公共的回路。在振動(dòng)的懸臂100”和板中的連接156中產(chǎn)生電噪聲的開口的終端之間的污染物和/或接觸電勢(shì)的可能性因?yàn)樵谠诖酥皯?yīng)用的連接電路上的連接電路156的被減小的阻抗水平而被大大減小。該被減小噪聲的效果將使導(dǎo)線156和開口的終端之間的間隔減小，沒有在現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)現(xiàn)的增加噪聲信號(hào)的缺點(diǎn)。應(yīng)用經(jīng)減小的間隔將減小污染物進(jìn)入傳感器/探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可能性，這樣完成了本發(fā)明的另一個(gè)目的。
圖9說(shuō)明了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例使測(cè)量帶有各種空間分辨率的特征。懸臂梁100”’有在其上的驅(qū)動(dòng)106”和反饋108”變換器以及在其上一起的相似于圖8的組件152的放大器/傳感電極組件152’。圖9顯示了本發(fā)明的傳感器/探頭，帶有也是由170表示的作為一種空間分辨率確定元件的附加元件SR。也是由172表示的位于元件SR上和探測(cè)器元件或組件152’配準(zhǔn)的孔A可以做成各種形狀和開口尺寸/面積來(lái)提供各種空間分辨特性以測(cè)量靜電數(shù)據(jù)，尤其是和傳感器/探頭被耦合到其上的所測(cè)量的表面有關(guān)聯(lián)的靜電電壓或電荷的數(shù)據(jù)。由懸臂梁100”’攜帶的元件SR的應(yīng)用就這樣通過(guò)提供使測(cè)量帶有各種空間分辨率特征的構(gòu)型而完成了本發(fā)明的另一個(gè)目的。但是如果需要寬廣的空間分辨率特征，本發(fā)明的傳感器/探頭可以沒有元件SR而工作。
如上所述，振蕩器電路144和壓電芯片106，108或懸臂梁100的設(shè)置可以在設(shè)計(jì)中有利于使懸臂可靠地工作以及在特定頻率上具有穩(wěn)定性，該特定頻率使圖5中的也是由110表示的虛節(jié)點(diǎn)NS沿懸臂出現(xiàn)，以在圖5中也是由102表示的懸臂安裝節(jié)點(diǎn)N3上產(chǎn)生平衡扭矩。在其最簡(jiǎn)化的形式中，振蕩器電路具有頻率選擇的特性，該特性在產(chǎn)生穩(wěn)定的虛節(jié)點(diǎn)的懸臂梁的特定的機(jī)械諧振或接近諧振頻率上提供高的正反饋。懸臂梁的機(jī)械諧振是梁的尺度，梁的材料以及附加到梁上的諸如壓電芯片和探測(cè)器/電極/放大器組件的各種元件的質(zhì)量和可塑性的函數(shù)。因?yàn)檫@些機(jī)械諧振確定因素對(duì)于時(shí)間和溫度穩(wěn)定，同時(shí)也可以使振蕩器電路的頻率選擇特性相當(dāng)穩(wěn)定，可以預(yù)期應(yīng)用普通的廉價(jià)元件下該懸臂的工作的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。尤其是，將用作振蕩器環(huán)路的反饋元件的反饋壓電陶瓷芯片108應(yīng)用到其輸出將電能饋送入驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷芯片106的高增益頻率選擇振蕩器電路144中完成了一個(gè)振蕩器的環(huán)路。因?yàn)樵摥h(huán)路包括在其上設(shè)置反饋和驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷芯片的懸臂梁的機(jī)械諧振特性，就可以保持懸臂梁的穩(wěn)定的工作。
反饋壓電陶瓷芯片可以設(shè)置在如由其他限制規(guī)定的沿懸臂的其他位置。雖然本文敘述的技術(shù)導(dǎo)致了在靜電傳感器/探頭中有利地應(yīng)用單懸臂梁，所敘述的技術(shù)也可以有利地應(yīng)用在其他的規(guī)范中。
因此很明顯的是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了其期望的目的。雖然本發(fā)明的實(shí)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(shí)施是沒有限制的。
權(quán)利要求
