專利名稱：高精密度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超精精密的訊號(hào)量測系統(tǒng)，尤指一種高精密度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置，此一量測的機(jī)制與方法廣泛的應(yīng)用于奈米級(jí)的量測與檢測儀器，如掃描探針顯微鏡、原子力顯微鏡、掃描電容式顯微鏡、掃描電阻式顯微鏡、與精密溫度與濕度量測器。
背景技術(shù)：
先前的相位檢測技術(shù)如中國臺(tái)灣專利第580573號(hào)所記載，其偵測裝置需有兩個(gè)直接數(shù)位合成器產(chǎn)生兩個(gè)弦波訊號(hào)，成本明顯較高，且與本發(fā)明僅采用一中央控制單元控制一數(shù)值控制型震蕩器產(chǎn)生工作所需特定頻率的弦波有所不同。其次，臺(tái)灣專利第580573號(hào)采用兩個(gè)直接數(shù)位合成器產(chǎn)生兩個(gè)弦波記號(hào)，其中一個(gè)作為感測器的致動(dòng)信號(hào)，另一則作為參考量測信號(hào)，量測系統(tǒng)工作時(shí)，上述的二信號(hào)必須工作于同一頻率，但是實(shí)際上臺(tái)灣專利第580573號(hào)專利于實(shí)現(xiàn)時(shí)并無法理想的如該專利所預(yù)期的產(chǎn)生同一頻率的信號(hào)，所以采用該專利所述的量測方式，將因參考信號(hào)與量測信號(hào)的頻率不同產(chǎn)生嚴(yán)重的量測誤差，并引入無可避免的量測雜訊，最重影響量測解析度。再則，臺(tái)灣專利第580573號(hào)專利的系統(tǒng)架構(gòu)并無本案所提的相位移動(dòng)器與兩段式的信號(hào)放大與箝位器，因此該專利所提的方法一方面無法將相位偵測機(jī)制移轉(zhuǎn)至相位較靈敏的相位角，所以該案的相位轉(zhuǎn)換靈敏度較差，另一方面，對(duì)于微弱信號(hào)的量測該專利所載的方法亦存在量測的困難度。此外，該專利所述的相位檢測器輸出的信號(hào)尚須經(jīng)過計(jì)數(shù)器，再經(jīng)微處理器處理，始能得到相位差記號(hào)，此與本發(fā)明經(jīng)相位差偵測器后的訊號(hào)不需再經(jīng)前述的計(jì)數(shù)器，即已為與相位訊號(hào)成完全正相關(guān)的類比電壓信號(hào)，有明顯的差別。臺(tái)灣專利第580573號(hào)專利并無本發(fā)明所提的帶通濾波器，借以濾除相位信號(hào)中的方波震幅成份，因此該發(fā)明的相位信號(hào)仍會(huì)被待測信號(hào)的震幅所影響。與本發(fā)明所載的技術(shù)有另一差別是，此本發(fā)明除了可以量測精密的相位改變之外，亦可以同步的偵測感測器的微量震幅改變，此技術(shù)在臺(tái)灣專利第580573號(hào)專利并無法述及。最后，臺(tái)灣專利第580573號(hào)專利并無本發(fā)明所述的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制器與動(dòng)態(tài)信號(hào)補(bǔ)償器，所以該專利所提的方法無法因應(yīng)不同的感測器致動(dòng)的壓電材料與不同的物理量量測進(jìn)行動(dòng)態(tài)信號(hào)的補(bǔ)償。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高精密度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置，其采用壓電陶瓷致動(dòng)微懸臂梁的方式，借以感測奈米級(jí)的物理量如作用力、溫度、濕度、氣壓的改變的超精密訊號(hào)量測裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種高精密度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置，作為檢測一感測機(jī)構(gòu)受外在物理量改變而產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)形變，它包括一中央控制單元，用以決定感測器的工作頻率，并產(chǎn)生此一工作頻率所需的對(duì)應(yīng)數(shù)位控制訊號(hào)；此一中央控制單元并用以監(jiān)控感測器的連續(xù)震幅與相位改變；及一感測器驅(qū)動(dòng)電路與感測器偵測電路，用以產(chǎn)生感測器工作所需的特定頻率弦波訊號(hào)；上述的數(shù)位控制訊號(hào)饋入數(shù)值控制型震蕩器，產(chǎn)生感測器工作所需的特定頻率的類比