CN112285384A - 一种基于机械超材料结构的加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于机械超材料结构的加速度传感器，该加速度传感器包括：基板、以及设置在基板上的加速度感应单元、至少一个应变感应单元、锚点组以及引线组，每个应变感应单元均包括机械超材料结构和电阻应变片，其中，各机械超材料结构一端均通过引线组与锚点组连接，各机械超材料结构的另一端均通过引线组与加速度感应单元连接，以在发生加速度运动时接收加速度感应单元产生的单一方向的应变，并将单一方向的应变转换为多方向的应变，各电阻应变片均与对应的机械超材料结构连接，以在多方向的应变下产生电阻值的变化，以根据各电阻值的变化测量加速度。该加速度传感器具有灵敏度高、测量范围大、测量误差小、结构新颖等优势。

Description

一种基于机械超材料结构的加速度传感器

技术领域

本发明属于加速度传感器技术领域，具体涉及一种基于机械超材料结构的加速度传感器。

背景技术

加速度传感器自面世后一直作为最重要的惯性仪器代表之一，广泛的应用于惯性导航和惯性制导系统之中，主要涉及航空航天、车辆控制、高速铁路、军工、机器人、工业自动化、探矿等众多领域。随着MEMS技术的不断发展，加速度传感器逐渐向微型化方向发展，微加速度传感器是以集成电路工艺和MEMS制造技术相结合制造的新型加速度传感器。MEMS加速度传感器相较于传统的加速度传感器具有体积小、寿命长、成本低、重量轻、功耗小、易集成、可靠性高和可大批量生产等优势，现有的MEMS加速度传感原理主要包括压阻式、电容式、压电式、隧道电流式、谐振式和伺服式等，各类原理的加速度传感器在灵敏度、测量范围、带宽、响应特性、温度效应、线性度、功耗、体积、成本、可靠性等方面各有优劣，适用于不同场合。但是，仍存在分辨率较低、量程较小以及温漂大、成本较高等缺陷。因此，近年来，随着科学技术的不断发展，研究具有高分辨率、大量程、多轴惯性测量、温漂小、低成本、高可靠性的加速度传感器成为发展趋势，在自动化技术发展迅速的今天，对加速度传感器的进一步研究与开发仍十分必要的，

因此，针对目前加速度传感器存在的技术问题，有必要提出一种新的加速度传感器，即基于机械超材料结构的加速度传感器。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于机械超材料结构的加速度传感器。

本发明提供一种基于机械超材料结构的加速度传感器，所述加速度传感器包括：基板、以及设置在所述基板上的加速度感应单元、至少一个应变感应单元、锚点组以及引线组，每个所述应变感应单元均包括机械超材料结构和电阻应变片；其中，

各所述机械超材料结构一端均通过所述引线组与所述锚点组连接，各所述机械超材料结构的另一端均通过所述引线组与所述加速度感应单元连接，以在发生加速度运动时接收所述加速度感应单元产生的单一方向的应变，并将所述单一方向的应变转换为多方向的应变；

