CN114043957B - 基于pzt薄膜的传感装置、制备方法和汽车安全气囊系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PZT薄膜的传感装置、制备方法和汽车安全气囊系统，所述传感装置包括底座、柔性压电薄膜传感器和惯性球悬臂梁，所述柔性压电薄膜传感器下端固定在底座上；所述惯性球悬臂梁设置在柔性压电薄膜传感器内侧本传感器仅仅用来检测汽车在撞击时候来自于各个方向的加速度的大小，由处理器判断是否达到起爆阈值，以及何时起爆安全气囊。解决汽车遭受撞击时候由多个传感器分别检测各单一方向加速度的问题。

Description

基于PZT薄膜的传感装置、制备方法和汽车安全气囊系统

技术领域

本发明属于压电传感器设计与制备技术领域，具体涉及一种基于PZT薄膜的传感装置、制备方法和汽车安全气囊系统。

背景技术

安全带和安全气囊是日常汽车行驶过程中最常听到的被动安全装置，系好安全带更是驾驶人在驾驶车辆时，时时刻刻都要遵守的交通规则，当发生交通事故时，因为强大的撞击力，车内人员在惯性的作用下会向前冲，系好安全带能够有效的防止车内人员造成二次伤害，尤其是对颈椎的伤害。安全气囊是在汽车发生猛烈撞击时，能够进行快速自行充气并弹出的保护乘车人员安全和避免撞向车内坚硬物体受伤的被动安全装置，安全气囊的安装位置有三个方向，分别是正面气囊，侧面气囊和膝盖部位的气囊，尤其是正面气囊的应用，在猛烈撞击后能够有效的保护前排乘车人员的头部不受到伤害。通过安全带和安全气囊的共同作用，能够大大提升乘车人员在发生安全交通事故时的安全性，起到降低伤害性的效果，而安全气囊最关键的部分就是传感器。

已有的安全气囊传感器多为单一性质与单一方向检测，控制气囊的起爆需要多个传感器协同作用，系统及计算算法复杂，安全气囊系统故障率居高不下。

现有汽车安全气囊保护系统一般有2-5个传感器分别布置在车的保险杠、B柱内板、吸能盒等位置。这些保护系统传感器件多，较为复杂，故障率高，而且互相之间常会有电磁干扰，影响整个系统的正常工作，从而威胁到系统的安全性。

发明内容

本发明提供了一种基于PZT薄膜的传感装置、制备方法和汽车安全气囊系统，主要应用于汽车安全气囊系统，解决汽车遭受撞击时，由多个传感器分别检测各单一方向加速度的问题。

为达到上述目的，本发明所述一种基于PZT薄膜的传感器，包括底座、柔性压电薄膜传感器和惯性球悬臂梁，所述柔性压电薄膜传感器下端固定在底座上；所述柔性压电薄膜传感器包括筒形的基底，所述基底内表面设置有薄膜电极层，所述薄膜电极层上设置有多个PZT压电薄膜，所述薄膜电极层上连接有第一引线；所述惯性球悬臂梁设置在柔性压电薄膜传感器内侧，包括固定连接的惯性球和连接杆，连接杆尾部连接有第二引线，所述连接杆下端和底座轴孔配合，初始状态下，惯性球与厚度最大的PZT压电薄膜表面相接触。

进一步的，多个PZT压电薄膜周期性排布。

进一步的，多个PZT压电薄膜包括四个第一PZT压电薄膜，两个所述第一PZT压电薄膜之间设置有多个厚度小于第一PZT压电薄膜的PZT压电薄膜，且距离第一PZT压电薄膜越远的PZT压电薄膜的厚度越小。

进一步的，柔性压电薄膜传感器外设置有外壳，所述外壳和底座对接形成用于容置柔性压电薄膜传感器的腔体。

进一步的，底座上设置有环形槽，所述基底下端固定在环形槽中。

进一步的，多个PZT压电薄膜均匀设置在薄膜电极层上。

上述的基于PZT薄膜的传感装置的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、制备柔性压电薄膜传感器，具体包括以下步骤：

S1.1、制备聚酰亚胺基底；

S1.2、在聚酰亚胺基底上形成薄膜电极层；

S1.3、在薄膜电极层上制备4组PZT压电薄膜，得到面柔性压电薄膜传感器，N为自然数，同一组的PZT压电薄膜厚度梯度排布；

S1.4、将面柔性压电薄膜传感器卷成筒形，得到柔性压电薄膜传感器，在薄膜电极层上焊上第一引线。

步骤2、将底座、柔性压电薄膜传感器和惯性球悬臂梁安装在一起，得到一种基于PZT薄膜的传感装置。

进一步的，步骤S1.2中，薄膜电极层的材料为Au。

进一步的，S1.3中，PZT压电薄膜的上下两端用导电胶二次固定。

一种汽车安全气囊系统，其特征在于，包括上述的一种基于PZT薄膜的传感器。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明所述的传感装置用来检测汽车在撞击时候来自于各个方向的加速度的大小，根据不同方向压电薄膜传感器的输出信号，由后端的处理器判断是否达到起爆阈值，以及何时起爆安全气囊。行驶中汽车的碰撞多发生在前后方向，侧面及角度碰撞则在红绿灯路口以及静止时候较为常见，由于汽车的结构各向异性，以及驾驶室的结构布置，为保证驾驶员的安全，各个方向分别监测并分别设定起爆阈值。其中的柔性传感器针对各个方向的冲击加速度都进行监测，将整个圆周方向均分为多个角度范围，可针对各个角度设置不同的安全气囊起爆阈值，设置方法为改变压电薄膜厚度。

进一步的，柔性压电薄膜传感器外设置有外壳，所述外壳和底座对接形成用于容置柔性压电薄膜传感器的腔体，以防止环境污染，提高柔性传感器的可靠性。

本发明所述的传感装置的制备方法，提供了一种传感装置的制备方法，首先通过在基底上周期排布的四组PZT压电薄膜，得到柔性压电薄膜传感器，然后将底座、柔性压电薄膜传感器惯性球悬臂梁和外壳安装在一起，得到一种基于PZT薄膜的传感装置，改传感装置可监测各个方向的冲击加速度。

本发明所述的一种汽车安全气囊系统，包括基于PZT薄膜的传感器，可以根据汽车的各个方向的碰撞试验，从而确定汽车各个方向的安全气囊起爆的加速度阈值，然后将对应方向的薄膜制作成不同厚度大小，这样就可以将各个方向大小不同的加速度值下产生的电信号通过一个后处理电路采集处理，并且只需要设置一个起爆阈值，大大简化后处理电路，大大缩短安全气囊起爆反应时间。

附图说明

图1为传感器安装位置示意图；

图2为加速度传感器爆炸图；

图3为加速度传感器装配图；

图4为压电薄膜结构示意图；

图5为压电薄膜轴测图；

图6为筒状压电薄膜示意图；

图7为压电薄膜俯视图；

图8为加速度传感器剖视图；

图9为加速度传感器爆炸剖视图。

附图中：1-底座，2-柔性压电薄膜传感器，3-惯性球悬臂梁，4-外壳，5-引线，21-基底，22-薄膜电极层，23-PZT压电薄膜，24-第一引线，31-惯性球，32-连接杆，33-第二引线，6-汽车；231-第一PZT压电薄膜，232-第二PZT压电薄膜，233-第三PZT压电薄膜。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1至图3，一种基于PZT薄膜的传感装置，包括底座1、柔性压电薄膜传感器2、惯性球悬臂梁3和外壳4，底座1和外壳4均为塑料材质。

底座1和外壳4对接形成腔体，塑料外壳4由上往下套住整个压电薄膜传感器以防止环境污染导致失效。所述腔体中设置有柔性压电薄膜传感器2和惯性球悬臂梁3，柔性压电薄膜传感器2为筒状，底座1上端有2mm深、1mm宽的环形槽11，中间部位开设有直径1mm的通孔12，环形槽11用以固定安装柔性压电薄膜传感器2，通孔12用以固定安装惯性球悬臂梁3。柔性压电薄膜传感器2下端插入环形槽11中，悬臂梁3上部设置在柔性压电薄膜传感器2内侧，下端插入通孔12中。

参照图4，柔性压电薄膜传感器2包括基底21、薄膜电极层22和PZT压电薄膜23，金属电极22沉积在基底21上表面，薄膜电极层22一侧设置有16个长度相同的PZT压电薄膜23，PZT压电薄膜23的长度小于薄膜电极层22的长度，薄膜电极层22上连接有第一引线24，薄膜电极层22的材料为黄金。

参照图5至图7，所述的PZT压电薄膜23的厚度不完全相同，卷为筒型后，呈圆周向、中心对称、周期性布置：将圆周4等分，每90°内等距布置4条PZT压电薄膜，压电薄膜排布顺序为：沿顺时针方向依次为第一PZT压电薄膜231、第二PZT压电薄膜232、第三PZT压电薄膜233和第二PZT压电薄膜232；其中第一PZT压电薄膜231的厚度＞第二PZT压电薄膜232的厚度＞第三PZT压电薄膜233的厚度；在一个周期内，第一PZT压电薄膜231在起始时刻与惯性球3刚好接触。第一PZT压电薄膜231在受到一定大小的加速度冲击时候会产生一定大小的电荷信号，而第二PZT压电薄膜232和第三PZT压电薄膜233在受到比前述更大的加速度冲击时候才会产生与第一PZT压电薄膜231一样大小的电荷信号。

参照图8和图9，惯性球悬臂梁3包括固定连接的惯性球31和连接杆32，惯性球31为直径为5mm的实心圆球，连接杆32为直径1mm的圆柱形，连接杆32尾部焊接有第二引线33。

可以根据汽车6的各个方向的碰撞试验，从而确定汽车各个方向的安全气囊起爆的加速度阈值，然后将对应方向的薄膜制作成不同厚度大小，这样就可以将各个方向大小不同的加速度值下产生的电信号通过一个后处理电路采集处理，并且总共只需要设置一个起爆阈值，大大简化后处理电路，大大缩短安全气囊起爆反应时间。

第一引线和第二引线用于将电荷信号传出，惯性球31受到加速度冲击时候会发生水平方向的径向位移，从而将PZT压电薄膜23压变形，此时PZT压电薄膜23上、下表面会产生电荷信号，惯性球31与PZT压电薄膜23的一个面接触作为一个电极，而PZT压电薄膜23的另外一个表面与薄膜电极层，作为另一个电极。从而大大简化了多阵列传感器复杂引线问题。

实施例2

一种基于PZT薄膜的传感装置的制备方法，包括以下步骤；

步骤1、制备柔性压电薄膜传感器2，具体包括以下步骤：

S1.1、采用气相沉积法制备聚酰亚胺基底，即将气态二胺和二酐直接在混炼机中进行高温混炼成膜；

S1.2、通过Au靶材在高能原子冲击下的溅射或者金箔材料高温加热后的蒸发，在聚酰亚胺基底上形成一层Au薄膜电极层；

S1.3、采用磁控溅射制膜工艺在Au薄膜电极层上制备厚度16个不同的长条状PZT压电薄膜23，PZT压电薄膜23的上下侧边用少许导电银胶二次固定，得到面柔性压电薄膜传感器；

S1.4、将面柔性压电薄膜传感器卷成筒形得到柔性压电薄膜传感器2，在Au薄膜电极层上焊上第一引线24。

步骤2、将底座1、柔性压电薄膜传感器2、惯性球悬臂梁3和外壳4安装在一起，得到一种基于PZT薄膜的传感装置。

实施例3

一种汽车安全气囊系统，包括实施例1所述的基于PZT薄膜的传感装置。传感装置为圆柱体，直径10mm，高20mm，竖直安装在汽车6的承重框架上，安装具有方向性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于PZT薄膜的传感装置，其特征在于，包括底座(1)、柔性压电薄膜传感器(2)和惯性球悬臂梁(3)，所述柔性压电薄膜传感器(2)下端固定在底座(1)上；

所述柔性压电薄膜传感器(2)包括筒形的基底(21)，所述基底(21)内表面设置有薄膜电极层(22)，所述薄膜电极层(22)上设置有多个PZT压电薄膜(23)，所述薄膜电极层(22)上连接有第一引线(24)；

所述惯性球悬臂梁(3)设置在柔性压电薄膜传感器(2)内侧，包括固定连接的惯性球(31)和连接杆(32)，连接杆(32)尾部连接有第二引线(33)，所述连接杆(32)下端和底座(1)轴孔配合，初始状态下，惯性球(31)与厚度最大的PZT压电薄膜(23)表面相接触；

所述多个PZT压电薄膜(23)包括四个第一PZT压电薄膜(231)，两个所述第一PZT压电薄膜(231)之间设置有多个厚度小于第一PZT压电薄膜(231)的PZT压电薄膜，且距离第一PZT压电薄膜(231)越远的PZT压电薄膜的厚度越小。

2.根据权利要求1所述的一种基于PZT薄膜的传感装置，其特征在于，所述多个PZT压电薄膜(23)周期性排布。

3.根据权利要求1所述的一种基于PZT薄膜的传感装置，其特征在于，所述柔性压电薄膜传感器(2)外设置有外壳(4)，所述外壳(4)和底座(1)对接形成用于容置柔性压电薄膜传感器(2)的腔体。

4.根据权利要求1所述的一种基于PZT薄膜的传感装置，其特征在于，所述底座(1)上设置有环形槽(11)，所述基底(21)下端固定在环形槽(11)中。

5.根据权利要求1所述的一种基于PZT薄膜的传感装置，其特征在于，所述多个PZT压电薄膜(23)均匀设置在薄膜电极层(22)上。

6.权利要求1所述的基于PZT薄膜的传感装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、制备柔性压电薄膜传感器(2)，具体包括以下步骤：

S1.1、制备聚酰亚胺基底；

S1.2、在聚酰亚胺基底上形成薄膜电极层(22)；

S1.3、在薄膜电极层(22)上制备4组PZT压电薄膜，得到面柔性压电薄膜传感器，N为自然数，同一组的PZT压电薄膜厚度梯度排布；

S1.4、将面柔性压电薄膜传感器卷成筒形，得到柔性压电薄膜传感器(2)，在薄膜电极层(22)上焊上第一引线(24)；

步骤2、将底座(1)、柔性压电薄膜传感器(2)和惯性球悬臂梁(3)安装在一起，得到一种基于PZT薄膜的传感装置。

7.根据权利要求6所述的一种基于PZT薄膜的传感装置的制备方法，其特征在于，所述步骤S1.2中，薄膜电极层(22)的材料为Au。

8.根据权利要求6所述的一种基于PZT薄膜的传感装置的制备方法，其特征在于，所述S1.3中，PZT压电薄膜(23)的上下两端用导电胶二次固定。

9.一种汽车安全气囊系统，其特征在于，包括权利要求1所述的一种基于PZT薄膜的传感装置。

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