CN104089737A - 一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器，包括测量微压力引起机械变形的金属弹性元件，在其顶部粘贴有多层挠曲电介电薄膜，挠曲电介电薄膜上下表面分别设有上金属电极和下金属电极，上金属电极和下金属电极之间通过绝缘层隔开，挠曲电介电薄膜的上金属电极和下金属电极分别连有输出测量电荷信号的引线，挠曲电介电薄膜连同上金属电极和下金属电极以及绝缘层均置于外壳内，引线的一端从外壳引出，金属弹性元件和外壳间设有绝缘垫片，金属弹性元件下方具有施加压力的压力通道；本发明通过所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，通过叠层的方式提高输出电荷，从而提高灵敏度，能够准确、简单的实现压力的测量。

Description

一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，具体涉及一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器。

背景技术

传统的压电式传感器利用某些电介质材料具有受力后具有压电效应的现象制成。压电效应是指某些电介质在受到一定方向上外力作用而变形(弯曲或者伸缩变形)时，由于内部电荷发生极化而在其表面上产生电荷聚集的现象。压电传感器就是通过测量表面电荷，利用力电耦合关系实现其它非电量的测量。压电式传感器具有小体积，小质量，耗能小，对于动态测量敏感度高，适合于宽频域的瞬态周期性力测量，广泛应用在力学、声学、医学、宇航和国防等方面。压电式传感器是一种无源传感器，并且压电式传感器通常就是利用压电材料的正压电效应制成。

虽然压电材料具有优越的力电转换效应，但是在晶体学中，压电效应仅存在于具有非中心对称结构的晶体，这样极大的限制了材料的选取和利用。天然存在的压电材料压电效应非常微弱，压电率太低，很难用于实际检测。目前广泛使用的压电材料主要有石英晶体、压电高分子和压电陶瓷等材料。在实际工业应用中，所采用的压电材料大多为镐钛酸铅类的压电陶瓷，然而镐钛酸铅含有重金属铅，容易对环境和人类健康造成伤害。

挠曲电效应和压电效应不同，是由于应变梯度或者是非均匀的应变场引起的局部破坏反演对称，从而导致晶体甚至是中心对称的晶体发生极化的现象。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。

此处的挠曲电效应严格意义上讲指的是正挠曲电效应，逆挠曲电效应指极化梯度引起的应变现象，此处的挠曲电式传感器基于正挠曲电效应制成的。

挠曲电式传感器和基于正压电效应制成的传统压电式传感器不同，挠曲电式传感器可以选择对环境和人类友好型材料可用来制备。另外一个显著的特点是挠曲电效应与尺寸相关，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在实际中可行。另外在传感器承力结构小变形中，由于应变通常非常小，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灵敏度叠层式挠曲电压力传感器，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：

一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器，包括测量微压力引起机械变形的金属弹性元件2，在所述金属弹性元件2的顶部粘贴有多层挠曲电介电薄膜6，所述挠曲电介电薄膜6上下表面分别设置有上金属电极7和下金属电极8，所述上金属电极7和下金属电极8之间通过绝缘层5隔开，所述挠曲电介电薄膜6的上金属电极7和下金属电极8分别连接有输出测量电荷信号的引线4，引线4的一端从外壳1引出，所述挠曲电介电薄膜6连同上金属电极7和下金属电极8以及绝缘层5均置于外壳1内，所述金属弹性元件2和外壳1间设置有绝缘垫片9，所述金属弹性元件2下方具有施加压力的压力通道10。

所述金属弹性元件2也置于外壳1内。

所述引线4与挠曲电介电薄膜6的上金属电极7和下金属电极8分别通过引线键合的方式连接。

所述挠曲电介电薄膜6为钛酸锶钡薄膜。

所述挠曲电介电薄膜6粘贴在金属弹性元件2的顶部中央。

所述金属弹性元件2的顶部全部嵌入挠曲电介电薄膜6。

所述金属弹性元件2的下方固定有底座3，所述底座3为中空结构形成压力通道10。

所述多层挠曲电介电薄膜6之间以绝缘层5相互间隔增加。

所述挠曲电介电薄膜6的最外层为绝缘层5。

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，挠曲电式传感器材料的选取范围更宽。

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，随薄膜尺寸的减小灵敏度增加。

4)在小变形情况下，应变的测量较为困难，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。

5)由于极化产生的电荷数量较小，测量难度较大，采用多层钛酸锶钡薄膜叠层的方式，提高输出电荷的倍数，在实验中灵敏度更高，更易于检测，提高实验检测的可靠度。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为图1去掉外壳后的俯视图。

