CN103604949A

CN103604949A - 一种环状压电式微加速度传感器

Info

Publication number: CN103604949A
Application number: CN201310582637.1A
Authority: CN
Inventors: 孙远程; 姚明秋; 苏伟; 唐彬; 陶逢刚; 曲兵兵
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2014-02-26

Abstract

本发明提供了一种环状压电式微加速度传感器。所述的传感器包括敏感芯片和上、下玻璃板；其中，敏感芯片包含两个上电极、两个下电极、两个压电层、支撑膜、外框、质量块。所述的两个下电极置于支撑膜之上，两个压电层置于下电极之上，两个上电极置于压电层之上。质量块悬置于下电极之下并与支撑膜固定连接，构成敏感芯片的可动部分。电极、压电层分别构成的圆环均与质量块同圆心。所述的敏感芯片与上、下玻璃板分别通过键合连接。本发明的环状压电式微加速度传感器的固有频率为14.2KHz以上，灵敏度为0.23pC/g。

Description

一种环状压电式微加速度传感器

技术领域

本发明属于微电子机械系统领域，具体涉及一种环状压电式微加速度传感器，具有万向性，较高固有频率和较好的抗冲击特性。

背景技术

某些加速度传感器需要在非常恶劣的环境下工作，如温度、强冲击、电磁干扰、暴露于多种化学物质中。该类型加速度传感器除需要在冲击过载等恶劣的环境过程中能够存活外，还要能正确接收冲击的信号。所以研制高安全过载、高量程、高触发灵敏度、抗干扰、低功耗的加速度传感器很有必要。压电式加速度传感器因其信噪比高，灵敏度高，响应频带宽，受外界干扰小，结构简单，寿命长，且无外部功能设备，在高冲击应用中受到高度重视。

压电式加速度传感器的工作原理是利用材料的压电效应，上下金属电极之间沉积一层压电层，通过悬臂梁或平面膜结构与下部质量块连接。当传感器受到力作用时，质量块会产生偏移，同时压电层会随之发生变形，压电层在发生应变的同时，将在上下两个电极间产生电荷。利用适当的外围电路将产生的电荷量转换为电压形式输出，根据此信号的大小，测出冲击力的大小，由牛顿第二定律得出加速度的值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环状压电式微加速度传感器，使传感器的固有频率达到14kHz以上。对于高量程加速度传感器，抗冲击性是高量程加速度传感器的重要的参数指标，结构采用圆形结构，可以解决在高冲击下的强度问题。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的环状压电式微加速度传感器，其特点是，所述的传感器包括敏感芯片、上玻璃板、下玻璃板。其中，敏感芯片含有第一压电层、第二压电层、第一上电极、第二上电极、第一下电极、第二下电极、支撑膜、外框、圆柱状的质量块。所述的第二压电层、第一压电层由内外两个圆环构成；第一上电极、第二上电极、第一下电极、第二下电极均为环状。其连接关系是,所述的第一下电极、第二下电极设置于支撑膜上表面，并与支撑膜上表面固定连接。所述的第一压电层、第二压电层分别设置于第一下电极、第二下电极的上表面，并与第一下电极、第二下电极上表面固定连接。所述的第一上电极、第二上电极分别设置于第一压电层、第二压电层的上表面，并与第一压电层、第二压电层的上表面固定连接。所述的质量块悬置于第一下电极、第二下电极之下，并与支撑膜固定连接；所述的支撑膜与外框固定连接。所述的敏感芯片与上玻璃板、下玻璃板分别对齐并通过键合连接。

所述的敏感芯片中的第一下电极与第一上电极直径相同；第二下电极与第二上电极直径相同。

所述的质量块与第二下电极为同轴设置。

所述的第一压电层、第二压电层、第一下电极、第二下电极、第一上电极、第二上电极均为同轴设置。

所述的第一压电层外圆的直径大于第一上电极外圆、第一下电极外圆的直径；所述的第一压电层1内圆的直径小于第一上电极内圆、第一下电极内圆的直径；所述的第二压电层外圆的直径大于第二上电极外圆、第二下电极外圆的直径；所述的第二压电层内圆的直径小于第二上电极内圆、第二下电极内圆的直径。

所述的圆柱状质量块表面圆的直径大于第二上电极、第二下电极内圆的直径。

本发明的环状压电式微加速度传感器，当受到力作用时，质量块相对基体运动导致压电层发生变形，压电材料变形的同时，在上下电极之间产生电荷，通过外围检测电路就可知道加速度的大小。

