CN108240880A - 仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构，包括：等强度悬臂梁、孔缝组、力敏声表面波谐振器；等强度悬臂梁整体为具有矩形前端的等腰梯形结构，等腰梯形结构的末端为等强度悬臂梁的固定端；孔缝组设置于等强度悬臂梁上，并靠近等强度悬臂梁的固定端；力敏声表面波谐振器设置于等强度悬臂梁上，并位于孔缝组的上方。本发明可以极大提高声表面波传感器的灵敏度，且保持较高的量程。本发明可应用于多种传感器，如压力传感器、振动传感器、陀螺仪、谐振器等,在井下环境检测、汽车工业、军事航天等领域均有广泛应用。

Description

仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构

技术领域

本发明涉及声表面波传感器技术领域，具体地，涉及一种仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构。

背景技术

力学传感器是能感受力学信号，并能按照一定的规律将力学信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置，通常由力敏感元件和信号处理单元组成，被广泛地运用工业实践中。

基于声表面波技术的传感器利用声表面波器件本身工作在射频频段和纯无源的特点，实现了传感器敏感端工作时不需要任何电池供电并且信息无线传输的功能，另外其使用环境温度超过125℃后仍能正常工作的特点也是一大优势。

“顶针-悬臂梁”力敏结构是一种新波动模式结合新敏感结构的声表面波力传感器解决方案。波模式上采用压电单晶或层状复合材料基底上激发出的声表面波，结合特有的导力和压力/力转换机构，有助于进一步提高无线力学传感器的准确度、量程和温度稳定性。采用等强度悬臂梁结构，梁在受到集中力作用下表面应力不随位置而变化，克服了普通悬臂梁应变分布与施力位置相关的缺点，保证了力学传感器的一致性。从而保证了声表面波谐振器的稳定性能

在实际运用中，等强度悬臂梁在轴向上仍会有一定不均匀应变，对驻波的形成产生两种影响。其一是反射栅栅距发生了变化，其二是引起声表面波传播方向声速的变化，均导致了反射波相位的变化从而对力敏声表面波谐振器的Qr值产生强烈影响，降低声表面波传感器的灵敏度。

仿生学研究显示蜘蛛腿部的琴形器由多条并行排列的凹槽组成，能够在其附近产生均匀的应力集中区，使得蜘蛛对外界机械信号刺激异常敏感。在等强度悬臂梁结构上刻蚀出仿生蜘蛛琴形感受器的孔缝组，能够在等强度悬臂梁上产生数倍的应力集中，并克服等强度悬臂梁轴向上的不均匀应变，使应力集中区具有不随横向和轴向位置变化的等强度应力分布，降低应力分布不均匀对力敏声表面波谐振器的Qr值影响，极大地提升声表面波传感器的灵敏度和线性度。

但是，直接在等强度悬臂梁结构上刻蚀出仿生蜘蛛琴形感受器的孔缝组，通常存在在如下问题：

1、仿生蜘蛛琴形感受器孔缝单体的数量若不加以控制，其在等强度悬臂梁上产生的应力集中将变得不均匀，无法满足力敏声表面波谐振器的Qr值需求。

2、仿生蜘蛛琴形感受器孔缝单体间的间距非常关键，若无法满足其与孔缝单体宽度间特定的比例关系，部分区域的应力集中将会互相抵消，无法提升力敏声表面波谐振器的检测灵敏度。

3、此外，仿生蜘蛛琴形感受器孔缝单体的高度和深度亦对力敏声表面波谐振器的Qr值有一定影响。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明的目的是提供一种仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构，通过力敏声表面波谐振器的运用，实现其无线无源、高温度稳定性的功能；通过在等强度悬臂梁结构上刻蚀出仿生蜘蛛琴形感受器的孔缝组，提高传感器的灵敏度和线性度，保证传感器的一致性。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构，包括：等强度悬臂梁1、孔缝组2、力敏声表面波谐振器3；其中：

所述等强度悬臂梁1整体为具有矩形前端的等腰梯形结构，等腰梯形结构的末端为等强度悬臂梁1的固定端，在使用状态下，外界作用力施加在矩形前端；；

所述孔缝组2设置于等强度悬臂梁1上，并靠近等强度悬臂梁1的固定端；

所述力敏声表面波谐振器3设置于等强度悬臂梁1上，并位于孔缝组的上方。

优选地，所述等强度悬臂梁1采用压电单晶材料或层状复合材料。

优选地，所述等强度悬臂梁1的固定端通过夹持结构固定。

优选地，所述孔缝组2包括多个孔缝单体；其中，每一个孔缝单体在所述等强度悬臂梁侧边上的截面均为多边形，孔缝单体的宽度为多边形截面的宽度，孔缝单体的高度为多边形截面的高度，孔缝单体的深度为垂直于多边形截面向所述等强度悬臂梁内部延伸的距离，相邻两个孔缝单体之间的间距为相邻两个多边形截面的间距。

