CN117848479A - 一种阻尼可控振动传感器敏感元件以及振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阻尼可控振动传感器敏感元件以及振动传感器，所述敏感元件包括上盖、下盖和敏感结构，上盖、下盖与敏感结构形成封闭腔；敏感结构包括封装边框、支撑梁、阻尼膜片和质量块，封装边框用于保护质量块，封装边框的厚度大于质量块的厚度；阻尼膜片设置在质量块的底部外周，阻尼膜片与下盖之间形成阻尼腔，阻尼膜片第一膜片和第二膜片，第一膜片和第二膜片分别包括相对于质量块对称设置的两个半径相同的四分之一膜片，第二膜片的半径小于第一膜片，第二膜片与第一膜片的半径比不小于1/3；支撑梁用于连接质量块与封装边框，阻尼膜片的厚度小于支撑梁的厚度的1/20。本发明能够在实现传感器阻尼参数可调控的同时不影响传感器的其他参数设计。
Description
技术领域
本发明属于光纤振动传感器领域，具体涉及一种阻尼可控振动传感器敏感元件以及振动传感器。
背景技术
振动传感器灵敏度、频响范围、线性度、响应时间等性能参数决定了传感器的应用领域。频响范围和灵敏度是振动传感器的两个重要的性能参数，对于梁式惯性结构，由于振动特性的关系二者之间存在强烈制约关系：频响范围要求越高，共振频率越高，则MEMS振动传感器的灵敏度越低，反之亦然。在不考虑阻尼情况下，一般选取共振频率的15％～20％确定振动传感器的频响范围，而在适当的阻尼条件下器件的频响范围可达共振频率的90％，器件的瞬态特性也可大大改善。因此在振动传感器设计时，可以通过合理地设计阻尼参数获取最佳阻尼比，在不改变共振频率的情况下，扩大频响范围。
梁-质量块式MEMS振动敏感结构具有较高的加工精度，MEMS器件的典型平面尺寸为几毫米，而平面外尺寸为几十到几百微米。传感器的灵敏度、频响范围等振动性能由梁和质量块尺寸共同决定，由于弹性梁过薄容易在冲击和振动条件下损坏，所以一般不会随意减小其弹性梁刚度。阻尼参数由质量块尺寸和其与上下盖间隙参数决定，通过调控质量块尺寸对阻尼参数进行设计时，必然会导致灵敏度、频响范围等振动性能的改变，导致参数耦合进而影响传感器整体性能。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种阻尼可控振动传感器敏感元件以及振动传感器，能够在实现传感器阻尼参数可调控的同时不影响传感器的其他参数设计。
为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种阻尼可控振动传感器敏感元件，包括上盖、下盖和敏感结构，所述敏感结构设置在所述上盖与所述下盖之间，所述上盖、所述下盖与所述敏感结构形成封闭腔；
所述敏感结构包括封装边框、支撑梁、阻尼膜片和质量块，所述封装边框用于保护所述质量块，所述质量块设置在所述封装边框内，所述封装边框的厚度大于所述质量块的厚度；
所述阻尼膜片设置在所述质量块的底部外周，所述阻尼膜片与所述下盖之间形成阻尼腔，所述阻尼膜片第一膜片和第二膜片，第一膜片和第二膜片分别包括相对于所述质量块对称设置的两个半径相同的四分之一膜片，第二膜片的半径小于第一膜片，第二膜片与第一膜片的半径比不小于1/3；
所述支撑梁设置在所述质量块的外周，用于连接所述质量块与所述封装边框，所述阻尼膜片的厚度小于所述支撑梁的厚度的1/20。
优选地，所述阻尼可控振动传感器敏感元件的阻尼如下计算：
其中：μ-空气的粘性阻尼系数；
R-第一膜片的半径；
r-第二膜片的半径；
h-所述阻尼膜片与所述下盖之间的距离。
优选地，所述支撑梁的截面为方形，所述支撑梁的厚度小于或等于所述质量块厚度的1/10。
优选地，所述质量块的上表面采用基于微掩膜的DRIE工艺进行了局部粗糙化处理。
本发明的另一个方面提供一种振动传感器，包括上述的阻尼可控振动传感器敏感元件。