各所述电阻应变片均与对应的所述机械超材料结构连接，以在所述多方向的应变下产生电阻值的变化，以根据各所述电阻值的变化测量加速度。

可选的，所述机械超材料结构包括：

第一超材料框架，所述第一超材料框架围设在所述电阻应变片外侧，且所述第一超材料框架通过所述引线组与所述电阻应变片电连接；

至少一个第二超材料框架，所述第二超材料框架自所述第一超材料框架向对应的所述加速度感应单元或所述锚点组延伸并分别与所述加速度感应单元或所述锚点组相连。

可选的，所述机械超材料结构包括两个第二超材料框架；

其中一个所述第二超材料框架分别与所述加速度感应单元以及所述第一超材料框架相连；

另外一个所述第二超材料框架分别与所述第一超材料框架以及所述锚点组相连。

可选的，所述第一超材料框架包括第一变形部和第一连接部，所述第二超材料框架包括第二变形部和第二连接部；其中，

所述第一变形部与所述第一连接部相连，并与所述电阻应变片电连接；

所述第二变形部与所述第二连接部相连，并与对应的所述加速度感应单元或所述锚点组相连，所述第二连接部还与所述第一变形部相连。

可选的，在沿所述第一变形部的长度方向上，所述第一变形部与所述电阻应变片之间的距离先增大后减小；以及，

在沿所述第二变形部的长度方向上，所述第二变形部与所述电阻应变片之间的距离先减小后增大。

可选的，所述第一变形部和所述第二变形部均呈折线状，且所述第一变形部和所述第二变形部的折线尖端相对设置。

可选的，所述加速度传感器包括多个应变感应单元，所述多个应变感应单元沿所述加速度感应单元的周向对称设置。

可选的，所述机械超材料结构具有负泊松比特性。

可选的，所述机械超材料结构长度方向的应变与宽度方向的应变同步变化。

可选的，所述加速度感应单元采用质量块。

本发明提供一种基于机械超材料结构的加速度传感器，该加速度传感器包括：基板、以及设置在基板上的加速度感应单元、至少一个应变感应单元、锚点组以及引线组，每个应变感应单元均包括机械超材料结构和电阻应变片，其中，各机械超材料结构一端均通过引线组与锚点组连接，各机械超材料结构的另一端均通过引线组与加速度感应单元连接，以在发生加速度运动时接收加速度感应单元产生的单一方向的应变，并将单一方向的应变转换为多方向的应变，各电阻应变片均与对应的机械超材料结构连接，以在多方向的应变下产生电阻值的变化，以根据各电阻值的变化测量加速度。由于本发明中的机械超材料结构具有负泊松比的特性，即外力对机械超材料结构纵向拉伸或压缩，该结构同时横向上也会发生相同的拉伸或压缩，呈现结构整体向外膨胀或向内收缩的形变，使得加速度感应单元运动时机械超材料结构相比于传统结构，传递给电阻应变片的应变由单一方向的应变转换成多个方向的应变，从而使得该加速度传感器具有灵敏度高、测量范围大、测量误差小、结构新颖等优势。

附图说明

图1为本发明一实施例的基于机械超材料结构的加速度传感器的结构示意图；

图2为本发明图1中基于机械超材料结构的加速度传感器的A-A′剖面图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

如图1和图2所示，本发明提供一种基于机械超材料结构的加速度传感器，该加速度传感器包括：基板、以及设置在基板上的加速度感应单元、至少一个应变感应单元、锚点组以及引线组，每个应变感应单元均包括机械超材料结构和电阻应变片。其中，各机械超材料结构一端均通过引线组与锚点组连接，各机械超材料结构的另一端均通过引线组与加速度感应单元连接，以在发生加速度运动时接收加速度感应单元产生的单一方向的应变，并将单一方向的应变转换为多方向的应变，各电阻应变片均与对应的机械超材料结构连接，以在多方向的应变下产生电阻值的变化，以根据各电阻值的变化测量加速度。

本实施例中的机械超材料结构在外力对机械超材料结构纵向拉伸或压缩时，该结构同时横向上也会发生相同的拉伸或压缩，呈现结构整体向外膨胀或向内收缩的形变，使得加速度感应单元运动时机械超材料结构相比于传统结构，传递给电阻应变片的应变由单一方向的应变转换成多个方向的应变，从而使得该加速度传感器具有灵敏度高、测量范围大、测量误差小、结构新颖等优势。

需要说明的是，本实施例对于应变感应单元个数不作具体限定，可以为多个应变感应单元，并且，该多个应变感应单元沿加速度感应单元的周向对称设置，例如，可以沿加速度感应单元的周向对称设置两个、三个或者四个等，对于本领域技术人员来说，可以根据实际需要进行设定，具体的，本实施例以设置四个应变感应单元为例进行详细说明。

进一步需要说明的是，与四个应变感应单元相对应的，本实施例的锚点组包括有四个锚点，其中，一个锚点对应一个应变感应单元，分别为第一锚点5、第二锚点6、第三锚点7、第四锚点8。以及，每个应变感应单元对应一组引线组，分别为第一引线组、第二引线组、第三引线组、第四引线组，其中，每组引线组包括有6条电学连接线。

仍需要说明的是，本实施例的加速度感应单元采用质量块。

具体的，上述四个机械超材料结构均包括：第一超材料框架和至少一个第二超材料框架，该第一超材料框架围设在电阻应变片外侧，且第一超材料框架通过引线组与电阻应变片电连接，第二超材料框架自第一超材料框架向对应的加速度感应单元或锚点组延伸并分别与加速度感应单元或锚点组相连。也就是说，包括一个第二超材料框架时，该第二超材料框架沿机械超材料结构的水平方向向任一侧延伸，并与该侧相对应的结构(加速度感应单元或者锚点)连接，另一侧通过第一超材料框架与对应的结构(锚点或者加速度感应单元)连接。

