CN104764902B - 一种高灵敏度的声表面波加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高灵敏度的加速度传感器。该传感器包括压电基片、质量振子和基座，所述基座和质量振子上均设有凹槽，所述压电基片的固定端粘于基座上的凹槽内，所述压电基片的自由端粘于质量振子的凹槽内；所述压电基片固定端的上表面从左至右依次置有第一双端谐振器和第二双端谐振器，第一双端谐振器完全置于由基座支撑的压电基片上，第二双端谐振器的1/2区域置于由基座支撑的压电基片上，第二双端谐振器另外的1/2区域置于悬空的压电基片上，以使第二双端谐振器中心区域置于压电基片受应力最大的位置，提高加速度传感器的灵敏度。本发明的加速度传感器1g的加速度变化对应27kHz频率差值变化，因而分辨率可达0.01mg，属于高灵敏度的加速度传感器。
Description
技术领域
本发明涉及声学技术中声表面波加速度传感器(以下简称SAW加速度传感器)，尤其涉及一种高灵敏度的悬臂梁结构声表面波加速度传感器。
背景技术
基于声表面波技术的加速度传感器相对于其他类型如压阻式加速度传感器、电容式加速度传感器而言具有高灵敏度、制作成本低、抗振动能力好、使用寿命长、环境适应性强以及良好的稳定性和与可靠性等特点。SAW加速度传感器结构形式很多，推拉式、套筒式和悬臂梁式是三种常见的结构设计。其中，推拉式结构虽然结构可靠但加工难度很大，套筒式结构难以兼顾最小敏感两和最大量程的要求，而悬臂梁式结构简单易于加工，且具有较高的加速度灵敏度(文献1：刘骏跃，声表面波惯性器件传感检测技术研究，西安，西北工业大学，2006)。
作为例子，波兰华沙军事科技学院Filipiak教授最先开展了此类传感器研究，对其响应机理、器件结构设计等做了很多工作(文献2：Jerzy Filipiak,Cezary Kopycki:Surface acoustic waves for the detection of small vibrations,Sensors andActuators,Vol.76,1999,pp:318-322)。悬臂梁式SAW加速度传感器基本原理如图1所示，主要由制作于压电基片22表面的SAW器件23和24、作为悬臂梁的压电基片22、支撑压电基片22的基座21以及质量振子25构成。悬臂梁自由端的质量振子25由于受到振动或者旋转引起的惯性力或者哥氏力作用时，振动引起悬臂梁沿施力方向产生一个位移，也就是使得悬臂梁发生弯曲变形，从而改变谐振器两个叉指换能器间距离以及梁表面应力分布，由此导致声传播时延发生变化。变化的时延导致谐振器电信号的相位变化，相位变化的频率与梁的谐振频率相同，而且相位变化的幅度与梁的振动幅度成正比。通过测量相位变化，测量梁的谐振频率以及振动强度。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则外部加速度的变化与被测加速度成正比。然而，Filipiak教授的模型应用于目前高精度加速度测量仍然存在很多问题，例如：
在该文章中提出的悬臂梁尺寸，其固有频率为22Hz。虽然较低的固有频率可以提高传感器灵敏度，但加速度传感器大部分应用于测量0-30Hz频率范围的振动，以22Hz为固有频率的悬臂梁在使用过程中，很容易断裂导致测量结果失真，使用寿命变短。同时，当振动频率变化但加速度值不变时，传感器的响应不一致。因而要先计算振动频率，才能根据传感器响应推算加速度值的大小。给加速度测量工作增大了很多难度。
此外，该文章提到的悬臂梁尺寸为：长65mm、宽3.5mm、厚0.45mm，尺寸过大，在实际应用中不利于安装。
最后，该文章结构的灵敏度8.5kHz/g，即1g的加速度变化对应响应频率变化为8.5kHz。在实际应用中，该检测灵敏度仍旧不够高，不能满足实际应用的需要。
发明内容
本发明的目的旨在解决现有技术中SAW加速度传感器所存在灵敏度不高的问题，从而提供一种具有尺寸小、固有频率高、检测灵敏度高和良好的温度稳定性的声表面波加速度传感器。
为实现上述目的，本发明提供了一种高灵敏度的声表面波加速度传感器。该传感器包括压电基片、质量振子和基座，所述基座和质量振子上均设有凹槽，所述压电基片的固定端粘于所述基座上的凹槽内，所述压电基片的自由端粘于所述质量振子的凹槽内；所述压电基片固定端的上表面从左至右依次置有第一双端谐振器和第二双端谐振器，第一双端谐振器完全置于由所述基座支撑的压电基片上，第二双端谐振器的1/2区域置于由所述基座支撑的压电基片上，第二双端谐振器另外的1/2区域置于悬空的压电基片上，以使第二双端谐振器中心区域置于压电基片受应力最大的位置，提高加速度传感器的灵敏度。
