CN105954541A - 一种三轴声表面波加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三轴声表面波加速度传感器，包括：第一单轴加速度传感器(1)、第二单轴加速度传感器(2)、第三单轴加速度传感器(3)、参考传感器(4)和传感器管座(5)；其中，第一单轴加速度传感器(1)放置于传感器管座(5)上，悬臂梁与传感器管座(5)平面平行；第二单轴加速度传感器(2)与第三单轴加速度传感器(3)放置于传感器管座(5)上，其悬臂梁与传感器管座(5)平面垂直；第二单轴加速度传感器(2)的悬臂梁与第三单轴加速度传感器(3)的悬臂梁相互垂直；参考传感器(4)放置于传感器管座(5)上。本发明具有高灵敏度、制作成本低、抗振动能力好、使用寿命长、环境适应能力强以及良好的稳定性和可靠性等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种三轴声表面波加速度传感器，尤其是涉及一种高灵敏度的悬臂梁式三轴声表面波加速度传感器。
背景技术
目前，三轴加速度传感器(三轴加速度计)大多采用压阻式和电容式加速度传感器的工作原理，产生的加速度正比于电阻和电容的变化，通过相应的放大和滤波电路进行采集。三轴加速度传感器具有体积小和重量(克gm)轻的特点，可以测量空间加速度，能够全面准确反映物体的运动性质，在航空航天、机器人、汽车和医学等领域得到广泛的应用。
同时，在娱乐和汽车电子的装置中同样需要三轴加速度传感器，特别是声表面波三轴加速度传感器。声表面波加速度传感器的基本原理是，悬臂梁一端固定在基底上，另一端的质量块振动。悬臂梁上的声表面波传感器通过悬臂梁的振动使得声的传播速度发生变化，这个变化量与悬臂梁振动线性相关。而声表面波三轴加速度传感器相较于传统的微机械式三轴加速度传感器，具有更好的温度稳定特性。在现有技术中，三轴加速度传感器通过将三个结构相同但彼此无关联的单轴加速度传感器，放置在一个共同的芯片上，该芯片即可针对三个不同方向的加速度测试。
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、传统的微机械式三轴加速度传感器而言，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、高灵敏度且具有低温漂等特性。
发明内容
本发明的目的是为解决现有的三轴传感器在实际使用过程中不能检测到符合实际应用的最小加速度和当环境温度变化时造成输出信号有很大误差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种三轴声表面波加速度传感器，该传感器包括：第一单轴加速度传感器、第二单轴加速度传感器、第三单轴加速度传感器、参考传感器和传感器管座；其中，第一单轴加速度传感器放置于传感器管座上，其悬臂梁与传感器管座平面平行；第二单轴加速度传感器与第三单轴加速度传感器放置于传感器管座上，其悬臂梁与传感器管座平面垂直；第二单轴加速度传感器的悬臂梁与第三单轴加速度传感器的悬臂梁相互垂直；参考传感器放置于传感器管座上。
本发明的有益效果是，具有高灵敏度，在实际使用过程中可以检测到最小加速度；对环境的适应性强，具有良好的稳定性和低温漂性，当环境温度变化时引起输出信号的误差较小。
附图说明
图1是本发明的具体实施方式提供的三轴声表面波加速度传感器的总体结构示意图；
图2是本发明的具体实施方式提供的三轴声表面波加速度传感器中单轴加速度传感器的结构示意图；
图3是本发明的具体实施方式提供的三轴声表面波加速度传感器中参考传感器的结构示意图；
图4是本发明的具体实施方式提供的三轴声表面波加速度传感器的温度特性示意图；
图5是本发明的具体实施方式提供的三轴声表面波加速度传感器的灵敏度特性示意图。
具体实施方式
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。
图1为三轴声表面波加速度传感器的总体结构示意图。如图1所示，三轴声表面波加速度传感器包括第一单轴加速度传感器1、第二单轴加速度传感器2、第三单轴加速度传感器3、参考传感器4、传感器管座5。第一单轴加速度传感器1、第二单轴加速度传感器2和第三单轴加速度传感器3结构相同。其中，第一单轴加速度传感器1放置于传感器管座5上，其悬臂梁与传感器管座5平面平行；第二单轴加速度传感器2与第三单轴加速度传感器3放置于传感器管座5上，其悬臂梁与传感器管座5平面垂直；第二单轴加速度传感器2的悬臂梁与第三单轴加速度传感器3的悬臂梁相互垂直；参考传感器4放置于传感器管座5上。
