CN109459068A - 一种高精度压电传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度压电传感器，包括底座，依次设置在底座上的第一胶粘层、压电薄膜层、第二胶粘层和质量块，所述质量块包括本体、至少一个位于本体底部的凸起部、以及至少一个与凸起部相邻的空缺部，所述凸起部与所述第二胶粘层接触，所述空缺部的高度大于第二粘胶层的厚度。本发明通过第一胶粘层来将压电薄膜层叠加在底座上，通过第二胶粘层将质量块叠加在压电薄膜层上，以将三者形成连接，不需要设置中心柱，可以避免传统压缩型加速度传感器的质量偏心的问题，减少机械部件，进一步调高器件的共振频率和均匀性。进一步地，本发明可以在质量块的底部设置空缺部，以减少质量块与压电薄膜层的接触面积和质量块的重量来提高器件的精度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种高精度压电传感器。
背景技术
压电式传感器是基于压电效应的传感器。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，将力或者形变转换成电信号，广泛应用在声学、医学、力学、导航等领域。
锆钛酸铅(PZT)是一种PbZrO3和PbTiO3的混合材料，有着优异的压电特性和介电特性，因此，PZT是现有压电式传感器中应用最广泛的压电材料。其中，PZT中Zr/Ti配比发生变化或者添加一种或者两种其它微量元素(如锑、锡、锰、钨等)，其性能也会发生改变。
PZT压电加速度传感器是PZT压电传感器中的一种。它主要分为压缩和剪切两大类，压缩式传感器与剪切型相比具有更高的响应频率。图1是传统单轴压缩式压电加速度传感器的结构示意图，传统单轴压缩式压电加速度传感器包括中心柱1、压电片2、质量块3、预压弹簧4、固定部件5、外壳6和底座7。
现有的压电片2为压电陶瓷片，由压电陶瓷粉末压制烧结而成，由于粉末的颗粒比较大，烧制成的压电陶瓷片中不可避免的存在空隙，而且材料组成、密度、厚度也存在偏差。为了减小不均匀性，在使用前，需要对每个压电陶瓷片进行打磨处理，但也仍然存在不均匀性。此外，压电陶瓷片比较脆，特别是在厚度比较薄的情况下，一旦用力不均容易造成毁坏性破碎。为了防止破碎，现有压电陶瓷片的厚度一般在0.1mm以上。由于器件的本征共振频率与材料的厚度成反比，增加压电陶瓷片的厚度，会降低器件的共振频率，减小器件的使用频率范围，现有压电传感器的共振频率只有60kHz。
此外，由于压电陶瓷片各部件的材料不同，密度分布也不尽相同，而且机械加工存在误差，所以中心柱的位置很难与各部件的质量中心重合，从而产生偏心现象。
进一步地，由于中心柱的存在，加大了部件的尺寸及质量，现有压电传感器一般外径在9mm，重量在5g以上，从而限制了器件的使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高精度压电传感器，可精确控制质量块与压电薄膜间的接触面积，以提高器件的精度。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高精度压电传感器，结构简单、体积小、重量轻、且适用于批量化生产。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度压电传感器，包括底座，依次设置在底座上的第一胶粘层、压电薄膜层、第二胶粘层和质量块，所述质量块包括本体、至少一个位于本体底部的凸起部、以及至少一个与凸起部相邻的空缺部，所述凸起部与所述第二胶粘层接触，所述空缺部的高度大于第二粘胶层的厚度。
作为上述方案改进，所述空缺部的高度等于凸起部的高度，且凸起部与压电薄膜层的接触面积小于质量块本体的底面面积。