弦波訊號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)感測器；上述的類比弦波訊號(hào)并作為相位量測所需的參考信號(hào)；及一感測物理信號(hào)的訊號(hào)轉(zhuǎn)換、放大與濾波電路，用以將感測器的輸出弦波信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠嵦?hào)轉(zhuǎn)換，信號(hào)震幅放大、與信號(hào)雜訊濾波的處理；及一相位移動(dòng)電路，用以將上述經(jīng)處理過的量測弦波信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)南辔灰苿?dòng)；及一震幅與相位信號(hào)轉(zhuǎn)換器，用以即時(shí)同步監(jiān)控因外在物理量的改變所產(chǎn)生的感測器的震幅與相位信號(hào)的改變；及一動(dòng)態(tài)信號(hào)補(bǔ)償器，用以動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償感測器震幅與相位信號(hào)的強(qiáng)度；及一高解析度的類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器，用以將上述的相位差類比輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的數(shù)位信號(hào)，并送至中央處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控。
所述感測器驅(qū)動(dòng)電路與感測器偵測電路，包括一數(shù)值控制型震蕩器，用以產(chǎn)生工作所需特定頻率的弦波信號(hào)；及一動(dòng)態(tài)信號(hào)控制器，用以動(dòng)態(tài)控制由上述數(shù)值控制型震蕩器所產(chǎn)生的弦波信號(hào)；及一感測器的致動(dòng)器，用以驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷并帶動(dòng)感測器產(chǎn)生特定頻率與震幅的震動(dòng)；及一感測器，用以感測外在物理量的改變。
所述數(shù)值控制型震蕩器接受中央控制單元所送的數(shù)位信號(hào)，以一超高頻率解析度的數(shù)值控制式震蕩器產(chǎn)生工作所需的周期波信號(hào)，并將該信號(hào)饋入動(dòng)態(tài)信號(hào)控制器；此外，上述的周期性工作信號(hào)亦作為一量測所需的參考信號(hào)。
所述動(dòng)態(tài)信號(hào)控制器接收數(shù)值控制型震蕩器所產(chǎn)生的弦波信號(hào)，動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償控制該信號(hào)的震幅，以有效的驅(qū)動(dòng)感測器的機(jī)械致動(dòng)裝置。
所述感測器的致動(dòng)器接受上述動(dòng)態(tài)信號(hào)控制器的輸出信號(hào)，并用以驅(qū)動(dòng)雙極性的壓電材料產(chǎn)生固定震幅與頻率的震動(dòng)，帶動(dòng)感測器。
所述感測器接收感測器致動(dòng)器所產(chǎn)生的特定頻率與震幅的信號(hào)，使感測器工作于敏感度最佳的諧振頻率附近，則感測器對(duì)于外在物理量的改變的靈敏度最佳。
所述感測物理信號(hào)的訊號(hào)轉(zhuǎn)換、放大、與濾波電路，包括一電流至電壓轉(zhuǎn)換器，一前置放大器，與一低通濾波器；將感測器所感測到的物理量改變?nèi)珉娏?、感測器震幅、電阻值、電容值、磁力、靜電力轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并將該電壓信號(hào)放大以利觀測，濾波電路則作為電器、環(huán)境雜訊濾除之用。
所述相位移動(dòng)電路包括一相位移動(dòng)電路，一類比式低成本的相位移動(dòng)裝置，用以將量測所需的參考信號(hào)與感測器所感測到的量測信號(hào)做適當(dāng)?shù)南辔灰苿?dòng)，以得到最佳的相位差至電壓轉(zhuǎn)換的增益。