根据本发明上述方面的阻尼可控振动传感器敏感元件以及振动传感器，能够在实现传感器阻尼参数可调控的同时不影响其他参数设计，实现传感器阻尼可控设计，得到较好的振动响应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1是本发明一个实施例的阻尼可控振动传感器敏感元件的整体示意图；
图2是本发明一个实施例的阻尼可控振动传感器敏感元件的爆炸图；
图3是本发明一个实施例的敏感结构的俯视图；
图4是本发明一个实施例的敏感结构的正视剖面图；
图5是本发明一个实施例的带光纤的敏感结构的正视剖面图。
图中：1-上盖、2-下盖、3-敏感结构、3-1-封装边框、3-2-支撑梁、3-3-1-第一膜片、3-3-2-第二膜片、3-4-惯性质量块、3-5-质量块上表面、3-6-质量块下表面、4-光纤、4-1-光纤端面、5-激光。
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，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施例提供一种阻尼可控振动传感器敏感元件，如图1-图4所示，本发明实施例的阻尼可控振动传感器敏感元件包括上盖1、下盖2、敏感结构3。其中敏感结构3包括封装边框3-1、支撑梁3-2、阻尼膜片3-3、惯性质量块3-4。
敏感结构3设置在上盖1与下盖2之间，所述上盖1、下盖2与敏感结构3形成封闭腔，用于保护敏感结构3不受外力破坏。所述敏感结构3的封装边框3-1用于惯性质量块3-4的保护和模块封装。质量块3-4设置在封装边框3-1内，封装边框3-1的厚度尺寸大于质量块3-4的厚度，可以依据振动传感器的设计量程设置厚度差，其厚度差下限可根据振动传感器的设计量程和频率进行测算，用以对质量块3-4进行保护和限位。
所述敏感结构3的阻尼膜片3-3用于调节阻尼参数，阻尼膜片3-3设置在质量块22的底部外周。阻尼膜片3-3分为两部分：膜片半径较大的第一膜片3-3-1和膜片半径较小的第二膜片3-3-2。为保证质量块3-4在运动过程中受力均匀，两部分阻尼膜片采用对称设计，分别包括相对于质量块3-4对称设置的两个四分之一膜片，该相对的两个四分之一膜片的半径相同。为保证阻尼平衡，两膜片半径比不小于1/3。阻尼膜片3-3的作用在于实现了阻尼参数与结构参数的解耦，从而在一定范围内可独立设计。阻尼膜片3-3与下盖2之间形成阻尼腔，阻尼膜片3-3与下盖2之间的距离为h。另外，阻尼膜片3-3设计为圆形，避免在振动方向上出现模态畸形。
所述敏感结构3的支撑梁3-2作为弹性结构控制整个系统的刚度，支撑梁3-2设置在质量块22的外周，将质量块22与封装边框3-1连接。支撑梁3-2截面为方形结构，其在振动方向上的尺寸(厚度)小于或等于质量块3-4尺寸的1/10，提高支撑梁3-2结构在振动方向上的强度，通过阻尼膜片3-3避免交叉敏感，实现光纤振动传感器在应用环境下的响应。阻尼膜片3-3的厚度小于支撑梁3-2厚度的1/20，确保膜片的存在不影响支撑梁3-2的受力。
所述敏感结构3的质量块3-4作为惯性和光反射结构，用于感受外界振动信号和反射光信号。为减少光信号反射的能量损失，采用基于微掩膜的DRIE(Deep Reactive IonEtching，深反应离子刻蚀)工艺对质量块3-4的上表面做局部粗糙化处理。
本发明实施例的阻尼可控振动传感器敏感元件的阻尼如下计算：
其中：μ-空气的粘性阻尼系数；
R-半径较大的第一膜片3-3-1的半径；
r-半径较小的第二膜片3-3-2的半径；
h-阻尼膜片3-3与下盖2间的距离。
本发明的实施例还提供一种振动传感器，包括上述实施例的阻尼可控振动传感器敏感元件。以下参照图5对本发明实施例的阻尼可控振动传感器敏感元件和振动传感器的工作原理进行说明。
