CN108469534A - 一种液态惯性体加速度传感器 - Google Patents

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唐浒
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    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up

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Abstract

本发明公开了一种液态惯性体加速度传感器，包括：一容器（1），其具有偶数正多边形结构，每个侧边内侧分别设有一矩形槽（2），每个矩形槽内分别插入一非金属电极（3），两组平行的非金属电极组成一对检测电极，所述容器内装有导电性电解液（4），一盖板（5）盖在所述容器上，所述非金属电极（3）与一传感器信号处理电路（7）电气连接，所述盖板（5）与所述容器（1）的接触缝隙填充密封剂（8）。本发明结构简单，成本低，并且能够长期维持稳定性和可靠性,可实现二维多轴检测。

Description

一种液态惯性体加速度传感器
技术领域
本发明涉及运动检测领域，特别涉及一种液态惯性体加速度传感器。
背景技术
加速度传感器是一种能够对加速度大小进行测量的电子器件。一般由惯性质量块、阻尼元件、弹性元件、敏感元件和调适电路组成。目前市场上广泛使用的是固态惯性体加速度传感器，根据表达的物理信号不同，将加速度传感器分为电容式、压阻式及压电式等加速度传感器。尽管目前固态惯性体加速度传感器加工工艺成熟，且广泛应用于各个领域，但是一般固态惯性体加速度传感器的谐振频率处于高频范围内（>1kHz），对低频信号响应微弱、准确度低。传统的电容、压电式技术的加速度传感器是通过测量微机械惯性体机构的移动来实现的，这样的设计存在诸多问题，如表面微加工使得各零件部位易黏附、抗冲击力差、磁滞现象、机械噪音、电磁干扰、器件的定制装配工艺成本高，涉及微机械移动结构等问题。减小悬臂梁的质量（如增大悬臂梁的长宽比），能够有效降低谐振频率，但是这样就会增加传感器的加工工艺复杂度，同时也降低了传感器的抗冲击力。
与固体材料相比，流体材料在响应频率、制作工艺及集成等方面表现出了明显的优势。中国专利CN1668892A公开了一种静电电容式液体传感器，其利用液体表面始终维持水平面来检测物体的倾斜角及加速度。如图1所示，在两端封闭的筒状容器6的平行的两个侧面2、3上设置开口13、14，在该开口13、14中嵌入表面覆盖着硅氧化覆盖膜的板状主电极4、5并进行密封，在筒状容器内部封入适量导电性液体7，将金属制副电极棒8从上盖11插入导电性液体7中。其上形成有硅氧化覆盖膜的主电极4为一方电极，而导电性液体7为另一方电极，形成两电极平行板电容器C1，主电极5为一方电极而导电性液体7为另一方电极形成平行板电容器C2。在垂直于板状主电极4、5的表面的线方向施加水平加速度，如若筒状容器6没有发生倾斜，则导电液体与两主电级4、5之间的接触面积S1和S2增大/减小，从而使静电电容C1、C2值增大/减小。如果测定静电电容C1和C2之差来求出接触面积S1和S2之差，则能够通过计算得出或预先实验求得的矫正曲线来求出施加于筒状容器6的加速度大小。
上述加速度传感器中使用的导电性液体是在将甲醇、乙醇、异丙醇等醇类、丙酮、丁酮等酮类、二甘醇单丁基醚等醚类之中的一种或多种进行了组合的液体中添加了硝酸锂、碘化钾等电解质的液体。这种导电性液体大部分容易挥发，如单从物理方法上进行机械密封，很难保证传感器内部长久的真空状态，存在使用寿命短，难以长期确保传感器的稳定性、可靠性之类的问题。
另外，上述液态惯性体加速度传感器根据静电电容原理设计，需要在板状主电极至少一个表面上形成有硅氧化覆盖膜等绝缘介电质，绝缘介电质和有机导电液体之间的长期稳定性决定器件的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种液态惯性体加速
度传感器。本发明提出的液态惯性体加速度传感器结构简单，成本低，并且能够长期维持稳定性和可靠性，同时实现二维多轴检测。
本发明提出的液态惯性体加速度传感器包括：一容器，其具有偶数正多边形结构，每个侧边内侧分别设有一矩形槽，每个矩形槽内分别插入一非金属电极，两组平行的非金属电极组成一对检测电极，所述容器内装有导电性电解液，一盖板盖在所述容器上，所述非金属电极与一传感器信号处理电路电气连接，所述盖板与所述容器的接触缝隙填充密封剂。
在实施例一中，所述盖板为两层PCB电路板，其中上层集成一传感器信号处理电路，下层设有与非金属电极数量、尺寸相同的条形孔金属电极，非金属电极插入到盖板的条形孔内，与传感器信号处理电路电气连接。
在实施例二中，所述盖板为单一层盖板，上设有与非金属电极数量相同的条形通孔，所述非金属电极从所述条形孔伸出，并通过一外电极与所述传感器信号处理电路电气连接。
优选地，所述盖板与所述容器接触处，以及所述容器上表面均涂抹一层密
封剂。
优选地，所述容器为矩形容器。
优选地，所述非金属电极高出所述容器1mm-2mm。
优选地，所述导电性电解液为室温离子液体。
优选地，所述导电性电解液为1-乙基-3-甲基咪唑二腈胺盐，或1-乙基-3- 甲基咪唑三氟甲烷磺酰亚胺盐，或1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的任何一种。
优选地，所述非金属电极为具有较大比表面积、电化学性质稳定的活性炭纸电极、石墨纸，或石墨烯非金属电极。
优选地，所述导电性电解液的体积约为所述容器内容积的1/2。
优选地，所述容器内部壁表面经超疏水性处理。
本发明提供的液态惯性体加速度传感器基于双电层理论，不需要在检测电极上涂敷绝缘介电层薄膜，结构、工艺简单，且避免了有机导电性液体与介电层薄膜的化学反应，提高了传感器的稳定性和可靠性；本发明使用的绿色室温离子液体，具有稳定的物理化学性质，使传感器在稳定性、可靠性器、使用寿命上都有了很大提高；本发明的巧妙之处在于轴对称结构的设计，使得加速度传感器在检测加速力大小的同时，实现方向的检测，随着多边形中边数的增多，传感器辨别方向的精度增加，甚至于能够实现360°环形方向的检测。
附图说明
图1为现有技术的示意图；
图2为本发明的传感器的系统框架图；
图3为本发明容器的立体示意图；
图4为图3的剖面示意图；
图5为本发明实施例一的立体示意图；
图6为图5的剖视图；
图7为两层PCB电路板盖板的立体示意图；
图8为两层PCB电路板盖板的下层示意图；
图9为本发明实施例二的立体示意图；
图10为图9的剖面示意图；
图11（a）-11（d）为描述离子液体加速度传感器运动检测机制的示意图；
图12为单轴液态惯性体加速度传感器的等效电路模型；
图13为八边形容器的俯视图；
图14为十二边形容器的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明进行详细的说明。需要指出的是，实施例仅用于说明对本发明的构思，本发明并不局限于实施例。由于本发明为轴对称结构设计，可以采用多边形结构，在检测加速度大小的同时，实现360°方向的辨别。
在本发明中，将使用液态材料作为惯性体，利用液体的表面在静止状态下始终保持水平，液体与接触电极形成双电层结构的机制，制备加速度传感器，实现对加速运动的检测。在水平放置器件，施加水平方向的加速度的情况下，传感器内的液体表面发生倾斜，使得电极与导电性液体形成的两双电层电容值产生变化的原理，检测出其倾斜角以测定所施加的加速度。
本发明提出的基于离子液体的液态惯性体加速度传感器，使用具有稳定物理化学性质（极低蒸汽压、热稳定性能好、电化学窗口宽等）的室温离子液体作为液态惯性体，为了避免与导电性液体发生化学反应，影响器件的稳定性，使用非金属电极（如具有较大比表面积、物理化学性质稳定的活性炭纸电极，但本发明并不限于活性炭纸电极）直接作为检测电极，通过双电层电容原理检测电位信号，无需制备绝缘介电质薄膜层。
如图2所示，本发明设计的液态惯性体加速度传感器包含敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分。敏感元件用于直接感受被测量加速度运动信号，转换元件用于将敏感元件输出的物理信号转换为电信号，变换电路用于对转换元件输出的电信号进行放大调制，转换元件与变换电路还需要辅助电源进行供电。变换电路由辅助电源和负载电阻共同组成。
下面对本发明的实施例一进行详细说明。如图5至8所示，本发明第一实施例提出的基于离子液体的液态惯性体加速度传感器包含容器1，该实施例容器采用矩形结构，每个侧边内侧分别设有一矩形槽2，每个矩形槽内分别插入一非金属电极3，两组平行的非金属电极组成一对检测电极，实现一个轴方向的检测。
该实施例中非金属电极3作为转换元件，采用活性炭纸电极。敏感元件为液态惯性体离子液体4，装在容器1内，优选为1-乙基-3-甲基咪唑二腈胺盐，或1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酰亚胺盐，或1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的任何一种，但不限定以上三种。
如图3和图4所示，容器1内部设置的矩形槽2的长、宽尺寸与非金属电极3（活性炭纸电极）的尺寸大小相等。在该四个矩形槽2处插入活性炭纸电极，并确保电极高出矩形容器1mm-2mm。导电性离子液体注入容器1中，体积约为容器1的内容积的约1/2的量。
在图7和图8所示的实施例中，盖板5两层PCB电路板为矩形四面体，分为上层5.1和下层5.2，上层集成有传感器信号处理电路7，下层5.2上设有有4个内陷条形金属电极6，条形电极的尺寸与矩形容器1中的矩形槽2尺寸相同。将下层5.2内陷条形金属电极与容器1内的非金属电极3对齐，插入其中，形成传感器内外电极的电气连接。
如图6所示，在盖板5与矩形容器接1触处，在外围使用密封剂8将此处密封，为了确保密封效果，在盖板5与容器1接触前，先在容器1上表面涂抹一层低熔点密封胶，后再将上盖用力贴合。
图9和图10为本发明实施例二的示意图。该实施例中，盖板5为矩形四面体单层结构，其上有4个条形孔6，条形孔的大小与矩形容器1中的矩形槽2尺寸相同。将盖板5中四个条形孔与插入到容器1内的活性炭纸电极对齐，使活性炭纸电极分别穿过盖板5上的条形孔。在活性炭纸电极插入盖板5上的条形孔后，在条形孔与活性炭纸电极的接触间隙填充低熔点密封胶，但要确保低熔点密封胶不能将活性碳质电极覆盖住，以致无法引出检测电极9。在盖板5与矩形容器1接触处，在外围使用密封剂8将此处密封，为了确保密封效果，在盖板5与容器1接触前，先在容器1上表面涂抹一层低熔点密封胶，后再将盖板5用力贴合。
为了将活性炭纸电极检测到的电信号引出来，进行分析，需要在盖板5表面露出的活性炭纸电极上涂敷导电银胶10，以便与后端金属电极连接，如图9所示，非金属电极通过外电极9与传感器信号处理电路电气连接。
本发明设计的液态惯性体加速度传感器是根据液态惯性体与检测电极的相对运动实现加速度的检测，故固体容器内部壁表面需要进行超疏水性处理，降低固-液界面表面张力，降低液态惯性体运动阻力。
接下来，对使用上述方法设计的传感器的使用进行说明。由于本发明设计的传感器结构是轴对称模型，所以仅对一个轴方向的运动检测进行说明，多轴检测为单轴检测的并联。
根据双电层理论，当两个不同物理相的物体接触时，由于电荷分离的作用，两相均存在过剩的电荷，极性相反且电量相等，相互吸引，在两相交界面形成双电层。当电极两端施加电位，会强制形成双电层结构，这是因为在外电场作用下，导电性液体中的正、负离子分别向电极的负、正端迁移，此时正极电势上升，负极电势下降，使得正负电极间产生电势差，如图11（a）所示。
当水平方向的往返运动施加于器件时，由于惯性力作用，电极间的离子液体会发生周期性的形变，改变离子液体与两电极的接触面积，从而使固-液界面存储的电荷量发生改变。图11（a）-11（d）描述了离子液体加速度传感器运动检测机制，此处认为基底材料表面为超疏水，与微离子液体的接触角为90°，定义水平向右为正方向。当离子液体与电极无相对运动时，即Fext=0，液面处于水平位置，左右两个电极上集聚了等量的电荷，因此不会产生多余电荷的定向移动，此时两端电极间没有电位差，如图11（b）；当器件感受到向左的加速运动时，离子液体与电极发生相对运动，即Fext>0时，（如图11（c）），液面发生形变，左侧电极与微离子液体接触面积增大，固-液接触角减小，促使溶液中负电荷向左侧移动并聚集，左侧双电层电容器处于充电状态，同时右侧电极与微离子液体的接触面积减小，使得电极附近正电荷减少，此时右侧双电层电容器处于放电状态。同理当Fext<0时，如图11（d）。
伴随着电容的充放电过程，电路中产生交变微弱电流信号，通过检测负载RL两端的电势差，将电路中产生的交流电流信号转换成电压信号。
图12为两轴液态惯性体加速度传感器的等效电路模型，因轴对称的结构设计，两轴的检测相当于并联，所以仅对其中一轴方向进行详细说明。CL和CR分别是两侧电极与离子液体形成的双电层电容，VDC为外加直流偏置电压，RF为离子液体内部电阻，RL为电路负载。基于上述的等效电路模型，为离子液体加速度传感器构建理论方程。左右两侧双电层电容值大小可以表示为:
，
其中ε0是真空介电常数，εILs是离子液体的介电常数，λ是双电层的特征厚度，AL和AR分别是左右两侧离子液体微滴与活性炭电极的接触面积，W为活性炭电极宽度，HL和HR分别是离子液体微滴与电极接触面高度， QL和QR分别是双电层结构中集聚的电荷量。
对于图11（b），当Fext=0时，
对于图11（c），当Fext>0时，，
其中，△x为与Fext=0时相比，离子液体微滴与电极接触面高度的变化量。△q为与Fext=0时相比，双电层电容结构中电荷量的变化量。将两端电荷量进行差分计算，则电路中的交变电流I(t)和离子液体微滴与电极的接触面高度的变化量△x之间的关系可以表示为：
则系统负载RL两端的电势差可以表示为：
将上述等式代入，可得负载R L两端的电势差VL(t)与高度的变化量△x之间的关系：
将本发明实施例一中的四边形容器结构进行改进，设计为多边形，如图13、图14中的八边形和十二边形结构，则将离子液体加速度传感器在方向上的检测精度提高，检测原理同实施例一相同。
本发明提出的基于离子液体的液态惯性体加速度传感器结构简单，成本低，并且能够长期维持稳定性和可靠性。
上述实施例仅用于说明本发明的具体实施方式。应当指出的是，对于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变化，这些变形和变化都应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种液态惯性体加速度传感器，其特征在于，包括：一容器（1），其具有偶数正多边形结构，每个侧边内侧分别设有一矩形槽（2），每个矩形槽内分别插入一非金属电极（3），两组平行的非金属电极组成一对检测电极，所述容器内装有导电性电解液（4），一盖板（5）盖在所述容器上，所述非金属电极（3）与一传感器信号处理电路（7）电气连接，所述盖板（5）与所述容器（1）的接触缝隙填充密封剂（8）。
2.如权利要求1所述的液态惯性体加速度传感器，其特征在于，所述盖板（5）为两层PCB电路板，其中上层（5.1）集成传感器信号处理电路（7），下层(5.2)内嵌设有与非金属电极数量、尺寸相同的条形金属电极（6），非金属电极(3)插入其中，实现与传感器信号处理电路（7）电气连接。
3.如权利要求1所述的液态惯性体加速度传感器，其特征在于，所述盖板（5）为单一层盖板，上设有与非金属电极数量相同的条形通孔（6），所述非金属电极（3）从所述条形孔伸出，并通过外电极（9）与传感器信号处理电路（7）电气连接。
4.如权利要求1所述的液态惯性体加速度传感器，其特征在于，所述非金属电极高出所述容器1mm-2mm。
5.如权利要求1所述的液态惯性体加速度传感器，其特征在于，所述盖板与所述容器接触处，以及所述容器上表面均涂抹一层密封剂。
6.如权利要求1所述的液态惯性体加速度传感器，其特征在于，所述容器为矩形容器。
7.如权利要求1所述的液态惯性体加速度传感器，其特征在于，所述导电性电解液为室温离子液体。
8.如权利要求7所述的液态惯性体加速度传感器，其特征在于，所述导电性电解液为1-乙基-3-甲基咪唑二腈胺盐，或1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酰亚胺盐，或1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的任何一种。
9.如权利要求1所述的液态惯性体加速度传感器，其特征在于，所述非金属电极为具有较大比表面积、电化学性质稳定的活性炭纸电极、石墨纸，或石墨烯非金属电极。
10.如权利要求1所述的液态惯性体加速度传感器，其特征在于，所述容器内部壁表面经超疏水性处理。
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