所述震幅與相位信號(hào)轉(zhuǎn)換器包括一方均根值轉(zhuǎn)換器，用以將感測器震幅的交流量測信號(hào)，轉(zhuǎn)換成為直流的電壓信號(hào)；及一正弦波至方波轉(zhuǎn)換器，以用將上述經(jīng)相位移動(dòng)過的量測弦波訊號(hào)轉(zhuǎn)換成為量測方波訊號(hào)；及一相位差偵測器，用以偵測參考方波信號(hào)與量測方波信號(hào)的相位差，并將相位差轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的類比輸出電壓信號(hào)；及一低通濾波器，用以對(duì)上述類比輸出的震幅相關(guān)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理；及一帶通濾波器，用以對(duì)上述類比輸出的相位相關(guān)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理。
所述方均根值轉(zhuǎn)換器包括一方均根值轉(zhuǎn)換電路，用以將感測器震幅的交流量測信號(hào)，轉(zhuǎn)換成為相對(duì)應(yīng)的直流電壓信號(hào)；及正弦波至方波的轉(zhuǎn)換電路包括一弦波至方波的轉(zhuǎn)換電路，用以將周期性的參考量測信號(hào)與感測器所感測到的量測信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，此一部份采用二極體與運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)；及一相位差偵測器，采用乘法定理借以偵測兩饋入的周期性方波的相位差，并將相位差轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；及帶通放大器，包括一帶通濾波電路，用以將相位差偵測器輸出的電壓訊號(hào)的直流成分濾除；及低通放大器包括一低通濾波電路，用以將方均根值轉(zhuǎn)換器輸出的電壓訊號(hào)的雜訊成分濾除。
采用上述方案后，由于本發(fā)明包括一中央控制單元、一數(shù)值控制型震蕩器、一動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制器、一感測器致動(dòng)器、一感測器、一四象限光偵測器、一電流至電壓轉(zhuǎn)換器、一前置放大器、二低通濾波器、二相位移動(dòng)電路、一方均根值轉(zhuǎn)換器、一正弦波至方波轉(zhuǎn)換器、一相位差偵測器、一帶通濾波器、二動(dòng)態(tài)信號(hào)補(bǔ)償器和一多通道高精度類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器。其系采用壓電陶瓷致動(dòng)微懸臂梁的方式，借以感測奈米級(jí)的物理量如作用力、溫度、溫度、氣壓的改變。具體而言上述系統(tǒng)的工作原理為可以連續(xù)且類比的方式偵測一微懸臂梁因受外在物理量改變所導(dǎo)致的震幅與相位的改變，搭配相關(guān)的震幅與相位轉(zhuǎn)換積體電路可以將相位差改變量與震幅改變量轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電壓改變量，將此電壓改變量饋入上述的多通道高精度類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器，即可以中央控制單元立即的觀測作為感測器的懸臂梁因受外在物理量改變所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)性震幅與相位變化。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于制作成本低、連續(xù)式的偵測與轉(zhuǎn)換方式、對(duì)于相位改變與震幅改變的偵測靈敏高、相位信號(hào)對(duì)于待測弦波的震幅變化影響極小。


圖1是高精密度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置簡圖；圖2是感測器驅(qū)動(dòng)電路與感測器偵測電路方塊圖；圖3是感測訊號(hào)轉(zhuǎn)換、放大、與濾波電路方塊圖；圖4是相位移動(dòng)電路方塊圖；圖5是震幅與相位信號(hào)轉(zhuǎn)換器方塊圖；圖6是正弦波至方波轉(zhuǎn)換電路方塊圖；圖7是動(dòng)態(tài)震幅與相位信號(hào)補(bǔ)償器與高精度類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換電路方塊圖。
主要元件符號(hào)說明1 中央控制單元 2 數(shù)值控制型震蕩器3 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制器 4 感測器的致動(dòng)器5 感測器 6 四象限光偵測器7 電流至電壓轉(zhuǎn)換器 8 前置放大器9 低通濾波器 10第一相移器11第二相移器 12方均根值轉(zhuǎn)換器13正弦波至方波轉(zhuǎn)換器 14相位差偵測器15低通濾波器 16帶通濾波器17第一動(dòng)態(tài)信號(hào)補(bǔ)償器 18第二動(dòng)態(tài)信號(hào)補(bǔ)償器19多通道高精度類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器61第一放大器 62第一箝位器63第二放大器 64第二箝位器