1.一種用于諸如靜電電壓計(jì)的靜電探測(cè)器的傳感器包括(a) 一個(gè)具有兩個(gè)端點(diǎn)的延長(zhǎng)的振動(dòng)元件；(b) 用于在作為一個(gè)懸臂梁的所述端點(diǎn)的一個(gè)端點(diǎn)上支撐所述振動(dòng)元件的裝置；(c) 一個(gè)在靠近另一個(gè)所述端點(diǎn)的所述振動(dòng)元件上的靈敏電極，該靈敏電極朝向被探測(cè)的電荷、電場(chǎng)或電勢(shì)設(shè)置，電荷、電場(chǎng)或電勢(shì)和所述靈敏電極成電容性的耦合；(d) 一個(gè)附接到所述振動(dòng)元件上一個(gè)預(yù)先確定的位置上，用于以一個(gè)預(yù)先確定的頻率在一個(gè)改變所述靈敏電極和被探測(cè)的電荷、電場(chǎng)或電勢(shì)之間的電容性耦合的方向上振動(dòng)所述元件的驅(qū)動(dòng)變換器；(e) 一個(gè)操作性地連接到所述驅(qū)動(dòng)變換器，用于操作所述變換器振動(dòng)所述元件的振蕩器；和(f) 一個(gè)在所述懸臂元件上的一個(gè)組件中和所述靈敏電極連接的放大器，所述放大器從所述靈敏電極得到一個(gè)包含有關(guān)被探測(cè)的電荷、電場(chǎng)或電勢(shì)的信息的電信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，其中所述用于支撐所述振動(dòng)元件的裝置在所述端點(diǎn)限定一個(gè)機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)，并且其中所述驅(qū)動(dòng)變換器的位置以及所述元件的振動(dòng)頻率經(jīng)過(guò)選擇以在懸臂梁的基礎(chǔ)振動(dòng)頻率之上的頻率上振動(dòng)所述元件，因此在該懸臂梁的機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生一個(gè)基本補(bǔ)償?shù)呐ぞ?，所以基本上沒有合扭矩施加到所述安裝節(jié)點(diǎn)上，這樣，安裝節(jié)點(diǎn)的剛強(qiáng)度不會(huì)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。
3.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(dòng)變換器位于懸臂梁上對(duì)于經(jīng)選擇的該懸臂梁的振動(dòng)模式曲率最大的一個(gè)位置。
4.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(dòng)模式為第二模式。
5.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，其中所述放大器安裝在所述振動(dòng)元件上，所述靈敏電極在所述放大器上。
6.如權(quán)利要求1所述的傳感器，在所述振動(dòng)元件上進(jìn)一步包括一個(gè)反饋?zhàn)儞Q器用于檢測(cè)所述元件的振動(dòng)頻率。
7.如權(quán)利要求6所述的傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)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(dòng)所述元件。
8.如權(quán)利要求6所述的傳感器，其特征在于，其中所述驅(qū)動(dòng)變換器和所述反饋?zhàn)儞Q器位于所述振動(dòng)元件和所述放大器組件的一個(gè)表面上，靈敏電極組件位于所述振動(dòng)元件的相對(duì)的表面上。
9.如權(quán)利要求5所述的傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)覆蓋所述靈敏電極以及采用允許所述靈敏電極和被探測(cè)的電荷、電場(chǎng)或電勢(shì)之間的電容耦合的材料形成的保護(hù)元件。
10.如權(quán)利要求1所述的傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)低阻抗連接，該低阻抗連接從所述放大器的輸出通向用于所獲得的包含有關(guān)被探測(cè)的電荷、電場(chǎng)或電勢(shì)的信息的信號(hào)的位置。