本发明的环状压电式微加速度传感器的优点是：

1. 本发明采用圆柱状质量块。由于采用圆柱状质量块，结构对称，受到任何方向的力，压电层都会发生形变，从而很好的解决触发引信的万向性问题。

2. 质量块的大小可以根据灵敏度和频响的需要进行调整。

3．整个支撑膜是一个平面结构。由于采用平面结构，相对于悬臂梁结构具有更强的抗冲击能力；当受到横向加速度时，也不会因为扭曲变形使梁断裂。

4. 环状压电层与悬臂梁结构的压电层相比，具有更大的有效面积，产生更多的电荷量。

5. 压电层内外两环状结构可以根据灵敏度和频响的需要对内外圆直径大小进行调整，增大了设计的灵活性。

6. 压电层内外两圆环部分不相连，提高电荷输出量。由于从固支端到质量块处径向应力的符号相反，将两个区域分开，使该两个区域产生的电荷相互叠加而不是相互抵消。

7.质量块与外框之间的支撑膜部分为一平面结构，使敏感芯片占满一个单元，（其厚度与传感器的量程有关），在工艺上会避免有很大难度的穿通、释放悬臂梁结构的过程。因此重复性好。

8. 本发明的环状压电式微加速度传感器是由敏感芯片与上、下玻璃板键合在一起构成，该封装工艺简单，操作方便。

9. 敏感芯片可动结构与上、下盖板之间有适当的距离，一方面使敏感芯片的可动部分有足够的运动间隙，另一方面在条件合适的时候可以调整阻尼系数，这样保证了该器件工作频带较宽。

附图说明

图1为本发明的环状压电式微加速度传感器分解图；

图2为本发明的环状压电式微加速度传感器中的敏感芯片结构示意图；

图3为本发明的环状压电式微加速度传感器中的敏感芯片俯视图；

图4为沿图3 A-A剖线的剖面图；

图5为本发明的环状压电式微加速度传感器中的敏感芯片背面示意图；

图中，1.第一压电层 2.第二压电层 3.支撑膜 4.第一上电极 5.第二上电极 6.第一下电极 7.第二下电极 8.质量块 9.下玻璃 10.上玻璃 11.敏感芯片 12.外框。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

图1为本发明的环状压电式微加速度传感器分解图，图2为本发明的环状压电式微加速度传感器中的敏感芯片结构示意图，图3为本发明的环状压电式微加速度传感器中的敏感芯片俯视图，图4为沿图3 A-A剖线的剖面图，图5为本发明的环状压电式微加速度传感器中的敏感芯片背面示意图。在图1~5中，本发明的环状压电式微加速度传感器，包括敏感芯片11、上玻璃板10、下玻璃板9；其中，敏感芯片含有第一压电层1、第二压电层2、第一上电极4、第二上电极5、第一下电极6、第二下电极7、支撑膜3、外框12、圆柱状质量块8；所述的第二压电层2、第一压电层1由内外两个圆环构成；第一上电极4、第二上电极5、第一下电极6、第二下电极7均为环状；其连接关系是,所述的第一下电极6、第二下电极7设置于支撑膜3上表面，并与支撑膜3上表面固定连接；所述的第一压电层1、第二压电层2分别设置于第一下电极6、第二下电极7的上表面，并与第一下电极6、第二下电极7上表面固定连接；所述的第一上电极4、第二上电极5分别设置于第一压电层1、第二压电层2的上表面，并与第一压电层1、第二压电层2的上表面固定连接；所述的质量块8悬置于第一下电极6、第二下电极7之下，并与支撑膜3固定连接，构成敏感芯片的可动部分；所述的支撑膜3与外框12固定连接；所述的敏感芯片11与上玻璃板10、下玻璃板9分别对齐并通过键合连接。

所述的敏感芯片11中的第一下电极6与第一上电极4直径相同，第二下电极7与第二上电极5直径相同。

所述的质量块8与第二下电极7为同轴设置。

所述的第一压电层1、第二压电层2、第一下电极6、第二下电极7、第一上电极4、第二上电极5均为同轴设置。

所述的第一压电层1外圆的直径比第一上电极4外圆、第一下电极6外圆的直径大35μm；所述的第一压电层1内圆的直径比第一上电极4内圆、第一下电极6内圆的直径小35μm；所述的第二压电层2外圆的直径比第二上电极5外圆、第二下电极7外圆的直径大35μm；所述的第二压电层2内圆的直径比第二上电极5内圆、第二下电极7内圆的直径小35μm。

所述的圆柱状质量块8表面圆的直径比第二上电极5、第二下电极7内圆的直径大25μm。

所述的第一压电层1与第二压电层2之间间隔为55μm。

所述的第一下电极6与第二下电极7之间间隔为90μm。

所述的第一上电极4与第二上电极5之间间隔为90μm。

所述的第一上电极4、第二上电极5与上玻璃板10之间的距离为80μm；所述的质量块8的下表面与下玻璃板9之间的距离为90μm。一方面使敏感芯片有足够的运动间隙，另一方面在条件合适的时候可以调整阻尼系数。

本实施例中，敏感芯片长度为1800μm，宽度为1800μm，厚度为310μm；质量块上表面圆直径为305μm，厚度为310μm；外框厚度310μm，外框内部圆直径为995μm；支撑膜厚度10μm。本发明的传感器固有频率约为14.2kHz，灵敏度约0.23pC/g。