作为上述方案改进，包括多个空缺部和多个凸起部，所述空缺部与凸起部纵横交错。
作为上述方案改进，所述压电薄膜层包括支撑体，依次设置在支撑体上的第一电极、压电薄膜和第二电极，所述压电薄膜的厚度为0.1-10μm。
作为上述方案改进，所述支撑体由不产生电荷的硬质材料制成，或者由产生电荷数量小于压电薄膜产生电荷数量的硬质材料制成，所述支撑体的厚度为0.05-2mm。
作为上述方案改进，采用物理或者化学方式在支撑体上沉积形成压电薄膜。
作为上述方案改进，所述压电薄膜包括Pb、Zr、Ti、Ba、Fe、Bi、Nb、Sr、La、Mn、Co、B、Ni、Li、Na、K、Sn和Si中的一种或几种元素。
作为上述方案改进，所述压电薄膜为PZT薄膜、BaTiO薄膜、BiFeO3薄膜、BaSrO3薄膜、LiNbO3薄膜、KNbO3薄膜或LiTaO3薄膜。
作为上述方案改进，所述第一电极和第二电极包括Au、Ti、Pt、Ir、Ni、La、Ni、Ru、Sr、Ag、Cr、Al、Cu中的一种或几种元素。
作为上述方案改进，所述质量块由铜、钨或钨铜制成。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明通过第一胶粘层来将压电薄膜层叠加在底座上，通过第二胶粘层将质量块叠加在压电薄膜层上，以将三者形成连接，不需要设置中心柱，可以避免传统压缩型加速度传感器的质量偏心的问题，减少机械部件，进一步调高器件的共振频率和均匀性。进一步地，本发明可以在质量块的底部设置空缺部，以减少质量块与压电薄膜层的接触面积和质量块的重量来提高器件的精度。
2、本发明的高精度压电传感器通过在支撑体上形成压电薄膜，并配合第一电极和第二电极以形成压电薄膜层，用于替代传统的压电陶瓷片，可以大大减少器件的尺寸。
3、本发明的支撑体还可以减小胶粘层或底座在温度变化或者形状变化下对压电薄膜的影响，保证测量结果的准确性。
4、与现有的压电陶瓷片相比，本发明的压电薄膜层采用支撑体这种结构，致使压电薄膜能够在大面积的载体上形成，不仅能够提高生产效率，还能够提高压电薄膜的均匀性，使压电薄膜的厚度误差控制在±5％以内，表面粗糙度在nm量级，与现有的机械加工方式相比，本发明的压电薄膜在均匀性方面具有较大的改善。
5、由于本发明的压电薄膜是形成在支撑体上，所以本发明压电薄膜的厚度可以控制在0.1-10μm范围内，其厚度仅为传统压电陶瓷片厚度的1/10以下，因此可以大幅提高器件的本征振动频率，扩大器件的使用范围。此外，本发明压电薄膜的厚度非常小，可以减少横向运动导入的误差。
6、本发明的高精度压电传感器采用的压电薄膜层是在大尺寸的压电薄膜材料中切割出来的，因此各个小片的压电薄膜性能相近，横向尺寸误差可以控制在1％以下的μm量级，有利于高精度压电传感器的批量化生产。
附图说明
图1是传统单轴压缩式压电加速度传感器的结构示意图；
图2是本发明高精度压电传感器的结构示意图；
图3是本发明压电薄膜层的结构示意图；
图4a至图4f是本发明质量块其他优选方案的示意图；
图5是本发明实施例1的高精度压电传感器的结构示意图；
图6是本发明实施例2的高精度压电传感器的结构示意图；
图7是本发明实施例3中质量块的空缺部和凸起部的排列示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
参见图2，本发明提供的一种高精度压电传感器，包括底座1、设置在底座1上的第一胶粘层2、设置在第一胶粘层2上的压电薄膜层3、设置在压电薄膜层3上的第二胶粘层4、以及设置在第二胶粘层4上的质量块5。
其中，质量块5包括本体51、至少一个位于本体51底部的凸起部52、以及至少一个与凸起部52相邻的空缺部53，所述凸起部52与所述第二胶粘层4接触，所述空缺部53的高度大于第二粘胶层4的厚度。