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，本发明一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器，包括测量微压力引起机械变形的金属弹性元件2，在所述金属弹性元件2的顶部粘贴有多层挠曲电介电薄膜6，所述挠曲电介电薄膜6上下表面分别设置有上金属电极7和下金属电极8，所述上金属电极7和下金属电极8之间通过绝缘层5隔开，所述挠曲电介电薄膜6的上金属电极7和下金属电极8分别连接有输出测量电荷信号的引线4，引线4的一端从外壳1引出，所述挠曲电介电薄膜6连同上金属电极7和下金属电极8以及绝缘层5均置于外壳1内，所述金属弹性元件2和外壳1间设置有绝缘垫片9，所述金属弹性元件2下方具有施加压力的压力通道10。本实施例所述金属弹性元件2的下方固定有底座3，所述底座3为中空结构形成压力通道10。

作为本发明的优选实施方式，所述金属弹性元件2也可以置于外壳1内。从而屏蔽外界的电荷干扰，从而更精确的测量压力。

作为本发明的优选实施方式，所述引线4与挠曲电介电薄膜6的上金属电极7和下金属电极8分别通过引线键合的方式连接。由挠曲电介电薄膜6的挠曲电效应产生的电荷就可以通过引线4输出到外部测量仪器中。

作为本发明的优选实施方式，所述挠曲电介电薄膜6为钛酸锶钡薄膜。

作为本发明的优选实施方式，所述挠曲电介电薄膜6以绝缘层间隔叠重复的方式增加，最外层为绝缘层，根据实际的需要设置挠曲电介电薄膜的层数，增加输出电荷数量。

作为本发明的优选实施方式，所述挠曲电介电薄膜6粘贴在金属弹性元件2的顶部中央。使得测量结果更精确。

作为本发明的优选实施方式，所述金属弹性元件2的顶部全部嵌入挠曲电介电薄膜6。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，通过力的传递进而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变化(纯弯曲假设)，根据薄板理论和正挠曲电效应，对于单层的钛酸锶钡薄膜：

u_rr＝u_θθ＝zG   (2)

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

$G_z=\underset{A_e}{\∫}{P}_{z}d{A}_3=2{\mathrm{\μ}}_{12}{A}_{e}G---\left(4\right)$

这里u_rr和u_θθ是单层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是单层挠曲电介电薄膜厚度方向坐标，P_z是单层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，Q_z为单层挠曲电介电薄膜输出的电荷，A_e是挠曲电介电薄膜上下表面电极的面积，μ₁₂是四阶挠曲电系数张量。

小变形情况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，则总的输出电荷Q＝nQ_z＝2nμ₁₂A_eG正比于需要测量的压力p，这里n是挠曲电介电薄膜的层数，A_e是单层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。在实际测量中，由于工艺制备的等因素的影响，总输出电荷Q不可能完全服从Q＝nQ_z的线性规律，由于层数的增加，远离金属弹性元件的挠曲电介电薄膜所受到的压力会有所减小，从而产生的极化效应也会相应减弱。

Claims (9)

1.一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器，包括测量微压力引起机械变形的金属弹性元件(2)，其特征在于：在所述金属弹性元件(2)的顶部粘贴有多层挠曲电介电薄膜(6)，所述挠曲电介电薄膜(6)上下表面分别设置有上金属电极(7)和下金属电极(8)，所述上金属电极(7)和下金属电极(8)之间通过绝缘层(5)隔开，所述挠曲电介电薄膜(6)的上金属电极(7)和下金属电极(8)分别连接有输出测量电荷信号的引线(4)，引线(4)的一端从外壳(1)引出，所述挠曲电介电薄膜(6)连同上金属电极(7)和下金属电极(8)以及绝缘层(5)均置于外壳(1)内，所述金属弹性元件(2)和外壳(1)间设置有绝缘垫片(9)，所述金属弹性元件(2)下方具有施加压力的压力通道(10)。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器，其特征在于：所述金属弹性元件(2)也置于外壳(1)内。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器，其特征在于：所述引线(4)与挠曲电介电薄膜(6)的上金属电极(7)和下金属电极(8)分别通过引线键合的方式连接。

4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器，其特征在于：所述挠曲电介电薄膜(6)为钛酸锶钡薄膜。

5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器，其特征在于：所述挠曲电介电薄膜(6)粘贴在金属弹性元件(2)的顶部中央。

6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器，其特征在于：所述金属弹性元件(2)的顶部全部嵌入挠曲电介电薄膜(6)。

7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器，其特征在于：所述金属弹性元件(2)的下方固定有底座(3)，所述底座(3)为中空结构形成压力通道(10)。

8.根据权利要求1所述的一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器，其特征在于：所述多层挠曲电介电薄膜(6)之间以绝缘层(5)相互间隔增加。

9.根据权利要求1所述的一种高灵敏度叠层式挠曲电压力传感器，其特征在于：所述挠曲电介电薄膜(6)的最外层为绝缘层(5)。