65第三放大器 66第三箝位器67第四放大器 68第四箝位器具體實(shí)施方式
本發(fā)明借由一動(dòng)態(tài)懸臂梁的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與連續(xù)式類比高敏感度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置，可以將奈米級(jí)的物理量改變所造成的微懸臂梁的震幅與相位變化轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電壓變化，借由分析與觀測上述與震幅和相位呈完全正相關(guān)的電壓訊號(hào)的變化，即可反推待測樣品的表面形貌結(jié)構(gòu)，亦或是感測器周邊的溫度、濕度、與壓力的改變。下文將作詳細(xì)的說明如圖1-圖7所示中央控制單元1，借以決定感測器5的驅(qū)動(dòng)訊號(hào)頻率，同時(shí)將此一頻率轉(zhuǎn)換成為數(shù)位信號(hào)，將此一數(shù)位信號(hào)輸出控制數(shù)值控制型震蕩器2產(chǎn)生系統(tǒng)運(yùn)作所需的固定頻率弦波。此外相位差信號(hào)與震幅信號(hào)亦借由一高精度的類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器19，轉(zhuǎn)換成數(shù)位信號(hào)并輸入至中央控制單元1進(jìn)行分析與監(jiān)控。
數(shù)值控制震蕩器2可以借由電腦控制直接產(chǎn)生檢測所需的特定頻率弦波信號(hào)，此一弦波記號(hào)一方面作為一量測用的參考訊號(hào)，另一方面亦將此一訊號(hào)送至感測器5。此一方式較先前的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于控制方式較簡單，僅需一顆數(shù)值控制震蕩器即可完成，成本較低。
動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制器3借以動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償上述的數(shù)值控制震蕩器2所產(chǎn)生的弦波的震幅，以因應(yīng)不同驅(qū)動(dòng)靈敏度的壓電陶瓷微懸臂梁驅(qū)動(dòng)器。
感測器的致動(dòng)器4，以雙極性的壓電陶瓷極板做為機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料，接收上述經(jīng)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制器3處理過的弦波信號(hào)，借由壓電材料的機(jī)電原理，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)性的形變，借以驅(qū)動(dòng)感測器5產(chǎn)生固定頻率與震幅的震動(dòng)。
感測器5受外在物理量改變?nèi)鐪囟?、壓力、濕度、作用力等因素的影響所產(chǎn)生的形變而導(dǎo)致的量測弦波相位的改變。本發(fā)明的感測裝置應(yīng)用范圍較廣，較先前技術(shù)可以量測更多的物理量的奈米級(jí)改變，并不局限于奈米級(jí)的形貌檢測。
四象限的光偵測器6可以同步的偵測感測器5受橫向與縱向的作用力而產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)性形變。
電流至電壓轉(zhuǎn)換器7將上述的四象限光偵測器6所偵測的電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換至對(duì)應(yīng)性的電壓信號(hào)。上述的電流信號(hào)將因感測器所受外在物理量的不同而有所不同。
本發(fā)明所提的低通濾波器9，可以將感測器5、電子電路、量測周邊環(huán)境的不確定因子所引入的雜訊加以濾除。此一裝置在已發(fā)表的專利并無述及。
第一相移器10的相位偵測器采用乘法器的原理進(jìn)行相位的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明所提出的相位移動(dòng)器可以將參考信號(hào)與待測訊號(hào)皆進(jìn)行對(duì)應(yīng)性的相位移動(dòng)，使兩待測訊號(hào)的靜相位差為0度，90度，180度與270度，則相位差與相對(duì)應(yīng)的電壓改變可得最大的轉(zhuǎn)換靈敏度。此一部分的技術(shù)亦為本發(fā)明的重心，先前發(fā)表的專利技術(shù)并無此一訊號(hào)處理的方法。