优选地，所述压电基片为悬臂梁长13毫米，宽2毫米，厚0.3毫米的悬臂梁结构压电基片。
进一步优选地，所述悬臂梁结构压电基片的材料为绕X轴从Z轴向Y轴旋转42.75°的石英。
优选地，所述质量振子质量为0.9克。
优选地，所述第一双端谐振器左侧端设有第一吸声胶，第一双端谐振器与第二双端谐振器之间设有第二吸声胶，第二双端谐振器右侧端设有第三吸声胶，用于消除叉指换能器产生的声表面波的边缘反射，以减小声表面波加速度传感器的边缘反射引起的时域噪声。
优选地，所述第一双端谐振器中从左至右依次置有第一短路栅反射器、第一叉指换能器、第二叉指换能器和第二短路栅反射器，所述第二双端谐振器中从左至右依次设有第三短路栅反射器、第三叉指换能器、第四叉指换能器和第四短路栅反射器。
优选地，所述第一双端谐振器中第一短路栅反射器与第一叉指换能器的间距和第二叉指换能器与第二短路栅反射器的间距均为1/4λx；所述第二双端谐振器中第三短路栅反射器与第三叉指换能器的间距和第四叉指换能器与第四短路栅反射器的间距均为1/4λx，λx为沿声波传播方向的声波波长。
优选地，所述第一、第二、第三、第四叉指换能器各包括至少2个第一叉指电极对，所述第一叉指电极对包括2个宽度为1/4λx，间距为1/4λx的第一电极，其中λx为沿声波传播方向的声波波长。
优选地，所述第一、第二、第三、第四短路栅反射器各包括至少2个宽度为1/4λx，间距为1/4λx的第二电极，其中λx为沿声波传播方向的声波波长。
优选地，所述第一、第二、第三、第四叉指换能器的电极采用铝材料，铝电极膜厚为1％～1.5％λx，λx为沿声波传播方向的声波波长。
本发明采用了一种悬臂梁结构的ST石英压电基片，通过重新布置其上的第一双端谐振器和第二双端谐振器在悬臂梁结构压电基片上的具体位置，调整悬臂梁的长度宽度厚度及其质量振子的质量来实现一种尺寸小且灵敏度高的声表面波加速度传感器。将第一双端谐振器和第二双端谐振器布置在相邻位置可以更好的抵消温度效应带来的影响。第二双端谐振器中心区域(即两个叉指换能器之间的空余区域)置于悬臂梁应力最大点，最大程度上提高了SAW加速度传感器的灵敏度。大幅提高质量振子的质量使得悬臂梁长度缩小为原本的五分之一，更将灵敏度提升为原来的三倍。
附图说明
图1为现有技术的声表面波加速度传感器的结构示意图；
图2a为本发明实施例提供的声表面波加速度传感器的俯视结构示意图；
图2b为本发明实施例提供的声表面波加速度传感器的侧视结构示意图；
图2c为本发明实施例提供的声表面波加速度传感器悬臂梁参数示意图；
图3a是本发明实施例提供的声表面波加速度传感器中的叉指换能器的结构示意图；
图3b是本发明实施例提供的声表面波加速度传感器中的短路栅反射器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的声表面波加速度传感器的外部加速度变化与器件频率差值变化的实际测试结果。
图面说明如下：
1.作为悬臂梁的ST石英压电基片；
2.凹形聚酰亚胺基座；
21.现有技术的金属基座；
22.现有技术的ST石英悬臂梁；
23.现有技术的第一双端谐振器；
24.现有技术的第二双端谐振器；
25.现有技术的质量振子
3.悬臂梁自由端的质量振子；
4.第一双端谐振器；
41.第一双端谐振器4的第一叉指换能器；
41’.第一双端谐振器4的第二叉指换能器；
411.叉指换能器的第一叉指电极对；
42.第一双端谐振器4的第一短路栅反射器；
42’.第一双端谐振器4的第二短路栅反射器；
422.短路栅反射器的第二电极；
5.第二双端谐振器；
51.第二双端谐振器5的第三叉指换能器；
51’.第二双端谐振器5的第四叉指换能器；
52.第二双端谐振器5的第三短路栅反射器；
52’.第二双端谐振器5的第四短路栅反射器；
61.第一吸声胶；
62.第二吸声胶；
63.第三吸声胶；
具体实施方式
