CN103616098A - 一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器，包括测量微压力引起机械振动的金属弹性元件，在所述金属弹性元件的顶部粘贴有挠曲电介电薄膜，周边设置有绝缘层，所述挠曲电介电薄膜上下表面分别设置有上金属电极和下金属电极，所述挠曲电介电薄膜的上金属电极和下金属电极分别连接有两条输出测量电荷信号的引线，所述金属弹性元件下方具有施加压力的压力通道，所述挠曲电介电薄膜连同上金属电极和下金属电极均置于外壳内，两条引线的一端从外壳引出；本发明通过施加压力与金属弹性元件中机械变形的应变梯度之间的线性关系测量薄膜上受到的压力，能够准确、简单的实现压力的测量。

Description

一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，具体涉及一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器。

背景技术

传统的压电式传感器利用某些电介质材料具有压电效应的现象制成。压电效应是指在电介质的一定方向上施加外力(压力或拉力)作用而变形时，在其表面上产生电荷从而可以实现非电量的检测。压电式传感器具有体积小，重量轻，频带宽等特点，适用于对各种动态力，机械冲击与振动的测量，广泛应用在力学、声学、医学和宇航方面。压电式传感器是一种无源传感器。压电式传感器通常利用压电材料的正压电效应制成。

然而在晶体学中，压电效应被严格限制在具有非中心对称结构的晶体中才存在，这大大限制了材料的选取和利用。另一方面天然的压电材料压电效应非常微弱，很难用于实际检测。目前广泛使用的压电材料主要由石英晶体和压电陶瓷，钛酸钡，镐钛酸铅(PZT)等材料。在工业上，镐钛酸铅这类压电陶瓷被大量的使用，由于镐钛酸铅含有重金属铅，对环境和人类健康都是有害的。并且压电传感器的一个明显缺点是对温度敏感，在居里温度以上压电效应失效。

与压电效应不同，挠曲电效应是指由应变梯度引起的极化现象，挠曲电效应普遍存在于所有的电介质中，包括非压电材料和各向同性材料。挠曲电效应通常定义为：

$P_l={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ijkl}}\frac{{\∂\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}}{{\∂x}_k}---\left(1\right)$

这里μ_ijkl是四阶挠曲电系数张量。

ε_ij是材料的弹性应变，

x_k是梯度的方向，

P_l是引起的电极化，

在国际单位制下，挠曲电系数的单位是C/m。

这里的挠曲电效应严格意义上讲指的是正挠曲电效应，逆挠曲电效应指电场梯度引起的应力现象。挠曲电式传感器基于正挠曲电效应制成的。

与基于正压电效应制成的传统压电式传感器不同，挠曲电式传感器的材料选择范围更广，环境和人类友好型材料可用来制备挠曲电式传感器。另外一个显著的特点是与应变不同，应变梯度是随着结构尺寸的减小而增大的，小尺寸高灵敏度的挠曲电传感器是可行的。再者，在传感器承力结构小变形中，应变通常非常小，这大大增加了检测的难点，但是小变形大应变梯度的现象是普遍存在的。

发明内容

为了解决上述现有技术上存在的问题，本发明的目的在于提供一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器，通过施加压力与金属弹性元件中机械变形的应变梯度（曲率）之间的线性关系测量薄膜上受到的压力，能够准确、简单的实现压力的测量。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器，包括测量微压力引起机械振动的金属弹性元件1，在所述金属弹性元件1的顶部粘贴有挠曲电介电薄膜2，周边设置有绝缘层3，所述挠曲电介电薄膜2上下表面分别设置有上金属电极4和下金属电极5，所述挠曲电介电薄膜2的上金属电极4和下金属电极5分别连接有两条输出测量电荷信号的引线6，所述金属弹性元件1下方具有施加压力的压力通道7，所述挠曲电介电薄膜2连同上金属电极4和下金属电极5均置于外壳8内，两条引线6的一端从外壳8引出。

所述金属弹性元件1也置于外壳8内。

所述引线6与挠曲电介电薄膜2的上金属电极4和下金属电极5分别通过引线键合的方式连接。

所述挠曲电介电薄膜2为钛酸锶钡薄膜。

所述挠曲电介电薄膜2粘贴在金属弹性元件1的顶部中央。

所述金属弹性元件1的顶部全部嵌入挠曲电介电薄膜2。

所述金属弹性元件1通过其周边的绝缘层3固定在置于金属弹性元件1下方的底座9上，所述底座9为中空结构形成压力通道7。

在室温下，钛酸锶钡材料具有极高的介电常数和正挠曲电系数（μ₁₂≈100μC/m），可用于测量钛酸锶钡薄膜表面由正挠曲电效应产生的电荷。

本发明和现有技术相比，具有以下优点：

1）本发明采用正挠曲电效应测量压力，与传统的压电式压力传感器不同，材料的选取范围更宽，并可以克服应变测量压力的一些不足。

2）变形中金属弹性元件和钛酸锶钡薄膜的应变梯度相同(曲率相同)，不需要应变的转换，是一种更直接的测量方式。

3）相对于压电式压力传感器，具有高灵敏度，并具有尺寸效应，随薄膜尺度的减小灵敏度增加，并有望在低频检测领域发挥重要的作用。

4）在小变形情况下，应变的测量教为困难，大应变梯度依然存在，可极为容易的检测到电信号，甚至可直接输出电信号分析，为结构的现场检测提供了可能。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明硅薄膜顶部去掉绝缘层后的俯视图。