第二相移器11因?yàn)橄辔粋蓽y器采用乘法器的原理進(jìn)行相位的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明所提出的相位移動(dòng)器可以將參考信號(hào)與待測訊號(hào)皆進(jìn)行對(duì)應(yīng)性的相位移動(dòng)，使兩待測訊號(hào)的靜相位差為0度，90度，180度與270度，則相位差與相對(duì)應(yīng)的電壓改變可得最大的轉(zhuǎn)換靈敏度。此一部分的技術(shù)亦為本發(fā)明的重心，先前發(fā)表的專利技術(shù)并無此一訊號(hào)處理的方法。
方均根值轉(zhuǎn)換器12借以將量測的弦波信號(hào)的震幅轉(zhuǎn)換成為對(duì)應(yīng)的直流電壓信號(hào)，當(dāng)量測弦波信號(hào)的震幅因外在作用力改變，其相對(duì)的方均根值直流電壓信號(hào)亦將對(duì)應(yīng)性的改變。此一感測器震幅偵測器亦未曾于已經(jīng)發(fā)表的專利述及。
正弦波至方波轉(zhuǎn)換器13采用兩階段訊號(hào)放大與箝位裝置如第一放大器61、第一箝位器62、第二放大器63、第二箝位器64、第三放大器65、第三箝位器66、第四放大器67與第四箝位器68，即可以類比的方式將兩待測弦波訊號(hào)處理成震幅一致的方波訊號(hào)，因此量測訊號(hào)的震幅改變并不會(huì)影響到相位偵測器的輸出訊號(hào)，換言之相位偵測器的訊號(hào)輸出僅同下且完整的轉(zhuǎn)換量待測訊號(hào)的相位差。此一部分的技術(shù)與觀念為本發(fā)明的重心，先前發(fā)表的專利技術(shù)并無此一訊號(hào)處理的技術(shù)。
承上所述，兩經(jīng)相位移動(dòng)與箝位器處理后的方波訊號(hào)送至圖1所示的相位差偵測器14即可以將兩方波的相位差訊號(hào)轉(zhuǎn)換成類比的電壓訊號(hào)。此一部份的相位差檢測技術(shù)采用信號(hào)相乘以擷取相位差的原理，亦與已經(jīng)發(fā)表的專利技術(shù)有明顯的差別。
本發(fā)明所提的低通濾波器15，可以將感測器5、電子電路、量測周邊環(huán)境的不確定因子所引入的雜訊加以濾除。此一裝置在已發(fā)表的專利并無述及。
帶通濾波器16可以將輸入訊號(hào)亦即相位差偵測器14的輸出訊號(hào)的直流成分亦即弦波震幅所造成的部分濾除，此外亦可以將高頻的雜訊濾除。亦即經(jīng)此一帶通濾波器16的訊號(hào)輸出將完全反應(yīng)兩待測弦波的相位差。此一訊號(hào)處理的概念亦未曾于已經(jīng)發(fā)表的相關(guān)專利述及。
第一動(dòng)態(tài)信號(hào)補(bǔ)償器17借以動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償與感測器震幅相關(guān)的電壓信號(hào)的強(qiáng)度。
第二動(dòng)態(tài)信號(hào)補(bǔ)償器18借以動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償與相位差相關(guān)的電壓信號(hào)的強(qiáng)度。
多通道高精度類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器19借以同步的將上述的震幅與相位相關(guān)的電壓信號(hào)，擷取并轉(zhuǎn)換成為數(shù)位信號(hào)并饋入中央控制單元1進(jìn)行分析、觀測。
如圖1所示，以上述的構(gòu)件，于操作使用實(shí)施時(shí)由中央控制單元1產(chǎn)生數(shù)位的控制訊號(hào)借以控制數(shù)值控制震蕩器2產(chǎn)生特定頻率的弦波訊號(hào)fexcite(t)；及將該fexcite(t)信號(hào)送至第二相移器11，進(jìn)行適當(dāng)?shù)南辔灰苿?dòng)，并做為參考量測信號(hào)；及將該fexcite(t)信號(hào)送至感測器致動(dòng)器4借以驅(qū)動(dòng)感測器5；及當(dāng)量測感測器5于運(yùn)作時(shí)，受外在物理量改變將產(chǎn)生對(duì)應(yīng)性的形變，此一形變將于四象限光偵測器6產(chǎn)生對(duì)應(yīng)性的位移改變，此一位移改變將于四象限光偵測器6的輸出產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的電流改變，將此