11.一種用于諸如靜電電壓計(jì)的靜電探測(cè)器的傳感器包括；(a) 一個(gè)具有兩個(gè)端點(diǎn)的延長(zhǎng)的振動(dòng)元件；(b) 用于在作為一個(gè)懸臂梁的所述端點(diǎn)的一個(gè)端點(diǎn)上支撐所述振動(dòng)元件的裝置；(c) 一個(gè)在靠近另一個(gè)所述端點(diǎn)的所述振動(dòng)元件上的靈敏電極，該靈敏電極朝向被探測(cè)的電荷、電場(chǎng)或電勢(shì)設(shè)置，電荷、電場(chǎng)或電勢(shì)和所述靈敏電極成電容性的耦合；(d) 一個(gè)附接到所述振動(dòng)元件上一個(gè)預(yù)先確定的位置上，用于以一個(gè)預(yù)先確定的頻率在一個(gè)改變所述靈敏電極和被探測(cè)的電荷，電場(chǎng)或電勢(shì)之間的電容性耦合的方向上振動(dòng)所述元件的驅(qū)動(dòng)變換器；(e) 一個(gè)操作性地連接到所述驅(qū)動(dòng)變換器，用于操作所述變換器振動(dòng)所述元件的振蕩器；(f) 用于從所述靈敏電極獲得包含有關(guān)被探測(cè)的電荷、電場(chǎng)或電勢(shì)的信息的電信號(hào)的裝置；和(g) 所述振動(dòng)單元包括一個(gè)空間分辨率確定結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)和所述靈敏電極配準(zhǔn)的的孔，該孔的尺寸和形狀經(jīng)選擇以提供所需要的對(duì)于探測(cè)電荷、電場(chǎng)或電勢(shì)的空間分辨率特性。
12.如權(quán)利要求11所述的傳感器，其特征在于，其中所述用于獲得電信號(hào)的裝置包括一個(gè)放大器。
13.如權(quán)利要求11所述的傳感器，在所述振動(dòng)元件上進(jìn)一步包括一個(gè)反饋?zhàn)儞Q器用于探測(cè)所述元件的振動(dòng)。
14.如權(quán)利要求13所述的傳感器，進(jìn)一步包括一個(gè)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操作所述驅(qū)動(dòng)變換器。
15.如權(quán)利要求11所述的傳感器，其特征在于，其中所述用于支撐所述振動(dòng)元件的裝置限定在所述端部的機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)，所述元件的振動(dòng)頻率經(jīng)過(guò)選擇以在懸臂梁的基礎(chǔ)振動(dòng)頻率之上的頻率上振動(dòng)所述元件，因此在該懸臂梁的機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生一個(gè)基本補(bǔ)償?shù)呐ぞ?，所以基本上沒有合扭矩施加到所述安裝節(jié)點(diǎn)上，這樣，安裝節(jié)點(diǎn)的剛強(qiáng)度不會(huì)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。
16.一種用于諸如靜電電壓計(jì)的靜電探測(cè)器的傳感器包括(a) 一個(gè)具有兩個(gè)端點(diǎn)的延長(zhǎng)的振動(dòng)元件；(b) 用于在作為一個(gè)懸臂梁的所述端點(diǎn)的一個(gè)端點(diǎn)上支撐所述振動(dòng)元件并在所述端點(diǎn)限定一個(gè)機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)的裝置；(c) 一個(gè)在靠近另一個(gè)所述端點(diǎn)的所述振動(dòng)元件上的靈敏電極，該靈敏電極朝向被探測(cè)的電荷、電場(chǎng)或電勢(shì)設(shè)置，電荷、電場(chǎng)或電勢(shì)和所述靈敏電極成電容性的耦合。(d) 一個(gè)附接到所述振動(dòng)元件上一個(gè)在所述機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)和所述另一端之間的位置上，用于以一個(gè)幅度和頻率在一個(gè)改變所述靈敏電極和被探測(cè)的電荷、電場(chǎng)或電勢(shì)之間的電容性耦合的方向上振動(dòng)所述元件的驅(qū)動(dòng)變換器；(e) 一個(gè)操作性地連接到所述驅(qū)動(dòng)變換器，用于操作所述變換器振動(dòng)所述元件的振蕩器；(f) 一個(gè)基本在所述機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)附接到所述振動(dòng)元件以檢測(cè)所述元件的振動(dòng)的幅度的反饋?zhàn)儞Q器；(g) 一個(gè)連接到所述反饋?zhàn)儞Q器并和所述驅(qū)動(dòng)變換器成控制關(guān)系的用于控制所述振動(dòng)元件的振動(dòng)的幅度的驅(qū)動(dòng)器/振蕩器；和(h) 用于從所述靈敏電極獲得包含有關(guān)被探測(cè)的電荷、電場(chǎng)或電勢(shì)的信息的電信號(hào)的裝置。
