CN104180849A - 振动和磁场双重传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动和磁场双重传感器，其包括具有中空结构的基座、安装于所述基座上的磁传感部、振动传感部、振动传感部导电焊针和磁传感部导电焊针，所述振动传感部包括弹性板、安装于所述弹性板上的压电片和磁性振子，所述弹性板的周沿支撑于所述基座上，所述压电片与振动传感部导电焊针电连接以输出振动信号；所述磁传感部用于感应变化的磁场并产生差分信号，所述磁传感部导电焊针与所述磁传感部电连接以输出磁变信号。综上，本发明具有振动和磁变双重检测功能，适用性广，且所述弹性板沿其轴向振动，共振频率低，检测灵敏度高、结构简单且成本低。

Description

振动和磁场双重传感器

技术领域

本发明属于微纳电子技术领域，具体涉及一种震动监测及磁变监测的振动和磁场双重传感器，结构简单、精度高、适用性广。

背景技术

磁传感器是把磁场、电流、应力应变、温度、光等引起敏感元件磁性能的变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的器件，而在生活中很多地方都需要用到磁传感器，比如说电脑硬盘、指南针、家用电器、车辆等等，在这些领域需要用磁传感器做电流传感、角度传感、齿轮传感、太空环境测量等待。综上，由于被检测信号的强度越来越弱，这就需要磁性传感器灵敏度得到极大提高，目前的磁传感器的技术发展趋势主要在于提高灵敏度。

然而，现有的磁传感器，例如专利US20090195243公开的磁传感器，通过悬臂梁的左右摆动带动磁铁的移动，产生变化磁场,通过巨磁阻（GMR，GiantMagneto Resistive）感应此变化，从而输出差分信号，由于所述悬臂梁的共振频率高，容易限制影响磁传感器的其灵敏度，如果为了提高灵敏度而将悬臂梁做得太细以降低其共振频率，则易发生变形，同时也会不可避免的造成悬臂梁的扭曲形变，带来检测误差，而且上述磁传感器结构复杂、装配困难且成本高。再者，此磁传感器仅能检测磁变化，适用性小。

故，急需一种可解决上述问题的结构简单、精度高的磁传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种振动和磁场双重传感器，该振动和磁场双重传感器可检测振动信号和磁变信号、检测灵敏度高且适用性广。

为了实现上述目的，本发明揭露了一种振动和磁场双重传感器，基座、振动传感部、磁传感部、振动传感部焊针和磁传感部导电焊针，所述基座呈中空结构；振动传感部包括弹性板、安装于所述弹性板上的压电片和磁性振子，所述弹性板的周沿支撑于所述基座上，所述中空结构为所述弹性板提供运动空间，受到震动时所述弹性板沿垂直所述弹性板的方向运动，以使所述磁性振子提供变化的磁场、所述压电片因变形产生振动信号；振动传感部导电焊针安装于所述基座上并与所述压电片电连接以输出所述振动信号；所述磁传感部用于感应变化的磁场并产生差分信号；磁传感部导电焊针安装于所述基座上并与所述磁敏感芯片电连接以输出所述差分信号。

本发明受到震动时所述弹性板带动所述磁性振子沿垂直所述弹性板的方向运动，所述压电片因变形输出电压信号同时，所述磁敏感芯片感应所述磁性振子运动引起的磁性变化而输出差分电压信号，两种输出均可反应环境振动变化，在无振动发生时,即振动感应部无输出时，所述磁传感部依然可依据是否有输出来判断环境磁场是否发生变化，因而具有双重功能，可进行振动和磁变双重检测功能，适用性广。再者与现有技术相比，本发明所述弹性板沿其轴向振动，共振频率低，弹性系数小，对微小振动也十分灵敏，检测灵敏度高且结构简单成本低。

较佳地，所述磁性振子位于所述弹性板的中心处。

较佳地，所述磁传感部包括安装于所述基座上的PCB板和安装于所述PCB板上的磁感应芯片，所述磁感应芯片的磁敏感方向与所述磁性振子的磁场方向平行。

具体地，所述磁感应芯片包括各向异性磁阻AMR磁感应芯片、巨磁阻GMR磁感应芯片、隧道磁阻TMR磁感应芯片、霍尔HALL效应磁敏感芯片或巨霍尔HALL效应磁敏感芯片。