一量測的電流改變經(jīng)訊號(hào)-電壓轉(zhuǎn)換器，即可以將感測器5所量測到的物理量改變轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電壓訊號(hào)；及將該電壓訊號(hào)饋入低通濾波器9，即可將量測訊號(hào)做適當(dāng)?shù)碾s訊抑制與濾除，得到一名為量測訊號(hào)fm(t)＝Amcos(ω0t+Δθ(t))的訊號(hào)；及將量測訊號(hào)fm(t)饋入正弦波至方波轉(zhuǎn)換器13處理之后，可得一相位與fm(t)一致而震幅固定于Cm的方波訊號(hào)Cm(ω0t+θ2+Δθ(t))；及將參考訊號(hào)fexcite(t)饋入正弦波至方波轉(zhuǎn)換器13處理之后，可得一相位與fexcite(t)一致而震幅固定于Cexcite的方波訊號(hào)Cexcite(ω0t+θ1)；及將方波訊號(hào)Cm(ω0t+θ2+Δθ(t))與Cexcite(ω0t+θ1)送入相位差偵器14，即可以連續(xù)的將輸入的兩方波訊號(hào)fm(t)和fexcite(t)的微相位差轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電壓訊號(hào)Jθ(t)?？梢灶A(yù)知的，當(dāng)前述的感測器5感應(yīng)到外在的應(yīng)力、溫度、濕度等物理量的改變，將于量測訊號(hào)fm(t)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的相位改變，此時(shí)電壓訊號(hào)Jθ(t)亦將產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的改變；及將電壓訊號(hào)Jθ(t)送入帶通濾波器16，即可以對(duì)Jθ(t)進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠嵦?hào)處理與雜訊抑制；及將量測訊號(hào)fm(t)經(jīng)第一相移器10之后的信號(hào)饋入方均根值轉(zhuǎn)換器12，即可以同步的將量測訊號(hào)fm(t)的震幅信號(hào)轉(zhuǎn)換成為相對(duì)應(yīng)的直流電壓信號(hào)，亦即可以同步的監(jiān)測微懸臂梁因外在作用力的影響所產(chǎn)生的震幅改變；及將低通濾波器15輸出的電壓信號(hào)饋入第一動(dòng)態(tài)信號(hào)補(bǔ)償器17，借以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償因感測器的材料特性與壓電特性不同所產(chǎn)生于方均根值轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度不同；及將帶通濾波器16輸出的電壓信號(hào)饋入第二動(dòng)態(tài)信號(hào)補(bǔ)償器18，借以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償因感測器的材料特性與壓電特性不同所產(chǎn)生于相位差偵測輸出信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度不同；及將第一動(dòng)態(tài)信號(hào)補(bǔ)償器17的感測器震幅輸出訊號(hào)與第二動(dòng)態(tài)信號(hào)補(bǔ)償器18的相位輸出訊號(hào)送至多通道高精度類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器19，即可以將震幅與相位改變的類比訊號(hào)轉(zhuǎn)換成中央控制單元1可判讀的數(shù)位訊號(hào)，并送至電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
權(quán)利要求
1.一種高精密度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置，作為檢測一感測機(jī)構(gòu)受外在物理量改變而產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)形變，其特征在于它包括一中央控制單元，用以決定感測器的工作頻率，并產(chǎn)生此一工作頻率所需的對(duì)應(yīng)數(shù)位控制訊號(hào)；此一中央控制單元并用以監(jiān)控感測器的連續(xù)震幅與相位改變；及一感測器驅(qū)動(dòng)電路與感測器偵測電路，用以產(chǎn)生感測器工作所需的特定頻率弦波訊號(hào)；上述的數(shù)位控制訊號(hào)饋入數(shù)值控制型震蕩器，產(chǎn)生感測器工作所需的特定頻