进一步的，在一些实施例中，机械超材料结构包括两个第二超材料框架，这样，两个第二超材料框架分别沿第一超材料框架的两侧向水平方向延伸，其中一个第二超材料框架分别与加速度感应单元以及第一超材料框架相连，另外一个第二超材料框架分别与第一超材料框架以及锚点组相连。

可选的，如图1所示，以其中一个应变感应单元为例进行说明，第一超材料框架包括第一变形部1a和第一连接部1b，第二超材料框架包括第二变形部1c和第二连接部1d，其中，第一变形部1a与第一连接部1b相连，并与第一电阻应变片10电连接，第二变形部1c与第二连接部1d相连，并与对应的加速度感应单元9或锚点组5相连，第二连接部1d还与第一变形部1a相连。也就是说，本实施例的机械超材料结构在水平方向上具有变形部，这样，水平方向的变形部随着发生加速度运动时接收加速度感应单元产生的单一方向的拉伸或压缩而发生相应的变化，而纵向上的连接部，将各变形部连接起来，随着变形部的形变也相应的发生形变，以使得该机械超材料结构在纵向上也相应的发生拉伸变形，进而将单一方向的应变转换为多方向的应变，导致电阻应变片的电阻值发生变化，通过检测电阻应变片的电阻值发生变化，实现对加速度的测量。

需要说明的是，为了使得机械超材料结构的连接部随着变形部同步变化，如图1所示，本实施例的第一连接部1b由三部分组成，具体的，包括自两个第一变形部1a的端部分别向背离第一电阻应变片10的一侧延伸的两个子第一连接部，以及连接两个子第一连接部的子第一连接部，这样，通过上述三部分配合的第一连接部可使得机械超材料结构整体向外膨胀或向内压缩发生形变。

进一步需要说明的是，本实施例中机械超材料结构的第一变形部、第二变形部以及第一连接部和第二连接部的形状均不作具体限定，可以根据实际需要进行设置，应当理解的是，由于需要随着加速度感应单元的拉伸或压缩而发生相应的变形，因此，需要将其设置为具有一定的弹性伸缩功能的结构，例如，将变形部设置成弯曲状，或者折线状等，这样，在加速度感应单元发生位移变化时，相应的，机械超材料结构的变形部和连接部均可以进行拉伸或压缩形变。

具体地，在一些实施例中，在静止状态下，机械超材料结构呈如下具体形状：在沿第一变形部的长度方向上，第一变形部与电阻应变片之间的距离先增大后减小，以及，在沿第二变形部的长度方向上，第二变形部与电阻应变片之间的距离先减小后增大。示例性的，如图1所示，以其中一个机械超材料结构为例进行说明，第一变形部1a和第二变形部1c均呈折线状，且第一变形部1a和第二变形部1c的折线尖端相对设置。

进一步需要说明的是，本实施例的电阻应变片位于对应的机械超材料结构的中心位置处，并通过每组引线组中的四条电学连接线与第一变形部连接，以将应变传递至电阻应变片。

更进一步的，如图1所示，本实施例的四个机械超材料结构分别为第一机械超材料结构1、第二机械超材料结构2、第三机械超材料结构3、第四机械超材料结构4。

具体的，如图1和图2所示，本实施例包括四个应变感应单元，分别沿加速度感应单元的周向对称设置，即整体呈对称结构。其中，第一应变感应单元位于加速度感应单元9沿其长度方向的左侧，包括第一机械超材料结构1和第一电阻应变片10，第一机械超材料结构1包括一个第一超材料框架与对称设置的两个第二超材料框架，这样，第一超材料框架中的第一变形部1a通过第一引线组中的电学连接线22/23/24/25与第一电阻应变片10连接，第一变形部1a还通过第二连接部1d与第二变形部1c连接，其中一侧的第二变形部1c通过第一引线组中的电学连接线18与第一锚点5连接，另一侧的第二变形部1c通过第一引线组中的电学连接线14与加速度感应单元9的其中一侧连接。

进一步的，如图1所示，第二应变感应单元位于加速度感应单元9沿其宽度方向的下侧，其中，第二应变感应单元包括第二机械超材料结构2和第二电阻应变片11，第二机械超材料结构2同样包括一个第一超材料框架与两个第二超材料框架，这样，第一超材料框架中的第一变形部2a通过第二引线组中的电学连接线26/27/28/29与第二电阻应变片11连接，第一变形部2a还通过第二连接部2d与第二变形部2c连接，其中一侧的第二变形部2c通过第二引线组中的电学连接线19与第二锚点6连接，另一侧的第二变形部2c通过第二引线组中的电学连接线15与加速度感应单元9的另外一侧连接。