为了更全面的理解本发明及其优点，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图2a-2c所示，本发明实施例的高灵敏度加速度传感器包括：压电基片1、基座2和质量振子3。基座2和质量振子3上均设有凹槽，压电基片1的固定端粘于基座2上的凹槽内，压电基片1的自由端粘于质量振子3的凹槽内。压电基片1固定端的上表面从左至右依次置有第一双端谐振器和第二双端谐振器，第一双端谐振器4和第二双端谐振器5制作在同一压电基片1上且相互紧邻，通过差分结构以最大程度的消除外围环境特别是温度的影响，并实现检测灵敏度的倍增。第一双端谐振器4左侧端设有第一吸声胶61，第一双端谐振器4与第二双端谐振器5之间设有第二吸声胶62，第二双端谐振器5右侧端设有第三吸声胶63，用于消除叉指换能器产生的声表面波的边缘反射，以减小声表面波加速度传感器的边缘反射引起的时域噪声。第一双端谐振器4完全置于由基座2支撑的压电基片1上，第二双端谐振器5的1/2区域置于由基座2支撑的压电基片1上，第二双端谐振器5另外的1/2区域置于悬空的压电基片1上以使第二双端谐振器5中心区域置于压电基片1受应力最大的位置，最大程度提高加速度传感器的灵敏度。
具体地，第一双端谐振器4中从左至右依次置有第一短路栅反射器42、第一叉指换能器41、第二叉指换能器41’和第二短路栅反射器42’。第二双端谐振器5中从左至右依次置有第三短路栅反射器52、第三叉指换能器51、第四叉指换能器51’和第四短路栅反射器52’。第一双端谐振器4的第一短路栅反射器42、第一叉指换能器41、第二叉指换能器41’和第二短路栅反射器42’完全置于由基座2支撑的压电基片1上，第二双端谐振器5的第三短路栅反射器52、第三叉指换能器51也完全置于由基座2支撑的压电基片1上，而第四叉指换能器51’和第四短路栅反射器52’置于悬空的压电基片1上，以使第第三叉指换能器51和第四叉指换能器51’间隔区域位于压电基片1受应力最大的位置，最大程度提高加速度传感器的灵敏度。
其中，第一双端谐振器4中的第一短路栅反射器42与第一叉指换能器41的间距为1/4λx；第二叉指换能器41’与第二短路栅反射器42’的间距为1/4λx，λx为沿声波传播方向的声波波长，声传播速度为3158m/s。第二双端谐振器5中的第三短路栅反射器52与第三叉指换能器51的间距为1/4λx；第四叉指换能器51’与第四短路栅反射器52’的间距为1/4λx，λx为沿声波传播方向的声波波长，声传播速度为3158m/s。
在本发明实施例中，压电基片1是悬臂梁长(l)为13毫米，宽(b)为2毫米，厚(h)为0.3毫米的悬臂梁结构的压电基片。进一步地，该悬臂梁结构的压电基片的材料选用绕X轴从Z轴向Y轴旋转42.75°的石英。
在一个例子中，基座2由聚酰亚胺材料制成，选取聚酰亚胺基座2能最大程度的消除外围环境特别是温度的影响。
在一个例子中，第一叉指换能器41和第二叉指换能器41’的间距为261um，第三叉指换能器51和第四叉指换能器51’的间距为261um。
在一个例子中，第一、第二、第三、第四叉指换能器电极和第一、第二、第三、第四短路栅反射器电极均采用铝材料，铝电极膜厚为1％-1.5％λx，λx为沿声波传播方向的声波波长，声传播速度为3158m/s。
图3a是本发明实施例提供的声表面波加速度传感器中的叉指换能器的结构示意图。
如图3a所示，本发明实施例的加速度传感器的第一双端谐振器4中的第一叉指换能器41与第二叉指换能器41’结构完全相同，每个叉指换能器包括至少2个第一叉指电极对411，第一叉指电极对411包括2个宽度为1/4λx，间距为1/4λx的第一电极，其中λx为沿声波传播方向的声波波长，声传播速度为3158m/s。第一双端谐振器4工作频率在301MHz，因此每个叉指换能器包括41对第一叉指电极对411，第一叉指电极对411包括2个宽度为2.6um，间距为2.6um的第一电极。
第二双端谐振器5中的第三叉指换能器51与第四叉指换能器51’结构相同，每个叉指换能器包括至少2个第一叉指电极对411，所述第一叉指电极对411包括2个宽度为1/4λx，间距为1/4λx的第一电极，其中λx为沿声波传播方向的声波波长，声传播速度为3158m/s。第二双端谐振器5工作频率在300MHz，因此每个叉指换能器包括39对第一叉指电极对411，第一叉指电极对411包括2个宽度为2.6um，间距为2.6um的第一电极。
图3b是本发明实施例提供的声表面波加速度传感器中的短路栅反射器的结构示意图。
