CN103197101A - 非等截面悬臂梁压电式加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非等截面悬臂梁压电式加速度传感器，包括基座、质量块、悬臂梁和压电元件，悬臂梁一端固定于基座上，另一端连接质量块，悬臂梁上开有凹槽形成非等截面悬臂梁；所述压电元件固定在悬臂梁的凹槽上方，且与悬臂梁绝缘。该结构采用应力集中的非等截面悬臂梁结构设计压电式传感器，结合了压阻式非等截面悬臂梁加速度传感器低频特性好、灵敏度高的优点及压电式加速度传感器量程大、精度高、频响范围宽、工作温度范围宽、稳定性好等优点，克服了传统压阻式传感器比较脆弱，易损坏，受温度影响大的缺点和压电传感器低频特性差的缺点，实现了灵敏度高、感测频率范围宽、耐高温的压电式加速度传感器。

Description

非等截面悬臂梁压电式加速度传感器
技术领域
    本发明涉及加速度传感器技术领域，尤其涉及一种非等截面悬臂梁压电式加速度传感器。
背景技术
加速度传感器是将加速度、震动、冲击等物理现象所产生的压力转变成便于测量的电信号的测试仪器。常用的加速度传感器主要有压阻式和压电式传感器。
压阻式加速度传感器，通常用简单的等截面矩形悬臂设计，适用于直线加速度计和低频中低量程振动加速度计。为了提高输出灵敏度而用于低g值的直线加速度测量，有采用应力集中结构，在悬臂梁上开有对称凹槽，并在凹槽处粘贴半导体应变片。压阻式加速度计具有直流电压响应输出，通带宽度大，灵敏度高等优点，但比较脆弱，易损坏，受温度影响大，一般需要复杂的温度补偿电路。
压电式加速度传感器是利用其中压电元件的“压电效应”去检测力学量。压电加速度传感器有较宽的工作温度范围。具有量程大，精度高、频响范围宽，动态范围大，尺寸小，重量轻，寿命长，受外界干扰小，稳定性好，耐高温，适合于各种恶劣环境等优点；但具有受温度、噪声等的影响大等缺点。由于压电陶瓷自身电容的存在，一般压电加速度计的低频特性较差。
发明内容
为克服上述问题，本发明提出一种非等截面悬臂梁压电式加速度传感器，结合了压阻式传感器与压电式传感器的优点，灵敏度高，感测频率范围宽、耐高温。
为达到上述目的，本发明所提出的技术方案为：一种非等截面悬臂梁压电式加速度传感器，包括基座、质量块、悬臂梁和压电元件，悬臂梁一端固定于基座上，另一端连接质量块，悬臂梁上开有凹槽形成非等截面悬臂梁；所述压电元件固定在悬臂梁的凹槽上方，且与悬臂梁绝缘。
进一步的，所述悬臂梁的凹槽为上下对称的两个沿悬臂梁横向的开口槽，上下两个凹槽上方均固定有压电元件。
进一步的，所述凹槽为矩形槽、半圆柱槽或半椭圆柱槽。。
进一步的，所述压电元件为多片压电陶瓷或压电晶体串联或并联，或是压电纤维。
进一步的，所述压电元件直接键合于悬臂梁的凹槽上方，或通过螺栓锁定于悬臂梁的凹槽上方。
进一步的，所述压电元件与悬臂梁的贴合面设有绝缘片。
本发明的有益效果：采用应力集中的非等截面悬臂梁结构设计压电式传感器，结合了压阻式非等截面悬臂梁加速度传感器低频特性好、灵敏度高的优点及压电式加速度传感器量程大、精度高、频响范围宽、工作温度范围宽、稳定性好等优点，克服了传统压阻式传感器比较脆弱，易损坏，受温度影响大的缺点和压电传感器低频特性差的缺点，实现了灵敏度高、感测频率范围宽、耐高温的压电式加速度传感器。
附图说明
图1为本发明传感器实施例一结构示意图；
图2为本发明传感器实施例二结构示意图；
图3为本发明传感器实施例三结构示意图。
附图标记：1、质量块；2、悬臂梁；201、凹槽；3、压电元件；4、基座；5、绝缘片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明的悬臂梁压电式加速度传感器，包括基座4、质量块1、悬臂梁2和压电元件3，悬臂梁2一端固定于基座4上，另一端连接质量块1，悬臂梁2上开有凹槽201，形成非等截面悬臂梁；压电元件3固定在悬臂梁2的凹槽201上方，且与悬臂梁2绝缘。该实施例中，悬臂梁2的凹槽201为上下对称的两个沿悬臂梁2横向的开口槽，上下两个凹槽201上方均固定有压电元件3。其中压电元件3与悬臂2梁的绝缘方式可以采用热氧化或者离子注入的方式在悬臂梁2键合压电元件3的地方形成氧化硅或者氮化硅绝缘层。该传感器工作原理：通过基座4把振动传递给该结构的传感器，质量块1的惯性力导致悬臂梁2弯曲而产生应力，因为凹槽201处悬臂梁的横截面比较小，应力集中在凹槽201处，使贴合在凹槽201上方的压电元件3极化产生电荷，电荷通过放大调理电路进行信号放大调理，获得输出数据。该传感器采用应力集中非等截面悬臂梁结构，结合了压阻式非等截面悬臂梁加速度传感器低频特性好、灵敏度高的优点及压电式加速度传感器量程大、精度高、频响范围宽、工作温度范围宽、稳定性好等优点，克服了传统压阻式传感器比较脆弱，易损坏，受温度影响大的缺点和压电传感器低频特性差的缺点，实现了灵敏度高、感测频率范围宽、耐高温的压电式加速度传感器。
如图2所示的实施例二，与实施例一不同的是，该实施例中压电元件3与悬臂梁2的绝缘方式为直接在压电元件3与悬臂梁2的贴合面设置绝缘片5。
如图3所示的实施例三，与实施例二不同的是，该实施例中压电元件3采用压电双晶结构，以进一步提高灵敏度。还可以采用多片压电陶瓷或压电晶体串联或并联，或采用压电纤维。
本发明采用应力集中非等截面悬臂梁，将压电元件3贴合在悬臂梁2的凹槽201处正上方，通过设计凹槽201处梁的厚度即可控制灵敏度大小，通过设计质量块1和弹性悬臂梁2的刚度系数可设计需要的谐振频率，所以可较好地平衡灵敏度与谐振频率。其中，凹槽201可以为矩形槽、半圆柱槽或半椭圆柱槽等几何形状。另外通过选择压电元件3在悬臂梁2上面的贴合方式，如可将压电元件3直接键合于悬臂梁2的凹槽201上方，以避免因为粘结材料耐温性差而影响传感器高温性能；也可通过螺栓将压电元件3锁定于悬臂梁2的凹槽201上方。
该结构的压电式加速度传感器既适用于分立元件的加速度传感器，也适用于微机电集成芯片（MEMS）中的加速度传感器，并广泛应用于航空、航天、兵器、造船、纺织、农机、车辆、电气等各系统的振动、冲击测试、信号分析、机械动态试验、环境模拟实验、振动校准、模态分析、故障诊断、优化设计等。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.非等截面悬臂梁压电式加速度传感器，包括基座、质量块、悬臂梁和压电元件，其特征在于：悬臂梁一端固定于基座上，另一端连接质量块，悬臂梁上开有凹槽形成非等截面悬臂梁；所述压电元件固定在悬臂梁的凹槽上方，且与悬臂梁绝缘。
2.如权利要求1所述非等截面悬臂梁压电式加速度传感器，其特征在于：所述悬臂梁的凹槽为上下对称的两个沿悬臂梁横向的开口槽，上下两个凹槽上方均固定有压电元件。
3.如权利要求2所述非等截面悬臂梁压电式加速度传感器，其特征在于：所述凹槽为矩形槽、半圆柱槽或半椭圆柱槽。
4.如权利要求1-3任一项所述非等截面悬臂梁压电式加速度传感器，其特征在于：所述压电元件为多片压电陶瓷或压电晶体串联或并联，或是压电纤维。
5.如权利要求4所述非等截面悬臂梁压电式加速度传感器，其特征在于：所述压电元件直接键合于悬臂梁的凹槽上方，或通过螺栓锁定于悬臂梁的凹槽上方。
6.如权利要求4所述非等截面悬臂梁压电式加速度传感器，其特征在于：所述压电元件与悬臂梁的贴合面设有绝缘片。
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