本发明通过第一胶粘层2来将压电薄膜层3叠加在底座1上，通过第二胶粘层4将质量块5叠加在压电薄膜层3上，以将三者形成连接，不需要设置中心柱，可以避免传统压缩型加速度传感器的质量偏心的问题，减少机械部件，进一步调高器件的共振频率和均匀性。
进一步地，本发明可以在质量块5的底部设置空缺部53，以减少质量块5与压电薄膜层3的接触面积和质量块5的重量来提高器件的精度。
再进一步地，本发明可以通过控制凸起部52和空缺部53的大小和数量，来控制质量块5与压电薄膜层3的接触面积。
具体的，本发明通过第二胶粘层4来将质量块5固定在压电薄膜层3上，当质量块5受力下压时，位于质量块5与压电薄膜层3之间的第二胶粘层4会向边缘反向溢出，由于本发明在质量块5的底部设置了空缺部53，而空缺部53又与凸起部52相邻设置，且空缺部53的高度大于第二粘胶层4的厚度，因此，第二胶粘层4的溢出部分会延伸到空缺部53，从而不会增加质量块5与压电薄膜层3的接触面积，不会影响器件的精度。
优选的，所述空缺部53的高度等于凸起部52的高度，且凸起部52与压电薄膜层4的接触面积小于质量块本体51的底面面积。
优选的，所述凸起部52位于质量块5的轴心，因此在器件动作过程中，压电薄膜层3的受力面积仅为中心部分，受力面积精确可控。
参见图3，所述压电薄膜层3包括支撑体31、设置在支撑体31上的第一电极32、设置在第一电极32上的压电薄膜33、以及设置在压电薄膜33上的第二电极34，其中，所述压电薄膜33的厚度为0.1-10μm。
所述支撑体31由硬质材料制成，在传感器的工作过程内，支撑体31不产生电荷或者产生的电荷数量小于压电薄膜产生的电荷数，这样在动作过程中，可以避免或者减少由支撑体产生的电荷所引入的影响。优选的，所述支撑体31的材料为Si、Al2O3或SiO2。
本发明的支撑体31用于减小胶粘层或底座在温度变化或者形状变化下对压电薄膜的影响，保证测量结果的准确性。其中，支撑体31的厚度为0.05-2mm。支撑体31的厚度小于0.05mm，支撑体在胶粘固定过程中容易变形，从而影响压电薄膜的压电特性；支撑体31的厚度大于2mm时，其效果不再明显，反而会增加器件的尺寸和重量。优选的，支撑体31的厚度为0.1-1mm。具体的，支撑体的厚度为0.05mm、0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.8mm、1mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm或2mm。
需要说明的是，本发明的压电薄膜33采用物理或者化学沉积方式在大面积的支撑体31上形成，其中，支撑体31的尺寸可以为4寸、6寸或8寸。具体的，可以采用磁控溅射法、水热法、电化学法、溶胶-凝胶法、有机化学气相沉积、脉冲激光沉积法或高压粉粒喷射衬底法在支撑体上形成大面积的压电薄膜。
与现有的压电陶瓷片相比，本发明的压电薄膜层3采用支撑体这种结构，致使压电薄膜33能够在大面积的载体上形成，不仅能够提高生产效率，还能够提高压电薄膜33的均匀性，使压电薄膜33的厚度误差控制在±5％以内，表面粗糙度在nm量级，与现有的机械加工方式相比，本发明的压电薄膜在均匀性方面具有较大的改善。
由于本发明的压电薄膜33是形成在支撑体31上，所以本发明压电薄膜33的厚度可以控制在0.1-10μm范围内，其厚度仅为传统压电陶瓷片厚度的1/10以下，因此可以大幅提高器件的本征振动频率，扩大器件的使用范围，本发明高精度压电传感器的振动频率可达100kHz。由于图1中的传感器采用了较厚的压电陶瓷片，因此会产生横向运动导入的误差此外，而本发明压电薄膜33的厚度非常小，因此可以减少横向运动导入的误差。优选的，所述压电薄膜33的厚度为0.3-5μm。具体的，所述压电薄膜33的厚度为0.1μm、0.3μm、0.5μm、0.8μm、1μm、1.5μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm或10μm。