如图3b所示，本发明实施例的加速度传感器的第一双端谐振器4中的第一短路栅反射器42与第二短路栅反射器42’结构相同，每一个短路栅反射器包括至少2个宽度为1/4λx，间距为1/4λx的第二电极422，其中λx为沿声波传播方向的声波波长。所述的第一双端谐振器4工作频率在301MHz，因此每个短路栅反射器包括341条宽度为2.6um，间距为2.6um的第二电极422。
第二双端谐振器5中的第三短路栅反射器52与第四短路栅反射器52’结构相同，每一个短路栅反射器包括至少2个宽度为1/4λx，间距为1/4λx的第二电极422，其中λx为沿声波传播方向的声波波长。所述的第二双端谐振器5工作频率在300MHz，因此每个短路栅反射器包括329条宽度为2.6um，间距为2.6um的第二电极422。
在上述实施例中，压电基片1为悬臂梁结构。悬臂梁固有频率越低，则相同加速度变化对应的响应越大，加速度传感器的灵敏度越高。根据悬臂梁固有频率公式：(文献3：Jerzy Filipiak,Lech Solarz,GrzegorzSteczko:Surface Acoustic Wave(SAW)Vibration Sensors,SENSORS,VOL.11,2011,PP:11809-11832)可知，固有频率f与悬臂梁结构的压电基片厚度h和长度l有关，与压电基片1材料杨氏模量E和材料密度ρ有关，还与质量振子3与压电基片1质量之比r有关。
优选地，本发明实施例采用的压电基片1为绕X轴从Z轴向Y轴旋转42.75°的石英基片。相比其他压电材料如铌酸锂、胆酸锂，该石英基片对应的参数值最小，因此在其他条件相同的情况下加速度传感器响应最大。此外，该石英基片的温度系数为零，在其上放置的第一双端谐振器4和第二双端谐振器5有更好的温度稳定性。绕X轴从Z轴向Y轴旋转42.75°的石英压电基片的声传播速度为3158m/s，其压电耦合系数为0.11％。
根据悬臂梁固有频率公式，选定石英为压电基片后，常规方法是选厚度h小，长度l大，且质量振子3与压电基片1质量之比r小的悬臂梁结构压电基片，这样做可以尽可能的减小悬臂梁固有频率从而得到最大的传感器响应。但是，这样做带来的问题是悬臂梁长度过长，固有频率很低，动态使用范围窄，灵敏度有限等等。考虑到灵敏度计算公式： (文献4：刘骏跃，声表面波惯性器件传感检测技术研究，西安：西北工业大学，2006)，其中S代表灵敏度，Δa表示外部加速度变化，Δf表示第二双端谐振器5在外部加速度变化过程中谐振频率的变化，m表示质量振子的质量，E表示压电基片材料杨氏模量，l代表悬臂梁长度，b代表悬臂梁宽度，h代表悬臂梁厚度，r1、r2和μ为压电基片材料的特性参数，fres为第二双端谐振器5在外部加速度为零时的谐振频率值。根据本发明方案，fres选取300MHz。前述确定压电基片材料为绕X轴从Z轴向Y轴旋转42.75°的石英基片，因此[(r1-1)-μr2]为定值。
进一步地，在最大化灵敏度S的同时，悬臂梁固有频率f越大越好。将上述两个公式相乘，得到：式中，r为质量振子3与压电基片1质量之比。要使得灵敏度S和固有频率f最大，r应尽可能取大值。
进一步地，所述高灵敏度声表面波加速度传感器动态测量范围也受到相同因素限制，悬臂梁式压电基片1结构能承受的最大加速度值其中f为悬臂梁式压电基片1的固有频率，为使悬臂梁固有频率f能高于100Hz，选取r取值43.5。根据上述三个公式计算得知，悬臂梁结构的压电基片1的长度为13mm，宽度为2mm，基片厚度为0.3mm，悬臂梁结构的压电基片1自由端粘的质量振子3质量为0.9克。
例如，根据本发明的上述实施例制备一种高灵敏度声表面波加速度传感器。选用悬臂梁结构的压电基片，压电基片的材料选用绕X轴从Z轴向Y轴旋转42.75°的石英，铝电极膜厚为100nm。悬臂梁长13mm宽2mm厚0.3mm的压电基片1的固定端粘在聚酰亚胺基座2凹槽内。压电基片1的自由端粘有质量振子3，其质量为0.9g。在压电基片固定端的上表面从左至右依次安置工作频率为300HZ的第一双端谐振器4和工作频率为301HZ的第二双端谐振器5，第一双端谐振器4的第一叉指换能器41和第二叉指换能器41’的长度分别为41λx，即包括41个第一叉指电极对411。第二双端谐振器5的第三叉指换能器51和第四叉指换能器51’的长度分别为39λx，即包括39个第一叉指电极对411，第二双端谐振器5的第三叉指换能器51和第四叉指换能器51’中的间隔置于悬臂梁压电基片悬空的起始位置。其中，每一个第一叉指电极对411包括2个宽度为1/4λx，间距为1/4λx的第一电极。第一双端谐振器4的第一短路栅反射器42和第二短路栅反射器42’包括341个第二电极422。第二双端谐振器5的第三短路栅反射器52和第四短路栅反射器52’包括329个第二电极422。其中，第二电极422宽度为1/4λx。当外界有加速度变化时，悬臂梁受力振动，第二双端谐振器5的谐振频率发生变化，与第一双端谐振器4的谐振频率差值发生变化。当悬臂梁结构的压电基片1固有频率f足够高时，外界加速度变化与谐振频率差值变化线性相关。这样，就获得了一种高灵敏度的SAW加速度传感器。