率的類比弦波訊號(hào)，用以驅(qū)動(dòng)感測器；上述的類比弦波訊號(hào)并作為相位量測所需的參考信號(hào)；及一感測物理信號(hào)的訊號(hào)轉(zhuǎn)換、放大與濾波電路，用以將感測器的輸出弦波信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠嵦?hào)轉(zhuǎn)換，信號(hào)震幅放大、與信號(hào)雜訊濾波的處理；及一相位移動(dòng)電路，用以將上述經(jīng)處理過的量測弦波信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)南辔灰苿?dòng)；及一震幅與相位信號(hào)轉(zhuǎn)換器，用以即時(shí)同步監(jiān)控因外在物理量的改變所產(chǎn)生的感測器的震幅與相位信號(hào)的改變；及一動(dòng)態(tài)信號(hào)補(bǔ)償器，用以動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償感測器震幅與相位信號(hào)的強(qiáng)度；及一高解析度的類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器，用以將上述的相位差類比輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的數(shù)位信號(hào)，并送至中央處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與監(jiān)控。
2.如權(quán)利要求1所述的高精密度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置，其特征在于所述感測器驅(qū)動(dòng)電路與感測器偵測電路，包括一數(shù)值控制型震蕩器，用以產(chǎn)生工作所需特定頻率的弦波信號(hào)；及一動(dòng)態(tài)信號(hào)控制器，用以動(dòng)態(tài)控制由上述數(shù)值控制型震蕩器所產(chǎn)生的弦波信號(hào)；及一感測器的致動(dòng)器，用以驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷并帶動(dòng)感測器產(chǎn)生特定頻率與震幅的震動(dòng)；及一感測器，用以感測外在物理量的改變。
3.如權(quán)利要求2所述的高精密度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置，其特征在于所述數(shù)值控制型震蕩器接受中央控制單元所送的數(shù)位信號(hào)，以一超高頻率解析度的數(shù)值控制式震蕩器產(chǎn)生工作所需的周期波信號(hào)，并將該信號(hào)饋入動(dòng)態(tài)信號(hào)控制器；此外，上述的周期性工作信號(hào)亦作為一量測所需的參考信號(hào)。
4.如權(quán)利要求2所述的高精密度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置，其特征在于所述動(dòng)態(tài)信號(hào)控制器接收數(shù)值控制型震蕩器所產(chǎn)生的弦波信號(hào)，動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償控制該信號(hào)的震幅，以有效的驅(qū)動(dòng)感測器的機(jī)械致動(dòng)裝置。
5.如權(quán)利要求2所述的高精密度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置，其特征在于所述感測器的致動(dòng)器接受上述動(dòng)態(tài)信號(hào)控制器的輸出信號(hào)，并用以驅(qū)動(dòng)雙極性的壓電材料產(chǎn)生固定震幅與頻率的震動(dòng)，帶動(dòng)感測器。
6.如權(quán)利要求2所述的高精密度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置，其特征在于所述感測器接收感測器致動(dòng)器所產(chǎn)生的特定頻率與震幅的信號(hào)，使感測器工作于敏感度最佳的諧振頻率附近，則感測器對(duì)于外在物理量的改變的靈敏度最佳。
7.如權(quán)利要求1所述的高精密度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置，其特征在于所述感測物理信號(hào)的訊號(hào)轉(zhuǎn)換、放大、與濾波電路，包括一電流至電壓轉(zhuǎn)換器，一前置放大器，與一低通濾波器；將感測器所感測到的物理量改變?nèi)珉娏?、感測器震幅、電阻值、電容值、磁力、靜電力轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并將該電壓信號(hào)放大以利觀測，濾波電路則作為電器、環(huán)境雜訊濾除之用。
