CN102155987B - 一种差容式微振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差容式微振动传感器，该传感器由一块金属电容动极板，上下两块电容定极板及两块金属垫片组成两个随基座振动而差动变化的敏感电容，敏感质量块直接由金属电容动极板的外环区域构成，无需附加敏感质量块，敏感质量块通过不少于3个的沿圆周均匀分布的弧形弹性悬臂与紧固在安装立柱上的固定区域相连，阻尼孔沿敏感质量块的中径圆周方向均匀分布，电容定极板的基体为陶瓷材料，在相互绝缘的外环区域和内环区域涂覆导电金属薄膜，外环区域的金属薄膜用以形成敏感电容的固定电极并从侧面直接焊接引线，内环区域的金属薄膜用以将动极板与地导通，本发明传感器具有灵敏度高，频率特性好，抗过载和冲击能力强，结构简单的优点。

Description

一种差容式微振动传感器

技术领域

本发明涉及一种差容式微振动传感器，属于惯性测量领域。

背景技术

振动传感器在海陆空天飞行器的惯性导航，对地观测，深空探测，以及高技术武器的精确制导中一直发挥着重要作用，在新一代的航天型号任务中，对高精度高可靠的微振动传感器有着迫切的需求。

电容式振动传感器因其在测量精度，温度特性，低功耗，宽动态响应范围及结构简单等特点，近年来格外受到重视，尤其在μg级高精度微振动应用领域，更是得到广泛的应用。电容式传感器的敏感信号是电容，其原理一般是由敏感质量块和衬底之间形成一个平行板电容器，当被测基体发生振动时，敏感质量块与传感器壳体会产生一个相对位移，引起敏感电容两极板的正对面积或间距发生变化，从而导致电容值发生变化，通过接口电路检测电容变化并向外界输出敏感轴方向上的振动信号的模拟或数字信号。

电容式振动传感器与电容式加速度传感器在测量原理上是一致的。国内外公布的关于电容式加速度传感器的专利很多，大部分集中在基于微机电技术(MEMS)的微机械电容式加速度传感器，如专利号为US5375469，US5616844，US2008/0028857A1等美国专利，和专利号为200310106002.0，01804958.3等中国专利。基于MEMS的微机械电容式加速度计具有体积小、成本低、重量经、功耗低等优点，在汽车电子等消费电子领域得到了广泛的应用。然而因为MEMS工艺水平的限制，在MEMS微机械电容式加速度计在噪音水平和抗冲击能力上仍然存在一定的差距，难以应用在精度和可靠性要求很高的军用微振动测量领域。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种差容式微振动传感器，该传感器具有很高的灵敏度，很低的噪音水平和良好的频响特性，测量精度可以达到μg级，而且该传感器抗大冲击和高过载的能力强，可以应用于高可靠性要求的军用高精度微振动测量领域。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种差容式微振动传感器，包括安装在基座上的敏感元件，敏感元件包括电容动极板，两块电容定极板，两块导电垫片及安装立柱，其中电容动极板位于两块电容定极板之间，两块导电垫片分别位于电容动极板与两块电容定极板之间，在电容动极板和电容定极板之间产生电容间隙，形成上下两个敏感电容，并且电容动极板，两块电容定极板与两块导电垫片中心位置均开有通孔，安装立柱穿过通孔将电容动极板，两块电容定极板与两块导电垫片连接为一个整体，并由安装螺母进行紧固，安装立柱与基座连接；电容动极板包括敏感质量块，弹性悬臂和固定区域，其中敏感质量块由电容动极板的外环区域构成，固定区域由电容动极板的内环区域构成，通孔位于固定区域的中心位置，敏感质量块通过不少于3个的弹性悬臂与固定区域相连，弹性悬臂为弧形，沿固定区域的圆周均匀分布，敏感质量块上开有阻尼孔。

在上述差容式微振动传感器中，导电垫片为金属垫片，且金属垫片的厚度小于30μm。

在上述差容式微振动传感器中，敏感质量块上的阻尼孔的分布方式为单圈均匀分布或双圈均匀分布。

在上述差容式微振动传感器中，当阻尼孔为单圈均匀分布时，即阻尼孔在敏感质量块的半径为R的圆周位置上均匀分布，当阻尼孔为双圈均匀分布时，即两圈阻尼孔分别分布在敏感质量块的半径为R+ΔR的圆周位置与半径为R-ΔR的圆周位置上，其中ΔR小于等于阻尼孔的半径r，半径R为环形敏感质量块的中径，即敏感质量块的内径R₁与外径R₂之和的一半。