所述压电薄膜33包括Pb、Zr、Ti、Ba、Fe、Bi、Nb、Sr、La、Mn、Co、B、Ni、Li、Na、K、Sn和Si中的一种或几种元素。
优选的，所述压电薄膜33为PZT薄膜、BaTiO薄膜、BiFeO3薄膜、BaSrO3薄膜、LiNbO3薄膜、KNbO3薄膜或LiTaO3薄膜。
本发明的高精度压电传感器通过在支撑体上形成压电薄膜，并配合第一电极和第二电极以形成压电薄膜层，用于替代传统的压电陶瓷片，可以大大减少器件的尺寸。
进一步地，本发明的高精度压电传感器采用的压电薄膜层是在大尺寸的压电薄膜材料中切割出来的，因此各个小片的压电薄膜性能相近，横向尺寸误差可以控制在1％以下的微米量级，有利于高精度压电传感器的批量化生产，具体的，压电薄膜如采用方形切割，边长可以不到5mm，组装后，本发明高精度压电传感器的重量可以降到3g。
需要说明的是，所述第一电极32和第二电极34包括Au、Ti、Pt、Ir、Ni、La、Ni、Ru、Sr、Ag、Cr、Al、Cu中的一种或几种元素。在本发明的其他实施例中，第一电极32和第二电极34还可以由SrRuO3、LaNiO3、InTiO3等氧化物导电材料制成。
其中，所述底座1由轻质的金属制成。优选的，所述底座1由Ti、Al和Cu中的一种或几种制成，但不限于此。
优选的，所述质量块5由铜、钨或钨铜制成。所述第一粘胶层2和第二粘胶层4由制成。其中，所述第一粘胶层2和第二粘胶层4由硅橡胶、环氧树脂胶、丙烯酸酯胶和聚氨酯胶中的一种或几种制成。
下面将以具体实施例来进一步阐述本发明
实施例1
一种高精度压电传感器，如图2所示，包括底座1，依次设置在底座1上的第一胶粘层2、压电薄膜层3、第二胶粘层4和质量块5；
所述质量块5包括本体51，位于本体51底部的凸起部52，位于凸起部52边缘的空缺部53，所述凸起部52位于质量块5的轴心上，所述本体51为圆柱形，其直径为4mm，高度为2.8mm，所述凸起部52为圆柱形，其直径为2.5mm，高度为0.2mm，所述质量块5由铜、钨或钨铜制成，其重量为0.32g；
所述压电薄膜层3包括支撑体，依次设置在支撑体上的第一电极、压电薄膜和第二电极，其中，所述第一电极和第二电极均由Pt制成，两者的厚度均为100nm，所述压电薄膜为PZT薄膜，其厚度为2μm，所述支撑体由Si制成，其厚度为0.5mm；所述第二胶粘层4的厚度为0.1mm。
本实施例的高精度压电传感器总体重量轻、部件少、体积小、谐振频率高、频响范围广、可大批量生产。
参见图4a至图4f，图4a-图4f是实施例1中质量块的另一优选方案，其中，图4a和图4b中质量块边缘为阶梯式变化，图4c至图4e中质量块边缘为连续性变化，图4f中质量块的边缘为阶梯式变化和连续性变化的组合。
实施例2
一种高精度压电传感器，如图5所示，包括底座1，依次设置在底座1上的第一胶粘层2、压电薄膜层3、第二胶粘层4和质量块5；
所述质量块5包括本体51，位于本体51底部的凸起部52，位于凸起部52边缘的空缺部53，所述凸起部52位于质量块5的轴心上，所述凸起部52包括位于本体51底部的第一凸起部521和位于第一凸起部521底部的第二凸起部522，所述本体51、第一凸起部521和第二凸起部522均为圆柱形，本体51的直径为4mm，高度为2.8mm，第一凸起部521的直径为3mm，第二凸起部522的直径为1.5mm，所述质量块5由铜、钨或钨铜制成，其重量为0.5g；