优选地，通过设置多个孔缝单体之间的高度、宽度和相邻两个孔缝单体之间的间距，形成具有不同结构的孔缝组2。

优选地，多个孔缝单体之间采用以下任意一种形式设置：

-多个所述孔缝单体之间等宽度、等间距、等高度设置；

-多个所述孔缝单体之间等宽度、等间距、高度沿固定端到矩形前端方向逐渐增加或减少的阶梯型分布设置；

-多个所述孔缝单体之间等宽度、等高度、间距沿固定端到矩形前端方向逐渐增大或减小分布设置；

-多个所述孔缝单体之间等间距、等高度、宽度沿固定端到矩形前端方向逐渐增加或减少分布设置。

优选地，所述孔缝单体的数目大于等于6个，相邻两个孔缝单体之间的间距小于等于孔缝单体宽度的一半。

优选地，所述力敏声表面波谐振器3在工作状态下激发出声表面波。

本发明提供的仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构，等强度悬臂梁采用压电单晶材料或层状复合材料作为等强度悬臂梁的主体，整体形状为具有矩形前端的等腰梯形结构；使用时外界作用力施加在其矩形前端，等腰梯形末端由夹持结构固定，为固定端；靠近固定端刻蚀出孔缝组作为仿生蜘蛛琴形感受器；力敏声表面波谐振器在工作状态下激发出声表面波，设置在等强度悬臂梁上，并位于孔缝组上方。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明在等强度悬臂梁上刻蚀出仿生蜘蛛琴形感受器结构的孔缝组，被测力加载在等强度悬臂梁的矩形前端上，从而在等强度悬臂梁的孔缝组上方产生均匀、具有高线性度的应力集中，从而大幅提高力敏声表面波谐振器检测灵敏度的増敏结构；

2、本发明可以极大提高声表面波传感器的灵敏度，且保持较高的量程；

3、本发明可应用于多种传感器，如压力传感器、振动传感器、陀螺仪、谐振器等，在井下环境检测、汽车工业、军事航天等领域均有广泛应用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构。

图2是本发明在压力传感器上的一个应用实例。

图3是本发明在振动传感器上的一个应用实例。

图1中：1为等强度悬臂梁，2为孔缝组，3为力敏声表面波谐振器；

图2中：1为等强度悬臂梁，2为孔缝组，3为力敏声表面波谐振器，4为盒盖，5为顶针，6为导力结构，7为接线柱，8为夹持装置；

图3中：1为等强度悬臂梁，2为孔缝组，3为力敏声表面波谐振器，9为夹具，10为受力点。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构，包括：等强度悬臂梁1、孔缝组2、力敏声表面波谐振器3。

具体地：

所述等强度悬臂梁，采用压电单晶或层状复合材料作为所述等强度悬臂梁的主体，形状为具有矩形前端的等腰梯形结构；使用时外界作用力施加在其矩形前端，等腰梯形末端由夹持结构固定，为固定端。

所述孔缝组，设置在所述等强度悬臂梁上对应所述力敏声表面波谐振器位置的背面，并靠近等强度悬臂梁的固定端。

孔缝组由多个孔缝单体组成。其中，单一个孔缝单体在所述等强度悬臂梁侧边上的截面为多边形，其宽度为多边形截面的宽度，其高度为多边形截面的高度，其深度为垂直于多边形截面向所述等强度悬臂梁内部延伸的距离，相邻两个孔缝单体之间的间距为相邻两个多边形截面的间距。

孔缝组所包含的孔缝单体数目大于等于6个，间距小于等于孔缝单体宽度的一半。

所述孔缝组，通过改变多个孔缝单体之间的宽度、高度、间距中的任意一项，或其中两项，或全部三项来形成不同结构的孔缝组。

例如：

形成孔缝组的孔缝单体之间可以采用如下任意一种形式设置：

-多个等宽度、等间距、等高度的孔缝单体；

-多个等宽度、等间距、高度沿所述固定端到矩形前端方向逐渐增加的阶梯型分布的孔缝单体；

-多个等宽度、等高度、间距沿所述悬臂梁固定端到矩形前端方向逐渐减小的孔缝单体；

-多个等间距、等高度、宽度沿所述悬臂梁固定端到矩形前端方向逐渐增加的孔缝单体。

所述力敏声表面波谐振器，其工作状态下激发出声表面波，设置在所述等强度悬臂梁上，并位于所述孔缝组上方。

本实施例公开的仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构，此増敏结构由等强度悬臂梁和仿生蜘蛛琴形感受器构成，采用压电单晶或层状复合材料作为所述等强度悬臂梁的主体，所述力敏声表面波谐振器设置在所述等强度悬臂梁上，对应声表面波谐振器位置的背面刻蚀出一组孔缝作为仿生蜘蛛琴形感受器。本实施例可以极大提高声表面波传感器的灵敏度，且保持较高的量程。本实施例可应用于多种传感器，如压力传感器、振动传感器、陀螺仪、谐振器等，在井下环境检测、汽车工业、军事航天等领域均有广泛应用。