图3为本发明力学模型图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器，包括测量微压力引起机械振动的金属弹性元件1，在所述金属弹性元件1的顶部粘贴有挠曲电介电薄膜2，周边设置有绝缘层3，所述挠曲电介电薄膜2上下表面分别设置有上金属电极4和下金属电极5，所述挠曲电介电薄膜2的上金属电极4和下金属电极5分别连接有两条输出测量电荷信号的引线6，所述金属弹性元件1下方具有施加压力的压力通道7，所述挠曲电介电薄膜2连同上金属电极4和下金属电极5均置于外壳8内，两条引线6的一端从外壳8引出。本实施例所述金属弹性元件1通过其周边的绝缘层3固定在置于金属弹性元件1下方的底座9上，所述底座9为中空结构形成压力通道7。

作为本发明的优选实施方式，所述金属弹性元件1也可以置于外壳8内。这样，就可以屏蔽外界的电荷干扰，从而更精确的测量压力。

所述引线6与挠曲电介电薄膜2的上金属电极4和下金属电极5分别通过引线键合的方式连接。这样，由介电薄膜的挠曲电效应产生的电荷或电压就可以通过引线输出到外部测量仪器中。

所述挠曲电介电薄膜2为钛酸锶钡薄膜。

所述挠曲电介电薄膜2粘贴在金属弹性元件1的顶部中央。使得测量结果更精确。

所述金属弹性元件1的顶部全部嵌入挠曲电介电薄膜2。这样，可以测量到最多的电荷量或最大电压差。

如图3所示，图中2a为金属弹性元件的直径，金属弹性元件受外压力而发生变形，可以用挠曲电介电薄膜模拟金属元件的弹性变形，挠曲电介电薄膜中的应变随挠曲电介电薄膜的厚度线性分别(纯弯曲假设)，根据薄板理论和正挠曲电效应：

u_rr=u_θθ=zG   (2)

$P_z={\mathrm{\μ}}_{12}(\frac{{\∂u}_{\mathrm{rr}}}{\∂z}+\frac{{\∂u}_{\mathrm{\θ\θ}}}{\∂z})={2\mathrm{\μ}}_{12}G---\left(3\right)$

这里u_rr和u_θθ是挠曲电介电薄膜中的轴向和径向应变，G是金属弹性元件板变形时中性面的曲率，z是厚度方向坐标，P_z是由正挠曲电效应在挠曲电介电薄膜上下表面引起的电荷密度。

小变形情况下下金属弹性元件的曲率G正比于受到的压力P，这里P是要测量的压力，则输出电荷

正比于需要测量的压力p，这里A_e是挠曲电介电薄膜上下表面电极的面积。这样可以通过测量输出电信号的大小就可以测得金属弹性元件一面受到的压力值，实现非电量压力的测量。

Claims (7)

1.一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器，包括测量微压力引起机械振动的金属弹性元件（1），其特征在于：在所述金属弹性元件（1）的顶部粘贴有挠曲电介电薄膜（2），周边设置有绝缘层（3），所述挠曲电介电薄膜（2）上下表面分别设置有上金属电极（4）和下金属电极（5），所述挠曲电介电薄膜（2）的上金属电极（4）和下金属电极（5）分别连接有两条输出测量电荷信号的引线（6），所述金属弹性元件（1）下方具有施加压力的压力通道（7），所述挠曲电介电薄膜（2）连同上金属电极（4）和下金属电极（5）均置于外壳（8）内，两条引线（6）的一端从外壳（8）引出。

2.根据权利要求1所述的一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器，其特征在于：所述金属弹性元件（1）也置于外壳（8）内。

3.根据权利要求1所述的一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器，其特征在于：所述引线（6）与挠曲电介电薄膜（2）的上金属电极（4）和下金属电极（5）分别通过引线键合的方式连接。

4.根据权利要求1所述的一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器，其特征在于：所述挠曲电介电薄膜（2）为钛酸锶钡薄膜。

5.根据权利要求1所述的一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器，其特征在于：所述挠曲电介电薄膜（2）粘贴在金属弹性元件（1）的顶部中央。

6.根据权利要求1所述的一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器，其特征在于：所述金属弹性元件（1）的顶部全部嵌入挠曲电介电薄膜（2）。

7.根据权利要求1所述的一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器，其特征在于：所述金属弹性元件（1）通过其周边的绝缘层（3）固定在置于金属弹性元件（1）下方的底座（9）上，所述底座（9）为中空结构形成压力通道（7）。

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