8.如權(quán)利要求1所述的高精密度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置，其特征在于所述相位移動(dòng)電路包括一相位移動(dòng)電路，一類比式低成本的相位移動(dòng)裝置，用以將量測所需的參考信號(hào)與感測器所感測到的量測信號(hào)做適當(dāng)?shù)南辔灰苿?dòng)，以得到最佳的相位差至電壓轉(zhuǎn)換的增益。
9.如權(quán)利要求1所述的高精密度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置，其特征在于所述震幅與相位信號(hào)轉(zhuǎn)換器包括一方均根值轉(zhuǎn)換器，用以將感測器震幅的交流量測信號(hào)，轉(zhuǎn)換成為直流的電壓信號(hào)；及一正弦波至方波轉(zhuǎn)換器，以用將上述經(jīng)相位移動(dòng)過的量測弦波訊號(hào)轉(zhuǎn)換成為量測方波訊號(hào)；及一相位差偵測器，用以偵測參考方波信號(hào)與量測方波信號(hào)的相位差，并將相位差轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的類比輸出電壓信號(hào)；及一低通濾波器，用以對(duì)上述類比輸出的震幅相關(guān)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理；及一帶通濾波器，用以對(duì)上述類比輸出的相位相關(guān)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理。
10.如權(quán)利要求9所述的高精密度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置，其特征在于所述方均根值轉(zhuǎn)換器包括一方均根值轉(zhuǎn)換電路，用以將感測器震幅的交流量測信號(hào)，轉(zhuǎn)換成為相對(duì)應(yīng)的直流電壓信號(hào)；及正弦波至方波的轉(zhuǎn)換電路包括一弦波至方波的轉(zhuǎn)換電路，用以將周期性的參考量測信號(hào)與感測器所感測到的量測信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，此一部份采用二極體與運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)；及一相位差偵測器，采用乘法定理借以偵測兩饋入的周期性方波的相位差，并將相位差轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；及帶通放大器，包括一帶通濾波電路，用以將相位差偵測器輸出的電壓訊號(hào)的直流成分濾除；及低通放大器包括一低通濾波電路，用以將方均根值轉(zhuǎn)換器輸出的電壓訊號(hào)的雜訊成分濾除。
全文摘要
一種高精密度微懸臂梁相位與震幅偵測裝置，包括中央控制單元、感測器驅(qū)動(dòng)電路與偵測電路、感測物理信號(hào)的訊號(hào)轉(zhuǎn)換、放大與濾波電路、相位移動(dòng)電路、震幅與相位信號(hào)轉(zhuǎn)換器、動(dòng)態(tài)信號(hào)補(bǔ)償器和多通道高精度類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器。其以連續(xù)且類比方式偵測一微懸臂梁因受外在物理量改變所導(dǎo)致的震幅與相位改變，再以震幅與相位轉(zhuǎn)換電路將相位差與震幅改變量轉(zhuǎn)換成電壓改變量，將電壓改變量饋入多通道高精度類比至數(shù)位轉(zhuǎn)換器，即可以中央控制單元觀測到作為感測器的懸臂梁因受外在物理量改變所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)震幅與相位變化。其制作成本低、連續(xù)式的偵測與轉(zhuǎn)換方式、對(duì)于相位改變與震幅改變的偵測靈敏高、相位信號(hào)對(duì)于待測弦波的震幅變化影響極小。
文檔編號(hào)G01D5/12GK101064058SQ200610035379
公開日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2006年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月29日
發(fā)明者王彥杰 申請(qǐng)人:王彥杰