实施例2

如图2所示，为实施例1在声表面波压力传感器的一个应用例，中间横梁即为等强度悬臂梁结构，其右端即底端固定端，其左端即矩形顶端，虽然伸入导力结构的槽中，但并未固定，为悬挂端。当被测压力作用于塑料盒盖处时，会经过顶针结构传递到导力结构上。悬臂梁顶端伸入于导力结构，这样外力通过导力结构传导到悬臂梁顶端形成集中力，则此时的导力结构槽如同质量块使力作用更精确更集中的施加在梁的顶端部位。根据梁结构的弯曲变形工作原理，此集中力在等强度悬臂梁上形成和位置无关的等应力分布。而刻出仿生蜘蛛琴形感受器结构的孔缝组上方，将会产生数倍的应力集中，同时应力集中区的应力分布同样和位置无关，具有很高的分布均匀性。应力集中区的应力将会激发力敏声表面波谐振器基底材料的压电效应，引起其谐振频率的变化。可测量的频率信号通过接线柱至外部天线发射出去。此谐振频率变化与被测力是相互对应的，根据力敏声表面波谐振器的频率变化就可以测定力的大小。

实施例3

输电线的微风振动可通过相对式振动传感结构直接测量。图3所示，为实施例1在微风振动传感器结构的一个应用例。该结构以传感器的外壳为参考坐标，借助顶杆间隙的变化，直接接收机械振动，反映了导线的振动变形情况。固定卡环为固定端，紧固在线夹出口处的导线上。受力点处的滚轮与线夹出口处的导线严密接触。当导线发生振动时，受力点受力，传力梁发生形变，此时通过贴装在后端的力敏声表面波谐振器可以测量出悬臂梁的挠度，从而确定弯曲振幅。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构，其特征在于，包括：等强度悬臂梁(1)、孔缝组(2)、力敏声表面波谐振器(3)；其中：

所述等强度悬臂梁(1)整体为具有矩形前端的等腰梯形结构，等腰梯形结构的末端为等强度悬臂梁(1)的固定端，在使用状态下，外界作用力施加在矩形前端；

所述孔缝组(2)设置于等强度悬臂梁(1)上，并靠近等强度悬臂梁(1)的固定端；

所述力敏声表面波谐振器(3)设置于等强度悬臂梁(1)上，并位于孔缝组的上方。

2.根据权利要求1所述的仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构，其特征在于，所述等强度悬臂梁(1)还包括如下任意一项或任意多项特征：

-采用压电单晶材料或层状复合材料；

-等强度悬臂梁(1)的固定端通过夹持结构固定。

3.根据权利要求1所述的仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构，其特征在于，所述孔缝组(2)包括多个孔缝单体；其中，每一个孔缝单体在所述等强度悬臂梁侧边上的截面均为多边形，孔缝单体的宽度为多边形截面的宽度，孔缝单体的高度为多边形截面的高度，孔缝单体的深度为垂直于多边形截面向所述等强度悬臂梁内部延伸的距离，相邻两个孔缝单体之间的间距为相邻两个多边形截面的间距。

4.根据权利要求3所述的仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构，其特征在于，通过设置多个孔缝单体之间的高度、宽度和相邻两个孔缝单体之间的间距，形成具有不同结构的孔缝组(2)。

5.根据权利要求4所述的仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构，其特征在于，多个孔缝单体之间采用以下任意一种形式设置：

-多个所述孔缝单体之间等宽度、等间距、等高度设置；

-多个所述孔缝单体之间等宽度、等间距、高度沿固定端到矩形前端方向逐渐增加或减少的阶梯型分布设置；

-多个所述孔缝单体之间等宽度、等高度、间距沿固定端到矩形前端方向逐渐增大或减小分布设置；

-多个所述孔缝单体之间等间距、等高度、宽度沿固定端到矩形前端方向逐渐增加或减少分布设置。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构，其特征在于，所述孔缝单体的数目大于等于6个，相邻两个孔缝单体之间的间距小于等于孔缝单体宽度的一半。

7.根据权利要求1所述的仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构，其特征在于，所述力敏声表面波谐振器(3)在工作状态下激发出声表面波。