在上述差容式微振动传感器中，电容定极板包括陶瓷基片和金属薄膜，其中金属薄膜包括薄膜a、薄膜b、薄膜c、薄膜d和薄膜e，薄膜a涂覆在陶瓷基片的外环区域，与敏感质量块相对，形成敏感电容；薄膜b涂覆在陶瓷基片的外环侧壁并与薄膜a连通，用于焊接电容定极板的引线；薄膜c与薄膜e分别涂覆在陶瓷基片的内环区域，与导电垫片相对并连通；薄膜d涂覆在陶瓷基片的内环侧壁，并与薄膜c和薄膜e连通。

在上述差容式微振动传感器中，电容动极板为导电金属材料，采用双面化学腐蚀工艺一次成型。

在上述差容式微振动传感器中，陶瓷基片的材料为绝缘性能良好的陶瓷材料。

在上述差容式微振动传感器中，金属薄膜采用溅射工艺制作。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明对传感器的敏感元件进行了创新性的结构设计，使得敏感电容中可动电极与固定电极的相对面积大，且弹性悬臂采用新型的弧形设计，有效的增加悬臂的柔性度，提高了传感器的灵敏度，电容动极板采用弹性金属材料，抗冲击能力强，可靠性高；

(2)本发明中敏感质量块上设计有阻尼孔，无需在整个敏感质量块上打阻尼孔，阻尼孔只需沿圆环形敏感质量块的中径圆周方向单圈或者交错排列的双圈均匀分布，即可实现理想的压膜阻尼功能，有效减小了阻尼孔面积，保证了传感器在保证高灵敏度的同时，还具有很低的噪音水平和良好的频响特性；且双圈孔的分布方式是在结合理论计算和大量实验的基础上得出，在保证高灵敏度和良好频响特性的同时，还提高了电容动极板的强度；

(3)本发明中电容定极板采用在绝缘的陶瓷基片上的外环和内环区域上涂覆金属薄膜的方法实现，电容动极板和金属垫片与陶瓷基片上内环区域的金属薄膜直接接触，从而实现了敏感电容可动电极与基座的导通接地，敏感电容固定电极的引线直接焊接定极板的外环侧壁上，该设计结构简单，引线方便，成本低廉。

附图说明

图1为本发明差容式微振动传感器的结构示意图；

图2为本发明差容式微振动传感器电容动极板的结构示意图；

图3为本发明差容式微振动传感器电容动极板上阻尼孔排布示意图；

图4为本发明差容式微振动传感器电容定极板的剖视图；

图5为本发明差容式微振动传感器电容定极板的轴侧图；

图6为本发明差容式微振动传感器电容定极板与导电垫片安装图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例给出了详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示为本发明差容式微振动传感器的结构示意图，由图可知该传感器包括电容动极板1，两块电容定极板2，两块金属垫片3，基座5，安装立柱6，装配螺母7。电容动极板1位于两块电容定极板2之间，两块导电垫片3分别位于电容动极板1与电容定极板2之间，在电容动极板1上的可动电极(即敏感质量块8)和电容定极板2上固定电极(即金属薄膜a)之间产生电容间隙，形成上下两个敏感电容4，敏感质量块8随基座5的振动而相对于电容定极板2产生相应的位移，引起敏感电容4发生差动变化，以达到测量振动信号的目的。

电容动极板1，电容定极板2和金属垫片3通过中间的通孔串在安装立柱6上，通过装配螺母7在其中一块电容定极板2上进行紧固。安装立柱6与基座5通过螺纹连接。

本实施例中电容动极板1的材料采用高弹性合金铍青铜，通过双面化学腐蚀工艺加工。如图2所示为本发明差容式微振动传感器电容动极板的结构示意图，图3所示为本发明差容式微振动传感器电容动极板上阻尼孔排布示意图。电容动极板1包括敏感质量块8，弹性悬臂9，阻尼孔10，固定区域11和安装内孔12。敏感质量块8通过弹性悬臂9与紧固在安装立柱6上的固定区域11相连。电容动极板1为通体的导电金属材料，敏感质量块8直接作为可动极板使用。相比已公布专利中把敏感质量块放置在动极板的中心位置，本发明将圆形电容动极板1的外环区域作为敏感质量，既增加了敏感质量块8的质量，又增加了敏感电容4的相对极板面积，有利于增加传感器的灵敏度。

当基座5随被测物体振动时，敏感质量块8因惯性力的作用上下移动，引起上下两个敏感电容4发生差动变化。本实施例中的弹性悬臂9采用如图2所示的弧形设计，三条悬臂沿圆周方向均匀分布，相比于已公布专利中的直梁或L型梁，这种新颖的弧形设计在保证悬臂的结构强度的同时，能有效的增加悬臂的柔性度，从而使敏感质量块8可以随基座5的振动而相对于上下平板产生较大的位移，引起敏感电容较明显的变化，从而提高灵敏度，可用于微小振动的测量，弹性悬臂9的数目可以根据量程的设计需求进行选择，例如可以选择5个或7个。另一方面，本发明中的弧形悬臂设计缩短了敏感质量块8与内环固定区域11的直线距离，等效增加了敏感电容的极板面积，也有利于增加传感器的输出灵敏度。差容式传感器的灵敏度与敏感电容4的电容间隙成反比关系，而电容间隙直接由金属垫片3的厚度决定，本实施例中选用20μm厚的铍青铜金属垫片3，灵敏度可达15pF/g。

阻尼设计是差容式传感器设计的一个重要环节，良好的阻尼设计(即ξ＝0.707)可以改善传感器的频率特性，同时也可以衰减一些杂散的自由振动，降低系统噪音水平，提高测量精度。当敏感质量块8上下移动时，夹于极板间隙中的气体受到挤压而对敏感质量块8的表面产生反向作用力，可以在很宽的频带范围内能提供有效的阻尼功能，这种阻尼形式通常称作“压膜阻尼”。这种阻尼设计无需另加机构，其性质类似一般的粘性阻尼(即阻尼力正比于相对速度)，不受温度影响。理论上，压膜阻尼力的大小与极板间隙的立方成反比。对于20μm甚至更小的极板间隙，形成的阻尼比ξ远大于理想值0.707。

本发明在敏感质量块8上设计有阻尼孔10，来降低系统的阻尼以获得良好的频响特性。但是敏感质量块8上分布的阻尼孔10越多，敏感电容4的等效极板面积会越小，不利于传感器的灵敏度，所以如何用最少的阻尼孔来实现降阻尼的功能对于微振动传感器是非常重要的。本发明中阻尼孔10可以采用单圈或双圈设计，当阻尼孔10为单圈均匀分布时，阻尼孔10在敏感质量块8的半径为R的圆周位置上均匀分布，即阻尼孔10的圆心在敏感质量块8的半径为R的圆周位置上；当阻尼孔10为双圈均匀分布时，两圈阻尼孔10的圆心分别分布在敏感质量块8的半径为R+ΔR的圆周位置与半径为R-ΔR的圆周位置上，其中ΔR小于等于阻尼孔10的半径r，半径R为环形敏感质量块8的中径，即敏感质量块8的内径R₁与外径R₂之和的一半。

本实施例中在圆环形敏感质量块8的中径附近设计有交错排列的两圈阻尼孔，如图3所示，即可实现将阻尼比降低至0.7附近。本发明的阻尼孔设计牺牲的灵敏度更小，更有利于微小振动的测量。本发明采用的交错排列的方式强度更高，有利于保证传感器的抗冲击性能和抗高过载性能。

本实施例中采用铍青铜来制作电容动极板1和导电垫片3，是因为铍青铜同时具备如下优点：a)抗拉强度大，铍青铜通过时效硬化后最大抗拉强度可以达到1400MPa；b)弹性好，时效处理后其弹性极限可达到最大值，具有良好的弹性稳定性和小的弹性滞后；c)导电性能好，不同类型的铍青铜导电性能可达到20％-60％IACS(国际退火铜标准)；d)耐疲劳强度高；e)耐高温性能好；f)，成型性能好；g)抗腐蚀性能好，铍青铜通过时效硬化后，表面会形成一层保护膜，从而具有优越的抗氧化和抗腐蚀性能。

如图4所示为本发明差容式微振动传感器电容定极板的剖视图；图5所示为本发明差容式微振动传感器电容定极板的轴侧图，本实施例中电容定极板2包括陶瓷基片13和金属薄膜14。陶瓷基片13采用氧化铝陶瓷。氧化铝陶瓷因其优良的力学性能、电性能、化学稳定性，较好的生物及环境相容性，而且原料来源广泛，制造成本低，是目前生产量最大、应用面最广的陶瓷材料之一，特别是在电子工业中电路衬底材料、发动机零部件材料、刀具材料已得到了广泛的应用。为了满足微振动传感器的设计要求，陶瓷基片13上下表面需反复精密研磨抛光以保证其表面平面度。

如图4所示，陶瓷基片13上涂敷有金属薄膜14。其中金属薄膜a与电容动极板1的敏感质量块8相对以组成敏感电容4。金属薄膜b涂敷在陶瓷基片13的外侧，且与金属薄膜a完全连通，金属薄膜b上可以直接焊接引线以引出作为固定极板即金属薄膜a上的电信号至后续的处理电路。金属薄膜c涂覆在与金属垫片3接触区域，金属薄膜d涂覆在陶瓷基片13的通孔15的侧壁，金属薄膜e涂覆在陶瓷基片13的背面，其涂覆区域大小与金属薄膜c相同。金属薄膜d分别与金属薄膜c，e导通，金属薄膜a和b与金属薄膜c，d，e绝缘，为了保证绝缘性，本发明金属薄膜a与金属薄膜c的间隙应大于1mm。金属薄膜c通过金属垫片3与电容动极板1直接导通。如图1所示，上下两层电容定极板2上的金属薄膜e分别与基座5上的装配螺母7和安装立柱6接触导通。本发明的这种结构设计在组件装配过程即实现了电容动极板1的接地，大幅降低了传感器敏感电容4的引线处理的难度。本实施例中陶瓷基片13上的金属薄膜14为镍层，采用离子溅射的工艺实现，如图6所示为本发明差容式微振动传感器电容定极板与导电垫片安装图。

本发明中，陶瓷基片13和敏感电容4的极板间隙中的气体薄膜在过载状态下对电容动极板1可起到弹性止动的作用，能有效的保护电容动极板1在过载或冲击状态下不受到破坏。陶瓷基片13的厚度由传感器的抗冲击和抗过载能力的设计指标决定，本实施例中，陶瓷基片13的厚度取1.5mm，抗冲击能力可达3000g(峰值)。

尽管已经详细说明和描述了本发明的优选实施例，但在不脱离本发明的精神或所附的权利要求范围的情况下，可以做出各种修改，这对本领域的工程技术人员是很显然的。例如，改变敏感电容的极板间隙和阻尼孔的大小及分布密度，以调整传感器的输出灵敏度并保证频响特性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种差容式微振动传感器，包括安装在基座(5)上的敏感元件，其特征在于：所述敏感元件包括电容动极板(1)，两块电容定极板(2)，两块导电垫片(3)及安装立柱(6)，其中电容动极板(1)位于两块电容定极板(2)之间，两块导电垫片(3)分别位于电容动极板(1)与两块电容定极板(2)之间，在电容动极板(1)和电容定极板(2)之间产生电容间隙，形成上下两个敏感电容(4)，并且电容动极板(1)，两块电容定极板(2)与两块导电垫片(3)中心位置均开有通孔，安装立柱(6)穿过所述通孔将电容动极板(1)，两块电容定极板(2)与两块导电垫片(3)连接为一个整体，并由装配螺母(7)进行紧固，安装立柱(6)与基座(5)连接；电容动极板(1)包括敏感质量块(8)，弹性悬臂(9)和固定区域(11)，其中敏感质量块(8)由电容动极板(1)的外环区域构成，固定区域(11)由电容动极板(1)的内环区域构成，通孔(12)位于固定区域(11)的中心位置，敏感质量块(8)通过不少于3个的弹性悬臂(9)与固定区域(11)相连，弹性悬臂(9)为弧形，沿固定区域(11)的圆周均匀分布，所述敏感质量块(8)上开有阻尼孔(10)；所述电容定极板(2)包括陶瓷基片(13)和金属薄膜(14)，其中金属薄膜(14)包括第一薄膜(a)、第二薄膜(b)、第三薄膜(c)、第四薄膜(d)和第五薄膜(e)，第一薄膜(a)涂覆在陶瓷基片(13)的外环区域，与敏感质量块(8)相对，形成敏感电容；第二薄膜(b)涂覆在陶瓷基片(13)的外环侧壁并与第一薄膜(a)连通，用于焊接电容定极板(2)的引线；第三薄膜(c)与第五薄膜(e)分别涂覆在陶瓷基片(13)的内环区域，与导电垫片(3)相对并连通；第四薄膜(d)涂覆在陶瓷基片(13)的内环侧壁，并与第三薄膜(c)和第五薄膜(e)连通。

2.根据权利要求1所述的一种差容式微振动传感器，其特征在于：所述导电垫片(3)为金属垫片，且金属垫片的厚度小于30μm。

3.根据权利要求1所述的一种差容式微振动传感器，其特征在于：所述敏感质量块(8)上的阻尼孔(10)的分布方式为单圈均匀分布或双圈均匀分布。

4.根据权利要求3所述的一种差容式微振动传感器，其特征在于：当所述的阻尼孔(10)为单圈均匀分布时，即阻尼孔(10)在敏感质量块(8)的半径为R的圆周位置上均匀分布，当所述的阻尼孔10为双圈均匀分布时，即两圈阻尼孔(10)分别分布在敏感质量块(8)的半径为R+ΔR的圆周位置与半径为R-ΔR的圆周位置上，其中ΔR小于等于所述阻尼孔(10)的半径r，半径R为环形敏感质量块(8)的中径，即敏感质量块(8)的内径R1与外径R2之和的一半。

5.根据权利要求1所述的一种差容式微振动传感器，其特征在于：所述电容动极板(1)为导电金属材料，采用双面化学腐蚀工艺一次成型。

6.根据权利要求1所述的一种差容式微振动传感器，其特征在于：所述陶瓷基片(13)的材料为绝缘性能良好的陶瓷材料。

7.根据权利要求1所述的一种差容式微振动传感器，其特征在于：所述金属薄膜(14)采用溅射工艺制作。

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