具体地，所述磁感应部包括至少两段磁敏感膜，两所述磁敏感膜沿水平或者竖直方向并行排列并通过所述PCB板电连接成惠斯通电桥。

具体地，所述中空结构为开设于所述基座上的柱形孔，所述弹性板安装于所述柱形孔的一端开口处，所述PCB板安装于所述柱形孔的另一端开口处，结构简单、便于组装。

较佳地，所述弹性板与所述PCB板相对布设，进一步增加所述PCB板上磁敏感芯片感应磁场变化的灵敏度。

较佳地，所述磁性振子包括连接体和至少一磁铁块，所述连接体连接于所述弹性板和磁铁块之间，使得所述磁铁块的大小不受弹性板大小的限制。

较佳地，所述弹性板呈薄片状，具有中心活动区、环绕所述中心活动区的至少一个弹性臂以及环绕所述弹性臂的外沿支撑部，所述中心活动区、弹性臂及外沿支撑部之间均有一定的间隙，所述间隙中均分布有支撑桥以连接相邻的中心活动区、弹性臂及外沿支撑部，所述弹性板的外沿支撑部安装于所述基座上。具体地，所述弹性臂有若干个，相邻的弹性臂之间均有一定的间隙，所述间隙中均分布有支撑桥以连接相邻的弹性臂。具体地，相邻间隙中的支撑桥沿所述中心活动区交错分布。具体地，所述压电片的内沿位于所述弹性板的中心活动区，所述压电片的外沿位于所述弹性板的外沿支撑部。

较佳地，所述压电片由若干条状PZT压电片连接而成，若干所述条状PZT压电片沿所述弹性板的中心处呈放射状分布。

较佳地，所述振动和磁场双重传感器还包括设于所述基座上端面上的基体，所述基体呈环形并设有供所述振动传感部焊针穿过的导电孔、与所述压电片之焊盘对应的压电焊盘和电连接所述振动传感部焊针与所述压电焊盘的导电线路，且所述基体的内孔与所述基座的中空结构对应，所述弹性板安装于所述基体上，所述压电片设于所述弹性板上并与所述压电焊盘电连接。更具体地，所述基体为印刷电路板，所述弹性板粘贴或螺纹安装于所述印刷电路板上。更具体地，所述弹性板为弹性金属板或聚合体柔性板，所述基体为金属基体，且所述弹性板激光焊接于所述基体上。

较佳地，所述振动和磁场双重传感器还包括屏蔽盖，所述屏蔽盖盖设于所述基座的端部并包覆于所述磁传感部和振动传感部外。

附图说明

图1是本发明第一实施例中所述振动和磁场双重传感器的立体图。

图2是图1中所述振动和磁场双重传感器的剖视图。

图3是图1中所述振动和磁场双重传感器的分解示意图。

图4是图1中所述振动和磁场双重传感器之振动传感部的部分结构图。

图5是本发明所述弹性板的立体图。

图6是本发明第一实施例中所述振动和磁场双重传感器之磁传感部的结构图。

图7是本发明第二实施例中所述振动和磁场双重传感器之磁传感部的结构图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

参考图1至图4，本发明公开了一种振动和磁场双重传感器100，包括基座11、振动传感部、磁传感部、振动传感部焊针112和磁传感部导电焊针14，所述基座11呈中空结构，所述振动传感部包括弹性板12、安装于所述弹性板12上的压电片16和磁性振子15，所述弹性板12的周沿支撑于所述基座11上，所述中空结构为所述弹性板12提供运动空间，受到震动时所述弹性板12沿垂直所述弹性板12的方向运动，所述磁性振子15随之产生变化的磁场，所述压电片16因变形产生电能以形成压电信号，所述振动传感部导电焊针112安装于所述基座11上并与所述压电片16电连接以输出所述压电信号；所述磁传感部用于感应变化的磁场并产生差分信号；所述磁传感部导电焊针14安装于所述基座11上并与所述磁传感部电连接以输出所述差分信号。本发明受到震动时所述弹性板12带动所述磁性振子15沿垂直所述弹性板12的方向运动，所述压电片因变形输出电电压信号，同时，所述磁敏感芯片31感应所述磁性振子15运动引起的磁性变化而输出差分电压信号，两种输出均可反应环境振动变化，在无振动发生时,即振动感应部无输出时，磁敏感芯片31可依据是否有输出来判断环境磁场是否发生变化，因而，具有振动和磁变双重检测功能，可同时检测振动信号和磁变信号，适用性广。再者本发明所述弹性板12沿其轴向振动，共振频率低，弹性系数小，对微小振动也十分灵敏，检测灵敏度高且结构简单成本低。其中，在本实施例中所述磁性振子15安装于所述弹性板12的中心处，当然，所述磁性振子15也可以由数个且分别安装于所述弹性板12的其他位置。

