[发明专利]扭矩传感器、扭矩传感装置、扭矩传感系统及其测量方法

说明书

公开了一种扭矩传感器，包括衬底；扭矩敏感单元，位于所述衬底上，感测转动轴的扭矩形变，输出扭矩感测信号；弯矩敏感单元，位于所述衬底上，感测转动轴的弯矩形变，输出弯矩感测信号。本发明的扭矩传感器通过额外设置弯矩敏感单元，同时获得扭矩感测信号和弯矩信号，采用弯矩信号对扭矩感测信号进行补偿，消除弯矩对扭矩感测信号的影响，可以提高测量的扭矩值的准确度。

技术领域

本发明涉及传感技术领域，特别涉及一种扭矩传感器、扭矩传感装置、扭矩传感系统及其测量方法。

背景技术

基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)的扭矩传感器得到广泛使用，例如助力式电动自行车采用扭矩传感器，人踩脚踏板产生的力矩通过电动自行车的转动轴转换成扭矩，扭矩的大小反馈到电动自行车的控制电机，从而达到助力的目的。压阻式扭矩传感器的原理是转动轴受到扭矩后，粘贴在转动轴上的传感器的电阻值发生变化，通过检测电阻形成的惠斯通电桥输出的差分信号，即可测得转动轴上的扭矩。

MEMS压阻式扭矩传感器可以采用单晶硅注入电阻的方式实现，且一般采用四个扩散电阻组成的惠斯通电桥输出差分信号实现扭矩感测信号的检测及输出。单晶硅上的电阻不仅仅会感应到纵向应变，即电流方向上的应变，也会感应到在横向和剪边方向上的部分应变，而这样会在硅应变计中产生大量的串扰。弯矩就是使转动轴弯曲所需要的力矩。实际在使用中，扭矩传感器一般以如图1所示的杆状结构为载体，其不仅会受到沿杆周向的使其扭曲的扭矩，杆状的载体受力中还会存在使其弯曲的力矩，即弯矩，可实际需要的只是扭矩，弯矩会对传感器的输出结果产生干扰，降低准确性。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种扭矩传感器、扭矩传感装置、扭矩传感系统及其测量方法，消除弯矩、温度等对扭矩传感器输出的扭矩感测值的影响，提高扭矩传感器输出的扭矩感测值的准确性。

根据本发明的第一方面，提供一种扭矩传感器，包括：衬底；扭矩敏感单元，位于所述衬底上，感测转动轴的扭矩形变，输出扭矩感测信号；弯矩敏感单元，位于所述衬底上，感测转动轴的弯矩形变，输出弯矩感测信号。

优选地，所述扭矩敏感单元包括第一惠斯通电桥结构，所述弯矩敏感单元包括第二惠斯通电桥结构。

优选地，所述第一惠斯通电桥结构包括串联连接成闭合环路的第一电阻、第四电阻、第二电阻以及第三电阻，所述第一电阻和第三电阻之间的节点与所述第二电阻和第四电阻之间的节点之间输出所述扭矩感测信号，所述第一电阻和第四电阻之间的节点与所述第二电阻和第三电阻之间的节点之间输入直流电压。

优选地，在无形变或无应力时，第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻的阻值相等。

优选地，所述第二惠斯通电桥结构包括串联连接成闭合环路的第五电阻、第八电阻、第六电阻以及第七电阻，所述第六电阻和第七电阻之间的节点与所述第五电阻和第八电阻之间的节点之间输出所述弯矩感测信号，所述第五电阻和第七电阻之间的节点与所述第六电阻和第八电阻之间的节点之间输入直流电压。

优选地，在无形变或无应力时，第五电阻、第六电阻、第七电阻以及第八电阻的阻值相等。

优选地，所述衬底为(100)晶面P型硅。

优选地，所述第一电阻和所述第二电阻的电流方向与所述P型硅的[110]晶向平行，所述第三电阻和所述第四电阻的电流方向与所述第一电阻和所述第二电阻的电流方向垂直。

优选地，所述第五电阻和所述第六电阻的电流方向与所述P型硅的[110]晶向的夹角为23°～45°，所述第七电阻和所述第八电阻的电流方向与所述第五电阻和所述第六电阻的电流方向垂直。

优选地，所述扭矩传感器还包括：温度敏感单元，位于所述衬底上，感测温度变化，输出温度感测信号。