所述压电薄膜层3包括支撑体，依次设置在支撑体上的第一电极、压电薄膜和第二电极，其中，所述第一电极由Ir制成，其厚度为100nm，所述第二电极包括Cr层和Au层，其厚度分别为3nm和50nm，所述压电薄膜为掺杂有Nb的PZT薄膜，其厚度为0.3 m，所述支撑体由Al2O3制成，其厚度为0.5mm；
其中，第二凸起部522与压电薄膜层3直接接触，所述第二胶粘层4设置在第一凸起部521与压电薄膜层3之间，这样，第二胶粘层4与质量块本体51不直接接触，不受第二胶粘层4溢出的影响，压电薄膜层3的受力面积为第一凸起部521和第二凸起部522的面积。
在本实施例中，PZT压电薄膜还可以掺杂Mn、Co、Ni等元素。
实施例3
一种高精度压电传感器，如图6和图7所示，包括底座1，依次设置在底座1上的第一胶粘层2、压电薄膜层3、第二胶粘层4和质量块5；
所述质量块5包括本体51，多个位于本体51底部的凸起部52，多个位于凸起部52边缘的空缺部53，其中，凸起部52与空腔部53纵横交错，所述本体51为圆柱形，其直径为4mm，高度为2.8mm，所述凸起部52和空缺部53的宽度均为0.5mm，高度为0.2mm，所述质量块5由铜、钨或钨铜制成，其重量为0.4g；
所述压电薄膜层3包括支撑体，依次设置在支撑体上的第一电极、压电薄膜和第二电极，其中，所述第一电极由Pt制成，其厚度为150nm，所述第二电极包括Cr层和Au层，其厚度分别为3nm和50nm，所述压电薄膜为BaTiO3薄膜，其厚度为5 m，所述支撑体由Si制成，其厚度为0.5mm。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种高精度压电传感器，其特征在于，包括底座，依次设置在底座上的第一胶粘层、压电薄膜层、第二胶粘层和质量块，所述质量块包括本体、至少一个位于本体底部的凸起部、以及至少一个与凸起部相邻的空缺部，所述凸起部与所述第二胶粘层接触，所述空缺部的高度大于第二粘胶层的厚度。
2.如权利要求1所述的高精度压电传感器，其特征在于，所述空缺部的高度等于凸起部的高度，且凸起部与压电薄膜层的接触面积小于质量块本体的底面面积。
3.如权利要求2所述的高精度压电传感器，其特征在于，包括多个空缺部和多个凸起部，所述空缺部与凸起部纵横交错。
4.如权利要求1所述的高精度压电传感器，其特征在于，所述压电薄膜层包括支撑体，依次设置在支撑体上的第一电极、压电薄膜和第二电极，所述压电薄膜的厚度为0.1-10μm。
5.如权利要求4所述的高精度压电传感器，其特征在于，所述支撑体由不产生电荷的硬质材料制成，或者由产生电荷数量小于压电薄膜产生电荷数量的硬质材料制成，所述支撑体的厚度为0.05-2mm。
6.如权利要求4所述的高精度压电传感器，其特征在于，采用物理或者化学方式在支撑体上沉积形成压电薄膜。
7.如权利要求6所述的高精度压电传感器，其特征在于，所述压电薄膜包括Pb、Zr、Ti、Ba、Fe、Bi、Nb、Sr、La、Mn、Co、B、Ni、Li、Na、K、Sn和Si中的一种或几种元素。
8.如权利要求7所述的高精度压电传感器，其特征在于，所述压电薄膜为PZT薄膜、BaTiO薄膜、BiFeO3薄膜、BaSrO3薄膜、LiNbO3薄膜、KNbO3薄膜或LiTaO3薄膜。
9.如权利要求4所述的高精度压电传感器，其特征在于，所述第一电极和第二电极包括Au、Ti、Pt、Ir、Ni、La、Ni、Ru、Sr、Ag、Cr、Al、Cu中的一种或几种元素。
10.如权利要求1所述的高精度压电传感器，其特征在于，所述质量块由铜、钨或钨铜制成。
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