参考图2、3、6，所述磁传感部包括安装于所述基座上的PCB板13和安装于所述PCB板13上的磁感应芯片31，所述磁感应芯片31的磁敏感方向与所述磁性振子15的磁场方向平行。具体地，参考图6，所述磁传感部之所述磁敏感芯片31包括至少两条磁敏感膜311，两所述磁敏感膜311沿水平方向并行排列于所述PCB板31上。其中，所述磁感应芯片31包括各向异性磁阻AMR磁感应芯片、巨磁阻GMR磁感应芯片、隧道磁阻TMR磁感应芯片、霍尔HALL效应磁敏感芯片或巨霍尔HALL效应磁敏感芯片。

较佳者，参考图2，所述弹性板12与所述PCB板13相对布设，进一步增加所述PCB板13上磁敏感芯片31感应磁场变化的灵敏度。具体地，参考图2，所述中空结构为开设于所述基座11上的柱形孔111，所述弹性板12安装于所述柱形孔111的一端开口处，所述PCB板13安装于所述柱形孔111的另一端开口处，结构简单、便于组装。

参考图3和图4，所述压电片16由若干条状PZT压电片连接而成，若干所述条状PZT压电片沿所述弹性板12的中心处呈放射状分布。当然，所述压电片16的形状并不限于此，所述压电片还可以为整体结构PZT压电片。其中，所述压电片16为有铅压电陶瓷锆钛酸铅（PZT）压电片、铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-Pt)压电片、无铅压电陶瓷钛酸钡（BT）无铅压电陶瓷或者铌酸盐系无铅压电陶瓷铌镍酸钾(KNN)压电片。所述压电片为d33或d31型压电片。所述压电片为单层PZT压电片或多层PZT压电片。其中，所述压电片的内沿位于所述弹性板12的中心活动区，所述压电片的外沿位于所述弹性板12的外沿支撑部。

较佳者，参考图2和图3，所述基座11上盖设有屏蔽盖17，且所述屏蔽盖17包覆所述磁传感部和振动传感部。

参考图2和图3，所述磁性振子15包括连接体151和磁铁块152，所述连接体151连接于所述弹性板12和磁铁块152之间，使得所述磁铁块152的大小不受弹性板12大小的限制。其中，所述磁铁块152还可以是多块，并不局限于一块。

参考图5，所述弹性板12呈薄片状，具有中心活动区121、环绕所述中心活动区121的弹性臂122以及环绕所述弹性臂122的外沿支撑部123，所述中心活动区121、弹性臂122及外沿支撑部124之间均有一定的间隙125，所述间隙125中均分布有支撑桥124以连接相邻的中心活动区121、弹性臂12及外沿支撑部123。继续参考图5，弹性板12的弹性臂122有四个，相邻的弹性臂122之间均有一定的间隙125，所述间隙125中均分布有支撑桥124以连接相邻的弹性臂122。每个间隙125中的支撑桥124有两个。同一间隙125中的支撑桥沿所述中心活动区121均匀分布，相邻间隙125中125的支撑桥124沿所述中心活动区121交错分布。当然，所述弹性臂122也可以是一个、两个、三个或其他数目，支撑桥124也可以依据实际要求增减。

参考图2至图4，所述振动和磁场双重传感器100还包括设于所述基座11上端面上的基体21，所述基体21呈环形并设有供所述振动传感部导电焊针112穿过的导电孔211、与所述压电片16之焊盘对应的压电焊盘212和电连接所述振动传感部导电焊针112与所述压电焊盘212的导电线路213，且所述基体21的内孔与所述基座11的中空结构对应，所述压电片16设于所述弹性板12上并与所述压电焊盘212电连接。其中，所述基体21为印刷电路板，所述弹性板12粘贴或螺纹安装于所述印刷电路板上，当然，所述弹性板12还可以为弹性金属板，此时所述基体21为金属基体或聚合体柔性板，所述弹性板12激光焊接于所述基体21上。

参考图1至图4，工作时，所述弹性板12可因外界的振动带动所述压电片16和磁性振子15沿其轴向振动，所述压电片16受到形变产生电能，即生成振动信号，所述振动传感部导电焊针112将其输送出去，磁性振子15在弹性板的振动过程中产生变化磁场,磁感应芯片31感应此变化，从而产生差分信号，即生成磁变信号，所述磁传感部导电焊针14将其输送出去。在外界无振动时，所述磁感应芯片31依然可因感应周围磁场的变化，从而产生差分信号，即生成磁变信号，所述磁传感部导电焊针14将其输送出去。