优选的，第一单轴加速度传感器1、第二单轴加速度传感器2、第三单轴加速度传感器3中的声表面波器件工作频率为300兆兹(MHz)。
优选的，参考传感器4的声表面波器件工作频率为301兆兹(MHz)。
图2为三轴声表面波加速度传感器中单轴加速度传感器的结构示意图。如图2所示，第一单轴加速度传感器1或第二单轴加速度传感器2或第三单轴加速度传感器3、包括第一声表面波传感器11，第一压电基片12，质量块13，金属基座14，吸声胶151和吸声胶152。
具体的，第一压电基片12的一端固定在金属基座14上，另一端自由悬空，质量块13粘在悬空端。第一声表面波传感器11积淀于第一压电基片12靠近金属基座14的位置。第一声表面波传感器11的左右两侧分别放置吸声胶151和吸声胶152。金属基座14固定在传感器管座5上。
优选的，第一声表面波传感器11的第一双端谐振器积淀于第一压电基片12上，电极制作材料为铝。
优选的，金属基座14位置要刚好放在第一声表面波传感器11的第一叉指换能器111，和第二叉指换能器112中间，以确保加速度传感器灵敏度最大。
优选的，第一压电基片12的尺寸为长度13毫米(mm)，宽度2毫米(mm)，厚度0.3毫米(mm)，质量块13为0.9克(g)，以确保加速度传感器灵敏度最大。
优选的，其中第一压电基片12和第二压电基片22采用35°Y切石英压电材料为基底制作，在20℃～50℃之间稳定性非常好。在此期间传感器具有较小的温度漂移。
其中第一声表面波传感器11包括第一叉指换能器111、第二叉指换能器112、第一短路反射栅113和第二短路反射栅114。
具体的，第一叉指换能器111和第二叉指换能器112结构完全相同，每个换能器分别包括39对第一叉指电极对116。第一叉指电极对116包括2个宽度为2.6微米(um)，间距为2.6微米(um)的电极。
具体的，每个短路栅反射器包括329条宽度为2.6微米(um)，间距为2.6微米(um)的电极。
悬臂梁式三轴声表面波加速度传感器工作基本原理如下：
第一单轴加速度传感器1，第二单轴加速度传感器2，第三单轴加速度传感器3分别感应Z方向、X方向、Y方向加速度的变化。
具体的，以第一单轴加速度传感器1为例，质量块13由于受到振动或者旋转引起的惯性力或者哥氏力作用时，振动引起悬臂梁第一压电基片12沿施力方向产生一个位移，也就是使得悬臂梁第一压电基片12发生弯曲变形，从而改变第一声表面波传感器11的第一叉指换能器111和第二叉指换能器112距离以及第一压电基片12表面应力分布，导致声传播时延发生变化。变化的时延导致第一声表面波传感器11电信号的相位变化，相位变化的频率与第一压电基片12的谐振频率相同，而且相位变化的幅度与第一压电基片12的振动幅度成正比。通过测量相位变化可以反映外界加速度变化。
在这个过程中，参考传感器4由于被粘贴于传感器管座5上，第二声表面波传感器21的电信号相位不变。然而三轴声表面波加速度传感器在此期间可能会受到温度、湿度等多种变化条件干扰，因此第一单轴加速度传感器1的输出信号最终采用第一声表面波传感器11与第二声表面波传感器21的差值，以消除外界温湿度变化带来的影响。同理，第二单轴加速度传感器2，第三单轴加速度传感器3的输出也分别与第二声表面波传感器21取差值，得到最终输出。
图3为三轴声表面波加速度传感器中参考传感器的结构示意图。如图3所示，参考传感器4包括第二声表面波传感器21，第二压电基片22，吸声胶231和吸声胶232。
具体的，第二声表面波传感器21积淀于第二压电基片22上，第二声表面波传感器21的左右两侧分别放置吸声胶231和吸声胶232。
具体的，第二声表面波传感器21包括第三叉指换能器211、第四叉指换能器212、第三短路反射栅213和第四短路反射栅214。
具体的，第一叉指换能器211和第二叉指换能器212结构完全相同，每个叉指换能器分别包括41对第一叉指电极对116。其中，第一叉指电极对116包括2个宽度为2.6um，间距为2.6um的电极。
具体的，每个短路栅反射器包括341条宽度为2.6微米(um)，间距为2.6微米(um)的电极。
图4为三轴声表面波加速度传感器的温度特性示意图。如图4所示，在20℃～50℃之间，三轴声表面波加速度传感器每摄氏度温度漂移为0.85Hz(赫兹)，其中器件工作频率为300MHz(兆兹)，因此温度漂移为0.003ppm/℃。