17.如權(quán)利要求16所述的傳感器，其特征在于，其中所述驅(qū)動(dòng)變換器的位置和所述元件的振動(dòng)的頻率經(jīng)過(guò)選擇以在懸臂梁的基礎(chǔ)振動(dòng)頻率之上的頻率上振動(dòng)所述元件，因此在該懸臂梁的機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生一個(gè)基本補(bǔ)償?shù)呐ぞ?，所以基本上沒有合扭矩施加到所述安裝節(jié)點(diǎn)上，這樣，安裝節(jié)點(diǎn)的剛強(qiáng)度不會(huì)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。
18.一種用于操作諸如靜電電壓計(jì)的靜電探測(cè)器的傳感器的方法，其中該傳感器包括一個(gè)支撐在一個(gè)機(jī)械節(jié)點(diǎn)上作為一個(gè)懸臂梁并且在其自由端有一個(gè)傳感電極的延長(zhǎng)的振動(dòng)元件，并且其中該元件的振動(dòng)改變被探測(cè)的傳感電極和電荷、電場(chǎng)或電勢(shì)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(gè)位置上以及以一個(gè)這樣的頻率施加一個(gè)振動(dòng)力，以在懸臂梁的基礎(chǔ)振動(dòng)頻率之上的頻率上振動(dòng)所述元件，因此在該懸臂梁的機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生一個(gè)基本補(bǔ)償?shù)呐ぞ兀曰旧蠜]有合扭矩施加到所述安裝節(jié)點(diǎn)上，這樣，安裝節(jié)點(diǎn)的剛強(qiáng)度不會(huì)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；(b) 檢測(cè)該元件基本在該機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)上的振動(dòng)的強(qiáng)度；(c) 利用所檢測(cè)到的振動(dòng)幅度控制施加到該元件上的振動(dòng)力的幅度；和(d) 從靈敏電極獲得一個(gè)包含有關(guān)被探測(cè)的電荷，電場(chǎng)或電勢(shì)的信息的電信號(hào)。
全文摘要
一種靜電探測(cè)器的傳感器包括一個(gè)以懸臂梁的形式支撐在一端的機(jī)械節(jié)點(diǎn)上的延長(zhǎng)的振動(dòng)元件，一個(gè)在靠近另一端的該振動(dòng)元件上，適合于被設(shè)置成朝向被測(cè)量的電荷，電場(chǎng)或電勢(shì)的靈敏電極，以及一個(gè)在振動(dòng)元件上用于在改變?cè)撾姌O和被測(cè)量的電荷，電場(chǎng)或電勢(shì)之間的電容耦合的方向上振動(dòng)該元件的驅(qū)動(dòng)變換器。驅(qū)動(dòng)變換器在沿該懸臂梁的位置并在一個(gè)振動(dòng)頻率下工作，這樣沿該懸臂梁顯示一個(gè)虛機(jī)械節(jié)點(diǎn)。這反過(guò)來(lái)防止機(jī)械節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)，因此機(jī)械節(jié)點(diǎn)的剛硬度不會(huì)影響工作頻率和/或懸臂梁的自由端的位移。懸臂梁的振動(dòng)的幅度以及在梁的該端的探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)幅度獨(dú)立于傳感器/探頭的質(zhì)量和/或用于將傳感器/探頭置于其相關(guān)于試驗(yàn)表面或區(qū)域的測(cè)量位置的諸如夾持/保持夾具的質(zhì)量。因此使電氣性能穩(wěn)定，獨(dú)立于所使用的具體夾持/保持結(jié)構(gòu)。一個(gè)放大器和靈敏電極被結(jié)合在振動(dòng)元件上的一個(gè)組合件內(nèi)，從而提供一個(gè)低阻抗的放大器輸出，這樣反過(guò)來(lái)又使振動(dòng)元件周圍的間隔更小，防止污染物的進(jìn)入。振動(dòng)元件可以配備一種允許以各種空間分辨率性能進(jìn)行測(cè)量的結(jié)構(gòu)。該振動(dòng)元件的振動(dòng)的強(qiáng)度被基本在機(jī)械安裝節(jié)點(diǎn)處檢測(cè)，并被一個(gè)電路利用來(lái)控制振動(dòng)的幅度。
文檔編號(hào)G01R5/00GK1575420SQ02821263
公開日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2002年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月24日
發(fā)明者J·基里斯, 上原利男, B·T·維廉姆斯 申請(qǐng)人:特瑞克股份有限公司