参考图7，为本发明第二实施例中所述PCB板的结构图，与第一实施例不同的是，在该实施例中，所述磁敏感芯片31’的两所述磁敏感膜311沿竖直方向并行排列于所述PCB板31上。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (16)

1.一种振动和磁场双重传感器，其特征在于，包括：

基座，所述基座呈中空结构；

振动传感部，包括弹性板、安装于所述弹性板上的压电片和磁性振子，所述弹性板的周沿支撑于所述基座上，所述中空结构为所述弹性板提供运动空间，受到震动时所述弹性板沿垂直所述弹性板的方向运动，以使所述磁性振子提供变化的磁场、所述压电片因变形产生振动信号；

振动传感部导电焊针，安装于所述基座上并与所述压电片电连接以输出所述振动信号；

磁传感部，用于感应变化的磁场并产生差分信号；

磁传感部焊针，安装于所述基座上并与所述磁敏感芯片电连接以输出所述差分信号。

2.如权利要求1所述的振动和磁场双重传感器，其特征在于，所述磁性振子位于所述弹性板的中心处。

3.如权利要求1所述的振动和磁场双重传感器，其特征在于，所述磁传感部包括安装于所述基座上的PCB板和安装于所述PCB板上的磁感应芯片，所述磁感应芯片的磁敏感方向与所述磁性振子的磁场方向平行。

4.如权利要求3所述的振动和磁场双重传感器，其特征在于，所述磁感应芯片包括各向异性磁阻AMR磁感应芯片、巨磁阻GMR磁感应芯片、隧道磁阻TMR磁感应芯片、霍尔HALL效应磁敏感芯片或巨霍尔HALL效应磁敏感芯片。

5.如权利要求3所述的振动和磁场双重传感器，其特征在于，所述磁感应芯片包括至少两段磁敏感膜，两所述磁敏感膜沿水平或者竖直方向并行排列并通过所述PCB板电连接成惠斯通电桥。

6.如权利要求3所述的振动和磁场双重传感器，其特征在于，所述弹性板与所述PCB板相对布设。

7.如权利要求3所述的振动和磁场双重传感器，其特征在于，所述中空结构为开设于所述基座上的柱形孔，所述弹性板安装于所述柱形孔的一端开口处，所述PCB板安装于所述柱形孔的另一端开口处。

8.如权利要求1所述的振动和磁场双重传感器，其特征在于，所述磁性振子包括连接体和至少一磁铁块，所述连接体连接于所述弹性板和磁铁块之间。

9.如权利要求1所述的振动和磁场双重传感器，其特征在于，所述弹性板呈薄片状，具有中心活动区、环绕所述中心活动区的至少一个弹性臂以及环绕所述弹性臂的外沿支撑部，所述中心活动区、弹性臂及外沿支撑部之间均有一定的间隙，所述间隙中均分布有支撑桥以连接相邻的中心活动区、弹性臂及外沿支撑部，所述弹性板的外沿支撑部安装于所述基座上。

10.如权利要求9所述的振动和磁场双重传感器，其特征在于，所述弹性臂有若干个，相邻的弹性臂之间均有一定的间隙，所述间隙中均分布有支撑桥以连接相邻的弹性臂。

11.如权利要求9或10中任一项所述的振动和磁场双重传感器，其特征在于，相邻间隙中的支撑桥沿所述中心活动区交错分布。

12.如权利要求1所述的振动和磁场双重传感器，其特征在于，所述压电片由若干条状PZT压电片连接而成，若干所述条状PZT压电片沿所述弹性板的中心处呈放射状分布。

13.如权利要求1所述的振动和磁场双重传感器，其特征在于，还包括设于所述基座上端面上的基体，所述基体呈环形并设有供所述振动传感部焊针穿过的导电孔、与所述压电片之焊盘对应的压电焊盘和电连接所述振动传感部焊针与所述压电焊盘的导电线路，且所述基体的内孔与所述基座的中空结构对应，所述弹性板安装于所述基体上，所述压电片设于所述弹性板上并与所述压电焊盘电连接。

14.如权利要求13所述的振动和磁场双重传感器，其特征在于，所述基体为印刷电路板，所述弹性板粘贴或螺纹安装于所述印刷电路板上。

15.如权利要求13所述的振动和磁场双重传感器，其特征在于，所述弹性板为弹性金属板或聚合体柔性板，所述基体为金属基体，且所述弹性板激光焊接于所述基体上。

16.如权利要求1所述的振动和磁场双重传感器，其特征在于，还包括屏蔽盖，所述屏蔽盖盖设于所述基座的端部并包覆于所述磁传感部和振动传感部外。