图5为三轴声表面波加速度传感器的灵敏度特性示意图。如图5所示，三轴声表面波加速度传感器的灵敏度为31kHz/g，根据噪声0.8Hz(赫兹)计算得出，传感器的检测下限为0.03mg(毫克)。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种三轴声表面波加速度传感器，其特征在于，包括：第一单轴加速度传感器(1)、第二单轴加速度传感器(2)、第三单轴加速度传感器(3)、参考传感器(4)和传感器管座(5)；其中，
所述第一单轴加速度传感器(1)放置于传感器管座(5)上，其悬臂梁与传感器管座(5)平面平行；
所述第二单轴加速度传感器(2)与第三单轴加速度传感器(3)放置于传感器管座(5)上，其悬臂梁与传感器管座(5)平面垂直；所述第二单轴加速度传感器(2)的悬臂梁与第三单轴加速度传感器(3)的悬臂梁相互垂直；
所述参考传感器(4)放置于传感器管座(5)上。
2.根据权利要求1所述的三轴声表面波加速度传感器，其特征在于，所述第一单轴加速度传感器(1)、第二单轴加速度传感器(2)或第三单轴加速度传感器(3)包括第一声表面波传感器(11)、第一压电基片(12)、质量块(13)和金属基座(14)；所述第一压电基片(12)的一端固定在所述金属基座(14)上，另一端自由悬空；所述质量块(13)粘在悬空端；所述第一声表面波传感器(11)积淀于所述第一压电基片(12)靠近金属基座(14)的位置；所述第一声表面波传感器(11)的左右两侧分别放置吸声胶(151)和吸声胶(152)。
3.根据权利要求2所述的三轴声表面波加速度传感器，其特征在于，所述第一声表面波传感器(11)包括第一叉指换能器(111)、第二叉指换能器(112)、第一短路反射栅(113)和第二短路反射栅(114)。
4.根据权利要求3所述的三轴声表面波加速度传感器，其特征在于，所述第一叉指换能器(111)和第二叉指换能器(112)结构相同，所述第一叉指换能器(111)和第二叉指换能器(112)分别包括39对第一叉指电极对(116)；或
所述第一短路反射栅(113)和所述第二短路反射栅(114)包括329条宽度为1/4λx，间距为1/4λx的电极；或
所述第一叉指电极对(116)包括两个宽度为1/4λx，间距为1/4λx的电极；其中λx为沿声波传播方向的声波波长。
5.根据权利要求1所述的三轴声表面波加速度传感器，其特征在于，所述参考传感器(4)包括第二声表面波器件(21)、第二压电基片(22)、吸声胶(231)和吸声胶(232)；所述第二声表面波传感器(21)积淀于所述第二压电基片(22)上，第二声表面波传感器(21)的左右两侧分别放置吸声胶(231)和吸声胶(232)。
6.根据权利要求5所述的三轴声表面波加速度传感器，其特征在于，所述第二声表面波传感器(21)包括第三叉指换能器(211)、第四叉指换能器(212)、第三短路反射栅(213)和第四短路反射栅(214)，其中，第三叉指换能器(211)和第四叉指换能器(212)结构完全相同，每个叉指换能器分别包括41对第一叉指电极对(116)；第一叉指电极对(116)包括2个宽度为1/4λx，间距为1/4λx的电极；第三短路反射栅(213)或第四短路反射栅(214)包括341条宽度为1/4λx，间距为1/4λx的电极。
7.根据权利要求2所述的三轴声表面波加速度传感器，其特征在于，所述第一压电基片(12)和所述第二压电基片(22)的材料，选用温度系数为35°Y切石英。
8.根据权利要求3所述的三轴声表面波加速度传感器，其特征在于，
金属基座(14)的设置在第一声表面波传感器(11)的第一叉指换能器(111)和第二叉指换能器(112)中间，以确保加速度传感器灵敏度最大。
9.据权利要求2所述的三轴声表面波加速度传感器，其特征在于，
所述第一压电基片(12)的尺寸为长度13毫米，宽度2毫米，厚度0.3毫米，质量块(13)为0.9克，以确保加速度传感器灵敏度最大。
10.据权利要求4或6所述的三轴声表面波加速度传感器，其特征在于，所述第一短路反射栅(113)和所述第二短路反射栅(114)包括329条宽度为2.6微米，间距为2.6微米的电极；或
第一叉指电极对(116)包括两个宽度为2.6微米，间距为2.6微米的电极；或
第三短路反射栅(213)或第四短路反射栅(214)包括341条宽度为2.6微米，间距为2.6微米的电极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160921 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |