CN109212262B - 一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器，包括：底座，包括一体成形的凸台和基本垂直于凸台的中心柱；外壳，底座上连接外壳；第一固定块、第一压电晶体组、第二压电晶体组、第二固定块，第一固定块、第一压电晶体组、第二压电晶体组、第二固定块依次横向固定在中心柱上，第一固定块、第一压电晶体组与第二压电晶体组、第二固定块对称设置在中心柱的两侧；本发明利用压电晶片的横向振动模式研制压电加速度传感器，压电灵敏元件的制备较目前的圆环片在制备工艺上更加简易方便。本发明采用横向振动模式的压电晶片以及多片并联的组合方式，提高了器件的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于电子材料与器件技术领域，具体涉及一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器。
背景技术
压电式加速度传感器又称为压电加速度计，它属于惯性式传感器，它是利用压电材料的压电效应，在加速度计受到外界振动时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则动态力的变化与被测加速度成正比。
压电式传感器是以具有压电效应器件为核心组成的传感器。由于压电效应具有正、逆两种效应，所以压电器件也是一种典型的双向有源传感器。当受到压力作用时，压电材料内部就会出现电极化。从微观角度来说，当晶体产生形变时，晶胞内的原子相对位置发生变化导致在介质中产生一个净电偶极矩。在一些晶体结构中，这会造成一些宏观的平均偶极矩以及对应的净电极化，这就是正压电效应。利用晶体的正压电效应可以研制成各类压电传感元器件，应用于超声、通信、宇航、雷达和引爆等领域，并与激光、红外、微波等技术相结合，用于各种传感技术领域。
目前研制的压电加速度传感器大都基于压电晶体的两种模式：纵向模式和切变模式，比如压缩式压电加速度传感器、厚度剪切式压电加速度传感器和环形剪切式压电加速度传感器等，这两种模式各有优缺点。
中国专利文献CN202159073U公开的一种中心压缩式压电加速度传感器，该专利的核心是将原来整体的带有中心柱的基座分为基座和中心柱两部分。此种结构设计虽然在一定程度上解决了传统结构压缩式加速度传感器制造工艺困难、成本高、对环境影响比较敏感等不足，但它的传感核心压电元件仍是需要制备成圆环形状，工序复杂，大大增加了器件的制作成本。
中国专利文献CN102901557A公开了一种剪切式结构的压电加速度传感器，其特征是底座与壳体一体。专利指出此种结构设计具有尺寸小、重量轻、精度高和基座应变效应不敏感等优点。但是此种结构要求底座具有很高的平面度和极小的垂直度误差，加工较困难，此外敏感元件也是采用圆环片，制备困难。
综上得到，压电加速度传感器核心敏感元件加工制备较繁琐是目前两种振动模式普遍存在的问题。目前，关于压电晶体的横向振动模式结构研制的压电加速度传感器应用未见报道。
发明内容
针对目前压缩式和切变式压电加速度传感器设计之不足，本发明提供了一种利用压电晶体横向振动模式的高温压电加速度传感器，具有组装简单、引线方便、晶片切型加工简易等优点。
本发明利用压电晶体的横向振动模式研制的压电加速度传感器件是一种全新的设计方案，基于横向振动模式的压电传感器，其灵敏度(推到公式为：灵敏度S＝n×dij×m×L/t，(n为压电晶片数量，dij为压电应变常数，m为质量块质量，L为压电晶片长度，t为压电晶片厚度)可根据晶片样品的长度和厚度比例加以改善。
术语解释：
1.压电效应：当一些电介质沿一定方向上受到外力的作用发生形变时，其内部会产生电极化现象，同时在它的两个相对表面上会出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它可以恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。相反，当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质也会发生形变，电场去掉后，电介质的形变随之消失，这种现象称为逆压电效应。
2、LGT晶体：化学式为La3Ga5.5Ta0.5O14，属于三方晶系32点群。
3、YCOB晶体：化学式为YCa4O(BO3)3，属于单斜晶系m点群。
4、LN晶体：化学式为LiNbO3，属于三方晶系3m点群。
本发明的技术方案为：
一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器，包括：
底座，包括一体成形的凸台和基本垂直于所述凸台的中心柱；
外壳，所述底座上连接所述外壳，形成所述压电加速度传感器的内腔；
陶瓷螺栓，所述陶瓷螺栓旋进所述外壳的上盖中，形成所述压电加速度传感器的密封内腔；
第一固定块、第一压电晶体组、第二压电晶体组、第二固定块，所述第一固定块、第一压电晶体组、第二压电晶体组、第二固定块依次横向固定在所述中心柱上，所述第一固定块、第一压电晶体组与第二压电晶体组、第二固定块对称设置在所述中心柱的两侧；
质量块，所述质量块套设在所述中心柱的上部。
根据本发明优选的，所述第一压电晶体组、第二压电晶体组均包括两片压电晶片，每两片压电晶片并联。采用4片并联的压电晶片，提高了传感器的灵敏度。
根据本发明优选的，所述压电晶片为(XYt/θ)切LGT晶片，X是指物理学x轴，Y是指物理学y轴，t是指沿着压电晶片旋转轴绕着厚度方向进行，θ是旋转角度。
根据本发明优选的，接触所述第一固定块、第二固定块的四片压电晶片的电极性相同，接触所述中心柱的四片压电晶片的电极性相同。
根据本发明优选的，所述高温压电加速度传感器还包括绝缘陶瓷管，所述中心柱靠近下端处设有开孔，所述绝缘陶瓷管横向通过所述中心柱上的开孔，所述第一固定块、第二固定块靠近下端对应位置处设有开孔，所述第一固定块、所述绝缘陶瓷管、第二固定块依次通过螺栓连接横向固定在所述中心柱上；
所述第一压电晶体组的两片压电晶片分别设置在所述绝缘陶瓷管的上、下管壁上，所述第二压电晶体组的两片压电晶片分别设置在所述绝缘陶瓷管的上、下管壁上。
此处设计的优势在于，第一固定块、第二固定块靠近下端处设有开孔，可有效增加第一固定块、第二固定块与压电晶片的接触面积，提高加速度传感器的灵敏度。另外，螺栓连接一方面可牢固的固定压电晶片，另一方面可将压电晶片的电荷引出。
根据本发明优选的，所述质量块与所述压电晶片之间，第一固定块与所述压电晶片之间，及第二固定块与所述压电晶片之间均设有缓冲垫。
此处设计的优势在于，一方面缓和了质量块对晶体的刚性压力，另一方面减少了高温环境对晶体的热应力作用，增加传感器的高温稳定性。
根据本发明优选的，所述绝缘陶瓷管与所述螺栓的缝隙间，以及所述绝缘陶瓷管与所述中心柱上的开孔的孔缝隙间均填充耐高温1300℃的无机胶。
此处设计的优势在于，提高了器件的密封性及牢固性。
根据本发明优选的，所述高温压电加速度传感器还包括两条高温引线，通过预紧螺母将质量块套设在所述中心柱的上部，质量块中心的圆孔与预紧螺母为同等直径大小。此处设计的优势在于，预紧螺母的作用是防止在振动环境下质量块、缓冲垫、压电晶片的松脱。一条高温引线一端连接所述螺栓，另一端通过所述外壳的上盖引出；另一条高温引线一端连接所述预紧螺母，另一端通过所述外壳的上盖引出。
根据本发明优选的，所述高温引线为直径0.8mm的铂金丝。高温引线采用耐高温、导电性好、抗氧化性强、柔韧度高的金属，在高温下也不易被氧化和剧烈振动情况下也不易疲劳断裂。
根据本发明优选的，所述第一固定块、第二固定块采用镍基合金导电材料。此处设计的优势在于，第一固定块、第二固定块一方面可起到固定压电晶片的作用，另一方面可充当电极，便于引出电信号。
根据本发明优选的，所述压电晶片为长方形或正方形晶片。
根据本发明优选的，所述第一固定块、第二固定块与所述凸台不接触。
本发明不需要单独的电极片引出电信号。
本发明的有益效果：
1.本发明利用压电晶体的横向振动模式研制压电加速度传感器，压电灵敏元件的制备较目前的圆环片在制备工艺上更加简易方便。
2.本发明采用横向振动模式的压电晶片以及多片并联的组合方式，提高了器件的灵敏度。
3.本发明设计采用从螺栓和底座部位引出电信号，方便高温引线的连接。
4.本发明采用镍基合金的金属块以及镀铂的镍金电极线，提高了器件的工作温度。
附图说明
图1为实施例2参考频率下横向振动模式压电加速度传感器温度响应特性曲线图；
图2为本发明横向振动模式的高温压电加速度传感器的整体结构示意图；
图3为本发明底座的结构示意图；
图4为本发明底座的俯视图；
图5为本发明压电晶片放置的示意图；
图6为本发明压电晶片受压后电荷分布图；
图7为本发明压电晶片切型的坐标图；
图8为本发明实施例2、实施例3和实施例4中所包含的横向振动模式晶体切型示意图；
图9为本发明绝缘陶瓷管的结构示意图。
1、外壳，2、凸台，3、中心柱，4、第一固定块，5、第二固定块，6、压电晶片，7、质量块，8、陶瓷螺栓，9、高温引线，10、预紧螺母，11、固定螺母，12、陶瓷螺栓。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明横向振动模式的压电加速度传感器技术方案进行清楚地、完整地描述。显然，所描述的实例仅是本横向振动模式的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明横向振动模式中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得其它实施例，都属于本发明横向振动模式的压电加速度传感器保护范围。
实施例1
一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器，如图2所示，包括：
底座，包括一体成形的凸台2和基本垂直于凸台2的中心柱3；如图3、图4所示。
外壳1，底座上连接外壳1，形成压电加速度传感器的内腔；
陶瓷螺栓8，陶瓷螺栓8旋进外壳1的上盖中，形成压电加速度传感器的密封内腔；
第一固定块4、第一压电晶体组、第二压电晶体组、第二固定块5，第一固定块4、第一压电晶体组、第二压电晶体组、第二固定块5依次横向固定在中心柱3上，第一固定块4、第一压电晶体组与第二压电晶体组、第二固定块5对称设置在中心柱3的两侧；第一固定块4、第二固定块5均采用导电材料。
质量块7，质量块7套设在中心柱3的上部。
第一压电晶体组、第二压电晶体组均包括两片压电晶片6，每两片压电晶片6并联。采用4片并联的压电晶片6，提高了传感器的灵敏度。
接触第一固定块4、第二固定块5的端面为四片压电晶片6的电极性相同的输出端，接触中心柱3的端面为四片压电晶片6的电极性相同的输出端。采用多片并联的连接方式，很好的提高了压电加速度传感器的灵敏度。
采用高温压电晶片6作为敏感元件材料，压电晶片6材料的化学式为La3Ga5.5Ta0.5O14，属三方晶系，空间群P321，点群32。压电晶片6为正方形。敏感元件可1个单独使用或多个并联使用。
实施例2
根据实施例1所述的一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器，其区别在于，
高温压电加速度传感器还包括绝缘陶瓷管，如图9所示。中心柱3靠近下端处设有开孔，绝缘陶瓷管横向通过中心柱3上的开孔，第一固定块4、第二固定块5靠近下端对应位置处设有开孔，第一固定块4、绝缘陶瓷管、第二固定块5依次通过固定螺母11、螺栓12连接横向固定在所述中心柱上；
第一压电晶体组的两片压电晶片6分别设置在绝缘陶瓷管的上、下管壁上，第二压电晶体组的两片压电晶片6分别设置在绝缘陶瓷管的上、下管壁上，如图5所示。压电晶片受压后电荷分布图如图6所示。正电荷分布在内侧，负电荷分布在外侧，或者负电荷分布在内侧，正电荷分布在外侧，便于电荷信号从螺栓和底座别引出。
此处设计的优势在于，第一固定块4、第二固定块5靠近下端处设有开孔，可有效增加第一固定块4、第二固定块5与压电晶片6的接触面积，提高加速度传感器的灵敏度。另外，螺栓12连接一方面可牢固的固定压电晶片6，另一方面可将压电晶片6的电荷引出。
质量块7与压电晶片6之间，第一固定块4与压电晶片6之间，及第二固定块5与压电晶片6之间均设有缓冲垫。此处设计的优势在于，一方面缓和了质量块7对晶体的刚性压力，另一方面减少了高温环境对晶体的热应力作用，增加传感器的高温稳定性。
绝缘陶瓷管与螺栓12的缝隙间，以及绝缘陶瓷管与中心柱3上的开孔的孔缝隙间均填充耐高温1300℃的无机胶。此处设计的优势在于，提高了器件的密封性及牢固性。
高温压电加速度传感器还包括两条高温引线9，通过预紧螺母10将质量块7套设在中心柱3的上部，质量块7中心的圆孔与预紧螺母10为同等直径大小。此处设计的优势在于，预紧螺母10的作用是防止在振动环境下质量块7、缓冲垫、压电晶片6的松脱。一条高温引线9一端连接螺栓12，另一端通过外壳1的上盖引出；另一条高温引线9一端连接预紧螺母10，另一端通过外壳1的上盖引出。
高温引线9为直径0.8mm的铂金丝。高温引线9采用耐高温、导电性好、抗氧化性强、柔韧度高的金属，在高温下也不易被氧化和剧烈振动情况下也不易疲劳断裂。
第一固定块4、第二固定块5采用镍基合金导电材料。此处设计的优势在于，第一固定块4、第二固定块5一方面可起到固定压电晶片6的作用，另一方面可充当电极，便于引出电信号。
第一固定块4、第二固定块5与凸台2不接触。
不需要单独的电极片引出电信号。
本实施例参考频率下横向振动模式压电加速度传感器温度响应特性曲线如图1所示，图1中，横坐标Temperature是指温度，纵坐标Sensitivity是指压电灵敏度。
实施例3
根据实施例2所述的一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器，其区别在于，
压电晶片6为YCOB晶体，且采用(XYt/θ)切型，压电晶片旋转切型如图7所示，每个切型都能测试出电信号，可探索最佳晶体切型使横向振动模式达到最理想的效果。
实施例4
根据实施例3所述的一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器，其区别在于，
压电晶片6为LN晶体，且采用横向振动模式d21和d31，横向压电应变常数d21是沿晶片的长度方向X施加一定的力，厚度方向Y产生压电电荷，而横向压电应变常数d31是厚度方向Z产生压电电荷。
实施例2、实施例3和实施例4中所包含的横向振动模式晶体切型横向振动模式晶体切型示意图如图8所示。
本实施例横向振动模式压电加速度计温度响应特性对比表如表1所示：
表1
| 对应实施例 | 晶体 | 室温灵敏度(pC/g) | 灵敏度变化率(0-550℃) |
| 实施例2 | LGT | 3.38 | 10％ |
| 实施例3 | YCOB | 2.52 | 8％ |
| 实施例4 | LN | 2.95 | 20％ |
注：此数据为参考频率160Hz。
通过表1可知，本发明采用横向振动模式的压电晶片以及多片并联的组合方式，提高了器件的灵敏度。
实施例2-4任一所述的一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器的安装方法，具体步骤包括：
(1)将绝缘陶瓷管表面蘸取稀的无机胶，旋转进入中心柱3的开孔中，确保两者之间填充饱满。将胶合好的的中心柱3和绝缘陶瓷管放进鼓风干燥箱中在120℃保持20小时以上，待高温无机胶完全固化。
(2)无机胶完全固化后，把压电晶片6依次排放在中心柱3的两端，注意将相同电极性的压电晶片6的端面靠近中心柱。将螺栓12套进第一固定块4且旋进绝缘陶瓷管，然后套进第二固定块5，把固定螺母11旋进螺栓12固定完成。
(3)将质量块7旋进中心柱3的上部，把预紧螺母10拧入，并用扭力扳手施加合适大小的预紧力矩。
(4)将高温引线9的两端以及中心带孔的陶瓷螺栓8的外螺纹涂稀的高温无机胶，将高温引线穿过陶瓷螺栓8，将陶瓷螺栓8旋进外壳1的上盖中。
(5)将整个器件放入鼓风干燥箱中，在120℃下保持20小时以上，将高温无机胶充分固化，并确保器件的高温引线9、陶瓷螺栓8、外壳1的上盖之间，以及中心柱3与绝缘陶瓷管之间充分密封结合。
Claims (9)
1.一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器，其特征在于，包括：
底座，包括一体成形的凸台和基本垂直于所述凸台的中心柱；
外壳，所述底座上连接所述外壳，形成所述压电加速度传感器的内腔；
陶瓷螺栓，所述陶瓷螺栓旋进所述外壳的上盖中，形成所述压电加速度传感器的密封内腔；
第一固定块、第一压电晶体组、第二压电晶体组、第二固定块，所述第一固定块、第一压电晶体组、第二压电晶体组、第二固定块依次横向固定在所述中心柱上，所述第一固定块、第一压电晶体组与第二压电晶体组、第二固定块对称设置在所述中心柱的两侧；
所述第一固定块、第二固定块采用镍基合金导电材料，所述第一固定块、第二固定块与所述凸台不接触；
质量块，所述质量块套设在所述中心柱的上部；
所述高温压电加速度传感器灵敏度S＝n×dij×m×L/t，n为压电晶片数量，dij为压电应变常数，m为质量块质量，L为压电晶片长度，t为压电晶片厚度。
2.根据权利要求1所述的一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器，其特征在于，所述第一压电晶体组、第二压电晶体组均包括两片压电晶片，每两片压电晶片并联。
3.根据权利要求2所述的一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器，其特征在于，所述压电晶片为(XYt/θ)切LGT晶片，X是指物理学x轴，Y是指物理学y轴，t是指沿着压电晶片旋转轴绕着厚度方向进行，θ是旋转角度。
4.根据权利要求2所述的一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器，其特征在于，接触所述第一固定块、第二固定块的四片压电晶片的电极性相同，接触所述中心柱的四片压电晶片的电极性相同。
5.根据权利要求2所述的一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器，其特征在于，所述高温压电加速度传感器还包括绝缘陶瓷管，所述中心柱靠近下端处设有开孔，所述绝缘陶瓷管横向通过所述中心柱上的开孔，所述第一固定块、第二固定块靠近下端对应位置处设有开孔，所述第一固定块、所述绝缘陶瓷管、第二固定块依次通过螺栓连接横向固定在所述中心柱上；
所述第一压电晶体组的两片压电晶片分别设置在所述绝缘陶瓷管的上、下管壁上，所述第二压电晶体组的两片压电晶片分别设置在所述绝缘陶瓷管的上、下管壁上。
6.根据权利要求2所述的一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器，其特征在于，所述质量块与所述压电晶片之间，第一固定块与所述压电晶片之间，及第二固定块与所述压电晶片之间均设有缓冲垫。
7.根据权利要求5所述的一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器，其特征在于，所述绝缘陶瓷管与所述螺栓的缝隙间，以及所述绝缘陶瓷管与所述中心柱上的开孔的孔缝隙间均填充无机胶。
8.根据权利要求5所述的一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器，其特征在于，所述高温压电加速度传感器还包括两条高温引线，通过预紧螺母将质量块套设在所述中心柱的上部，一条高温引线一端连接所述螺栓，另一端通过所述外壳的上盖引出；另一条高温引线一端连接所述预紧螺母，另一端通过所述外壳的上盖引出；
进一步优选的，所述高温引线为直径0.8mm的铂金丝。
9.根据权利要求2、4-8任一所述的一种基于横向振动模式的高温压电加速度传感器，其特征在于，所述压电晶片为长方形或正方形晶片。
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