实施例2

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，所述的第一压电层外圆的直径比第一上电极外圆、第一下电极外圆的直径大45μm；所述的第一压电层内圆的直径比第一上电极内圆、第一下电极内圆的直径小45μm；第二压电层外圆的直径比第二上电极外圆、第二下电极外圆的直径大45μm；第二压电层内圆的直径比第二上电极内圆、第二下电极内圆的直径小45μm；圆柱状质量块表面圆的直径比第二上电极、第二下电极内圆的直径大15μm；第一压电层与第二压电层之间间隔为50μm；第一下电极与第二下电极之间间隔为95μm；第一上电极与第二上电极之间间隔为95μm；第一上电极、第二上电极与上玻璃板之间的距离为100μm；质量块的下表面与下玻璃板之间的距离为110μm；质量块上表面圆直径为300μm；外框内部圆直径为1000μm；支撑膜厚度50μm。本发明的传感器固有频率约为17.6kHz，灵敏度约0.18pC/g。

实施例3

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是，所述的第一压电层外圆的直径比第一上电极外圆、第一下电极外圆的直径大40μm；所述的第一压电层内圆的直径比第一上电极内圆、第一下电极内圆的直径小40μm；第二压电层外圆的直径比第二上电极外圆、第二下电极外圆的直径大40μm；第二压电层内圆的直径比第二上电极内圆、第二下电极内圆的直径小40μm；圆柱状质量块表面圆的直径比第二上电极、第二下电极内圆的直径大22μm；第一压电层与第二压电层之间间隔为53μm；第一下电极与第二下电极之间间隔为93μm；第一上电极与第二上电极之间间隔为93μm；第一上电极、第二上电极与上玻璃板之间的距离为90μm；质量块的下表面与下玻璃板之间的距离为100μm；质量块上表面圆直径为304μm；外框内部圆直径为996μm；支撑膜厚度25μm。本发明的传感器固有频率约为15.8kHz，灵敏度约0.2pC/g。

本发明绝非仅局限于实施例。

Claims

1.一种环状压电式微加速度传感器，其特征在于：所述的传感器包括敏感芯片（11）、上玻璃板（10）、下玻璃板（9）；其中，敏感芯片（11）含有第一压电层（1）、第二压电层（2）、第一上电极（4）、第二上电极（5）、第一下电极（6）、第二下电极（7）、支撑膜（3）、外框（12）、圆柱状的质量块（8）；所述的第二压电层（2）、第一压电层（1）由内外两个圆环构成；第一上电极（4）、第二上电极（5）、第一下电极（6）、第二下电极（7）均为环状；其连接关系是,所述的第一下电极（6）、第二下电极（7）设置于支撑膜（3）上表面，并与支撑膜（3）上表面固定连接；所述的第一压电层（1）、第二压电层（2）分别设置于第一下电极（6）、第二下电极（7）的上表面，并与第一下电极（6）、第二下电极（7）的上表面固定连接；所述的第一上电极（4）、第二上电极（5）分别设置于第一压电层（1）、第二压电层（2）的上表面，并与第一压电层（1）、第二压电层（2）的上表面固定连接；所述的质量块（8）悬置于第一下电极（6）、第二下电极（7）之下，并与支撑膜（3）固定连接；所述的支撑膜（3）与外框（12）固定连接；所述的敏感芯片（11）与上玻璃板（10）、下玻璃板（9）分别通过键合连接。

2.根据权利要求1所述的环状压电式微加速度传感器，其特征在于：所述的敏感芯片（11）中的第一下电极（6）与第一上电极（4）直径相同，第二下电极（7）与第二上电极（5）直径相同。

3.根据权利要求1所述的环状压电式微加速度传感器，其特征在于：所述的质量块（8）与第二下电极（7）为同轴设置。

4.根据权利要求1所述的环状压电式微加速度传感器，其特征在于：所述的第一压电层（1）、第二压电层（2）、第一下电极（6）、第二下电极（7）、第一上电极（4）、第二上电极（5）均为同轴设置。

5.根据权利要求l所述的环状压电式微加速度传感器，其特征在于：所述的第一压电层（1）外圆的直径大于第一上电极（4）外圆、第一下电极（6）外圆的直径；所述的第一压电层（1）内圆的直径小于第一上电极（4）内圆、第一下电极6内圆的直径；所述的第二压电层（2）外圆的直径大于第二上电极（5）外圆、第二下电极（7）外圆的直径；所述的第二压电层（2）内圆的直径小于第二上电极（5）内圆、第二下电极（7）内圆的直径。

6.根据权利要求1所述的环状压电式微加速度传感器，其特征在于：所述的圆柱状质量块（8）表面圆的直径大于第二上电极（5）、第二下电极（7）内圆的直径。