光信号通过光纤4传输到质量块3-4表面发生反射，入射光和反射光发生干涉，当质量块3-4由于外界振动产生位移时影响干涉，将振动信号转化为光信号。质量块3-4作为惯性和光反射结构，为减少光信号反射的能量损失，需要对其表面进行处理。敏感结构3是基于梁-质量块的二阶单自由度振动敏感结构，在该结构中，质量块上表面3-5与光纤端面4-1构成F-P腔(法布里-珀罗谐振腔)，而质量块下表面3-6则应表现为漫反射，否则下表面3-6返回光则会继续反射与折射从而对F-P腔干涉信号造成干扰。因此采用基于微掩膜的DRIE工艺对质量块上表面3-5做局部粗糙化处理。在DRIE工艺中，通过金属铝的微掩膜效应，在高能粒子轰击材料表面时激发铝原子逃逸，部分沉积于单晶硅刻蚀表面形成微掩膜，从而实现材料的粗糙化刻蚀。
支撑梁3-2作为弹性结构控制整个系统的刚度，实现光纤振动传感器在振动环境下的响应。在MEMS振动敏感结构的参数设计中，优先考虑灵敏度和频率响应，而控制这两个参数的主要因素是敏感结构模态匹配和空气阻尼设计，模态匹配可根据共振频率进行设计，其控制参数为梁和质量块的尺寸参数。同样质量块的尺寸也是控制空气阻尼的主要机理因素，模态匹配和空气阻尼在设计时相互耦合。随着器件的微型化，为保证敏感结构在振动方向的稳定性不发生偏振，往往质量块面内参数设计控制在2mm范围内，此时空气阻尼很小，从而导致可选取得频率响应范围较窄。本发明实施例的阻尼可控振动传感器敏感元件通过阻尼膜片3-3(第一膜片3-3-1和第二膜片3-3-2)增加质量块3-4与空气的接触面积，从而控制阻尼参数。由于阻尼膜片3-3的厚度小于支撑梁3-2厚度的1/20，因此阻尼膜片3-3的存在不影响支撑梁3-2的受力，整体敏感结构3的刚度未发生改变，因此可先行独立设计控制模态匹配的质量块和梁结构参数，然后再根据实际需要通过阻尼膜片3-3调控阻尼参数，保证共振频率不变的情况下实现较宽频率响应范围选取。
从振动理论可知，0.707为最佳阻尼比，此时系统的幅频特性和瞬态响应特性都处在最佳状态，此时频率响应范围选取可达到共振频率的90％。
本发明上述实施例提供了一种基于F-P传感原理的阻尼可控振动传感器敏感元件，利用振动敏感特性，增加阻尼膜片设计，相比于传统未增加阻尼膜片的敏感结构，解决了设计时阻尼参数与其他参数相互影响的问题，在实现阻尼参数可调控的同时不影响其他参数设计，从而能够实现传感器阻尼可控设计，得到较好的振动响应。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (5)
1.一种阻尼可控振动传感器敏感元件，其特征在于：包括上盖、下盖和敏感结构，所述敏感结构设置在所述上盖与所述下盖之间，所述上盖、所述下盖与所述敏感结构形成封闭腔；
所述敏感结构包括封装边框、支撑梁、阻尼膜片和质量块，所述封装边框用于保护所述质量块，所述质量块设置在所述封装边框内，所述封装边框的厚度大于所述质量块的厚度；
所述阻尼膜片设置在所述质量块的底部外周，所述阻尼膜片与所述下盖之间形成阻尼腔，所述阻尼膜片第一膜片和第二膜片，第一膜片和第二膜片分别包括相对于所述质量块对称设置的两个半径相同的四分之一膜片，第二膜片的半径小于第一膜片，第二膜片与第一膜片的半径比不小于1/3；
所述支撑梁设置在所述质量块的外周，用于连接所述质量块与所述封装边框，所述阻尼膜片的厚度小于所述支撑梁的厚度的1/20。
2.如权利要求1所述的阻尼可控振动传感器敏感元件，其特征在于：所述阻尼可控振动传感器敏感元件的阻尼如下计算：
其中：μ一空气的粘性阻尼系数；
R-第一膜片的半径；
r-第二膜片的半径；
h一所述阻尼膜片与所述下盖之间的距离。
3.如权利要求1或2所述的阻尼可控振动传感器敏感元件，其特征在于：所述支撑梁的截面为方形，所述支撑梁的厚度小于或等于所述质量块厚度的1/10。
4.如权利要求1-3中任一项所述的阻尼可控振动传感器敏感元件，其特征在于：所述质量块的上表面采用基于微掩膜的DRIE工艺进行了局部粗糙化处理。
5.一种振动传感器，其特征在于，包括权利要求1-4中任一项所述的阻尼可控振动传感器敏感元件。
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