图4示出了本发明实施例的SAW加速度传感器的高灵敏度特性。图中，横轴代表外界加速度变化值，纵轴代表第二双端谐振器5与第一双端谐振器4的谐振频率差值的变化。如图所示，1g的加速度变化对应27kHz频率差值变化。同时，加速度变化与频率差值线性相关。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高灵敏度的声表面波加速度传感器，包括压电基片、质量振子和基座，其特征在于，
所述基座和质量振子上均设有凹槽，所述压电基片的固定端粘于所述基座上的凹槽内，所述压电基片的自由端粘于所述质量振子的凹槽内；所述压电基片固定端的上表面从左至右依次设置有第一双端谐振器和第二双端谐振器，第一双端谐振器完全置于由所述基座支撑的压电基片上，第二双端谐振器的1/2区域置于由所述基座支撑的压电基片上，第二双端谐振器另外的1/2区域置于悬空的压电基片上，以使第二双端谐振器中心区域置于压电基片受应力最大的位置，提高加速度传感器的灵敏度。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述压电基片为长13毫米、宽2毫米、厚0.3毫米的悬臂梁结构压电基片。
3.根据权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于，所述悬臂梁结构压电基片的材料为绕X轴从Z轴向Y轴旋转42.75°的石英。
4.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述质量振子质量为0.9克。
5.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述第一双端谐振器左侧端设有第一吸声胶，第一双端谐振器与第二双端谐振器之间设有第二吸声胶，第二双端谐振器右侧端设有第三吸声胶，用于消除叉指换能器产生的声表面波的边缘反射，以减小声表面波加速度传感器的边缘反射引起的时域噪声。
6.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述第一双端谐振器中从左至右依次置有第一短路栅反射器、第一叉指换能器、第二叉指换能器和第二短路栅反射器，所述第二双端谐振器中从左至右依次设有第三短路栅反射器、第三叉指换能器、第四叉指换能器和第四短路栅反射器。
7.根据权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于，所述第一双端谐振器中第一短路栅反射器与第一叉指换能器的间距和第二叉指换能器与第二短路栅反射器的间距均为1/4λx；所述第二双端谐振器中第三短路栅反射器与第三叉指换能器的间距和第四叉指换能器与第四短路栅反射器的间距均为1/4λx，λx为沿声波传播方向的声波波长。
8.根据权利要求7所述的加速度传感器，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四叉指换能器各包括至少2个第一叉指电极对，所述第一叉指电极对包括2个宽度为1/4λx、间距为1/4λx的第一电极，λx为沿声波传播方向的声波波长。
9.根据权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四短路栅反射器各包括至少2个宽度为1/4λx、间距为1/4λx的第二电极，λx为沿声波传播方向的声波波长。
10.根据权利要求6所述的加速度传感器，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四叉指换能器的电极采用铝材料，铝电极膜厚为1％～1.5％λx，λx为沿声波传播方向的声波波长。
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