与第一应变感应单元相对应的，在加速度感应单元沿其长度方向的右侧还设置有第三应变感应单元，如图1和图2所示，第三应变感应单元包括第三机械超材料结构3和第二电阻应变片12，第三机械超材料结构3同样包括一个第一超材料框架与两个第二超材料框架，这样，第一超材料框架中的第一变形部3a通过第三引线组中的电学连接线30/31/32/33与第三电阻应变片12连接，第一变形部3a还通过第二连接部3d与第二变形部3c连接，其中一侧的第二变形部3c通过第三引线组中的电学连接线20与第三锚点7连接，另一侧的第二变形部3c通过第三引线组中的电学连接线16与加速度感应单元9的另外一侧连接。

与第二应变感应单元相对应的，在加速度感应单元沿其宽度方向的上册还设置有第四应变感应单元，如图1所示，第四应变感应单元包括第四机械超材料结构4和第四电阻应变片13，第四机械超材料结构4同样包括一个第一超材料框架与两个第二超材料框架，这样，第一超材料框架中的第一变形部4a通过第四引线组中的电学连接线34/35/36/37与第四电阻应变片13连接，第一变形部4a还通过第二连接部4d与第二变形部4c连接，其中一侧的第二变形部4c通过第四引线组中的电学连接线21与第四锚点8连接，另一侧的第二变形部4c通过第四引线组中的电学连接线17与加速度感应单元9的另外一侧连接。

需要说明的是，由于传统结构具有正泊松比使结构纵向拉伸的同时横向会收缩，而本实施例的机械超材料结构具有负泊松比特性，这样，机械超材料结构长度方向的应变与宽度方向的应变同步变化。也就是说，外力对机械超材料结构纵向拉伸或压缩，该结构同时横向上也会同时发生拉伸或压缩，呈现结构整体向外膨胀或向内收缩的形变，使得其在纵向受到拉伸或压缩的同时横向也会拉伸或压缩，呈现结构整体向外膨胀或向内收缩的形变，这导致质量块运动时机械超材料结构传递给电阻应变片的应变比传统结构产生的应变大很多，传递给电阻应变片的应变由单一方向的应变转换成多个方向的应变，从而使该加速度传感器具备灵敏度高、测量范围大、测量误差小等优势，同时该加速度传感器体积小、成本低、功耗小、可靠性强，从而为基于机械超材料结构的加速度传感器在工业自动化和制导系统领域的应用奠定了基础。

根据上述加速度传感器的具体结构，一并结合图1和图2，其工作原理如下：由于第一机械超材料结构1通过电学连接线18与第一锚点5连接，第二机械超材料结构2通过电学连接线19与第二锚点6连接，第三机械超材料结构3通过电学连接线20与第三锚点7连接，第四机械超材料结构4通过电学连接线21与第四锚点8连接，这样，当加速度传感器的质量块9感受到加速度发生运动时，质量块9通过电学连接线14对第一机械超材料结构1进行拉伸或压缩，第一机械超材料结构1被拉伸或压缩的形变通过电学连接线22、23、24、25传递到第一电阻应变片10，使得第一电阻应变片10的电阻值发生改变。同理，质量块9通过电学连接线15对第二机械超材料结构2进行拉伸或压缩，第二机械超材料结构2被拉伸或压缩的形变通过电学连接线26、27、28、29传递到第二电阻应变片11，使得第二电阻应变片11的电阻值发生改变。同理，质量块9通过电学连接线16对第三机械超材料结构3进行拉伸或压缩，第三机械超材料结构3被拉伸或压缩的形变通过电学连接线30、31、32、33传递到第三电阻应变片12，使得第三电阻应变片12的电阻值发生改变。同理，质量块9通过电学连接线17对第四机械超材料结构4进行拉伸或压缩，第四机械超材料结构4被拉伸或压缩的形变通过电学连接线34、35、36、37传递到第四电阻应变片13，使得第四电阻应变片13的电阻值发生改变，通过检测四个电阻应变片的电阻值变化即可检测质量块的加速度大小和方向。

需要说明的是，本实施例的基于机械超材料结构的加速度传感器可以通过微电子加工工艺进行制作形成，其结构尺寸的精度可以达到较高的水平，有利于实现传感器的微型化，该加速度传感器基于机械超材料结构，突破了传统检测结构的思维模式，利用机械超材料结构的负泊松比等超常的物理特性，使得传感器灵敏度提高、测量误差减小和检测范围增大，同时该加速度传感器还具备体积小、成本低、功耗小、工艺兼容等优势。

进一步需要说明的是，本实施例基于机械超材料形成的加速度传感器与其他加速度传感器的区别如下：本实施例采用由四个具有负泊松比特性的机械超材料结构构成的对称结构，以及，采用位于机械超材料结构中心位置处的电阻应变片感应加速度变化。

本发明提供一种基于机械超材料结构的加速度传感器，该加速度传感器与现有技术相比较而言，具有以下有益效果：第一、机械超材料结构对称分布于整个加速度传感器，使得质量块运动时对某一机械超材料结构拉伸时，同时对另一机械超材料结构产生压缩，所以通过检测四个电阻应变片阻值变化，可以提高传感器的灵敏度。第二、该加速度传感器由于机械超材料结构的负泊松比特性，使得质量块运动时机械超材料结构传递给电阻应变片的应变由单一方向的应变转换成多个方向的应变，其相较于传统结构的加速度传感器具有输出测量范围更大、灵敏度更高、测量误差更小的特点。第三、该加速度传感器结构新颖、检测方法简单且消耗功率低，可以实现高可靠、微型化和低功耗的应用需求。第四、该加速度传感器的制作无需特殊材料，且与传统MEMS加工工艺兼容。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于机械超材料结构的加速度传感器，其特征在于，所述加速度传感器包括：基板、以及设置在所述基板上的加速度感应单元、至少一个应变感应单元、锚点组以及引线组，每个所述应变感应单元均包括机械超材料结构和电阻应变片；其中，

各所述机械超材料结构一端均通过所述引线组与所述锚点组连接，各所述机械超材料结构的另一端均通过所述引线组与所述加速度感应单元连接，以在发生加速度运动时接收所述加速度感应单元产生的单一方向的应变，并将所述单一方向的应变转换为多方向的应变；

各所述电阻应变片均与对应的所述机械超材料结构连接，以在所述多方向的应变下产生电阻值的变化，以根据各所述电阻值的变化测量加速度。

2.根据权利要求1所述的加速度传感器，其特征在于，所述机械超材料结构包括：

第一超材料框架，所述第一超材料框架围设在所述电阻应变片外侧，且所述第一超材料框架通过所述引线组与所述电阻应变片电连接；

至少一个第二超材料框架，所述第二超材料框架自所述第一超材料框架向对应的所述加速度感应单元或所述锚点组延伸并分别与所述加速度感应单元或所述锚点组相连。

3.根据权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于，所述机械超材料结构包括两个第二超材料框架；

其中一个所述第二超材料框架分别与所述加速度感应单元以及所述第一超材料框架相连；

另外一个所述第二超材料框架分别与所述第一超材料框架以及所述锚点组相连。

4.根据权利要求2所述的加速度传感器，其特征在于，所述第一超材料框架包括第一变形部和第一连接部，所述第二超材料框架包括第二变形部和第二连接部；其中，

所述第一变形部与所述第一连接部相连，并与所述电阻应变片电连接；

所述第二变形部与所述第二连接部相连，并与对应的所述加速度感应单元或所述锚点组相连，所述第二连接部还与所述第一变形部相连。

5.根据权利要求4所述的加速度传感器，其特征在于，在沿所述第一变形部的长度方向上，所述第一变形部与所述电阻应变片之间的距离先增大后减小；以及，

在沿所述第二变形部的长度方向上，所述第二变形部与所述电阻应变片之间的距离先减小后增大。

6.根据权利要求5所述的加速度传感器，其特征在于，所述第一变形部和所述第二变形部均呈折线状，且所述第一变形部和所述第二变形部的折线尖端相对设置。

7.根据权利要求1至6任一项所述的加速度传感器，其特征在于，所述加速度传感器包括多个应变感应单元，所述多个应变感应单元沿所述加速度感应单元的周向对称设置。

8.根据权利要求1至6任一项所述的加速度传感器，其特征在于，所述机械超材料结构具有负泊松比特性。

9.根据权利要求8所述的加速度传感器，其特征在于，所述机械超材料结构长度方向的应变与宽度方向的应变同步变化。

10.根据权利要求1至6任一项所述的加速度传感器，其特征在于，所述加速度感应单元采用质量块。

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