CN220490261U - 一种谐振式体波力传感器敏感单元结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种谐振式体波力传感器敏感单元结构，包括上承载体、压电芯片和下承载体，所述的上承载体与下承载体上下对称叠放设置，所述的上承载体与下承载体之间拼接形成腔体，该腔体内部安装有压电芯片，所述的压电芯片上设有芯片电极，所述的腔体上下贯通，所述的上承载体上端设置有覆盖层，所述的下承载体下端设置有贴片层，所述的腔体的上、下两端口通过覆盖层和贴片层封住形成一密闭空间，所述的贴片层下端安装有IC，该贴片层上端设有与IC相连的连接电极，所述的连接电极与芯片电极之间通过导电柱体连通。本实用新型方便于敏感单元的量产化与标准化，且方便安装于弹性体上，可自由拆换，减少传感器安装与更换的风险，大幅减低制造成本。

Description

一种谐振式体波力传感器敏感单元结构

技术领域

本实用新型涉及谐振式体波力传感器技术领域，特别是涉及一种谐振式体波力传感器敏感单元结构。

背景技术

谐振式传感器，又称为频率式传感器，将被测物理量转化为频率单位，当外部物理量产生改变时，频率产生变化，藉由变化数值，可判断其感应结果，以压电材料作为敏感单元内振动芯片的主要材料，具备高精度、高灵敏度、快速响应、低迟滞、高刚性等传感器优势。

以谐振式体波为基础的力与力矩传感器敏感单元结构可应用于制造业、自动化产业、生物医疗、汽车产业、航天航空等。

现有的谐振式体波力传感器敏感单元结构结构复杂，不方便敏感单元的量产化与标准化，而且敏感单元结构内部的压电芯片的寿命不会太长，容易影响敏感单元结构的可靠度与稳定性。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种谐振式体波力传感器敏感单元结构，此结构方便于敏感单元的量产化与标准化，且方便安装于弹性体上，可自由拆换，减少传感器安装与更换的风险，大幅减低制造成本。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种谐振式体波力传感器敏感单元结构，包括上承载体、压电芯片和下承载体，所述的上承载体与下承载体上下对称叠放设置，所述的上承载体与下承载体之间拼接形成腔体，该腔体内部安装有压电芯片，所述的压电芯片上设有芯片电极，所述的腔体上下贯通，所述的上承载体上端设置有覆盖层，所述的下承载体下端设置有贴片层，所述的腔体的上、下两端口通过覆盖层和贴片层封住形成一密闭空间，所述的贴片层下端安装有IC，该贴片层上设有与IC相连的连接电极，所述的连接电极与芯片电极之间通过导电柱体连通。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的上承载体与下承载体之间采用胶黏或焊接固定。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的压电芯片的压电材料为石英、铌酸锂、钽酸锂、PVDF或者陶瓷材料。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的压电芯片选用石英材料，晶体切型为AT切型。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的贴片层为PCB板。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的芯片电极、导电柱体以及连接电极均为导电材料，所述的导电材料为金、银或铜。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的压电芯片为正方形或者长方形的薄膜结构。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的压电芯片薄膜结构的厚度为T，范围为1um≤T≤100um。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的上承载体和下承载体采用相同的结构，均包括有前部力承载边、后部力承载边、内六边形框架和芯片平台，所述的内六边形框架内壁的两侧均开设有一凹槽，两个凹槽形成芯片平台，所述的前部力承载边和后部力承载边分别设置于内六边形框架的前后两侧，所述的压电芯片安装固定在芯片平台上。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的前部力承载边与内六边形框架之间以及后部力承载边与内六边形框架之间均设置有应力集中结构，该应力集中结构的结构为圆边、方边或多边形。

有益效果：本实用新型涉及一种谐振式体波力传感器敏感单元结构，上承载体和下承载体经过稳固贴合后，使得腔体形成一密闭空间，可以达到高真空度，或是低气体压力的一空间环境，可使压电芯片的寿命延长，增加其可靠度与稳定性，从而让传感器有较长的使用寿命。本实用使用上下盖直接封装方式，将上下承载体作为敏感单元进行气密封装，可使用黏胶或者激光焊封方式，进行覆盖层与贴片层的贴合，在贴合的高低温制造过程中，不产生封装体形变，对于传感器承力结构不产生感应过程上的误差。

附图说明

图1是本实用新型的爆炸图；

图2是本实用新型的结构示意图；

图3是本实用新型不同角度的结构示意图；

图4是本实用新型所述的下承载体的结构示意图。

图示：101、覆盖层，102、上承载体，103、压电芯片，104、芯片电极，105、下承载体，106、腔体，7、导电柱体，108、连接电极，109、贴片层，110、IC，111、前部力承载边，112、后部力承载边，113、内六边形框架，114、芯片平台，115、应力集中结构。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型的实施方式涉及一种谐振式体波力传感器敏感单元结构，如图1-4所示，包括上承载体102、压电芯片103和下承载体105，所述的上承载体102与下承载体105上下对称叠放设置，所述的上承载体102与下承载体105之间拼接形成腔体106，该腔体106内部安装有压电芯片103，所述的压电芯片103上设有芯片电极104，所述的腔体106上下贯通，所述的上承载体102上端设置有覆盖层101，所述的下承载体105下端设置有贴片层109，所述的腔体106的上、下两端口通过覆盖层101和贴片层109封住形成一密闭空间，所述的贴片层109下端安装有IC110，该贴片层109上设有与IC110相连的连接电极108，所述的连接电极108与芯片电极104之间通过导电柱体107连通。

上承载体102和下承载体105经过稳固贴合后，使得腔体106形成一密闭空间，可以达到高真空度，或是低气体压力的一空间环境，可使压电芯片103的寿命延长，增加其可靠度与稳定性，从而让传感器有较长的使用寿命。

使用金属或高硬度材料作为承载体材料，可提高敏感单元刚性，增加传感器量程与承力能力，对于大力范围的传感器需求，能有较好的承受能力，而不发生压电芯片103破碎的问题，提升传感器质量。

未受力状态的压电芯片103，会因起振IC110的驱动而维持一固定振动频率，并维持在一高频振动状态中，如图2所示，当敏感单元结构的上下承载体两侧受到作用力时，力能经由承载体两侧传递至内部腔体106的压电芯片103两侧，受力后压电芯片103的膜厚方向振动频率产生改变，其频率改变的差值可经由线性关系推算出外部施力物理量的数值，为经由芯片电极104、导电柱体107以及连接电极108将电讯号传递至处理IC110中，经由讯号处理后可计算出数值，达到传感器功能。

本实用使用上下盖直接封装方式，将上下承载体作为敏感单元进行气密封装，可使用黏胶或者激光焊封方式，进行覆盖层101与贴片层109的贴合，在贴合的高低温制造过程中，不产生封装体形变，对于传感器承力结构不产生感应过程上的误差。

所述的上承载体102与下承载体105之间采用胶黏或焊接固定。

所述的压电芯片103的压电材料为石英、铌酸锂、钽酸锂、PVDF或者陶瓷材料等。当压电芯片103选用石英材料时，晶体切型为AT切型。

所述的贴片层109可为金属、塑料、复合材料等，如PCB板等。

所述的芯片电极104、导电柱体107以及连接电极108均为导电材料，所述的导电材料为金、银或铜等。

所述的压电芯片103为正方形或者长方形的薄膜结构；所述的压电芯片103薄膜结构的厚度为T，范围为1um≤T≤100um。

所述的上承载体102和下承载体105采用相同的结构，均包括有前部力承载边111、后部力承载边112、内六边形框架113和芯片平台114，所述的内六边形框架113内壁的两侧均开设有一凹槽，两个凹槽形成芯片平台114，所述的前部力承载边111和后部力承载边112分别设置于内六边形框架113的前后两侧，所述的压电芯片103安装固定在芯片平台114上。所述的承载体为一金属结构，具有高刚性特性，承载体的材料为可伐合金、铝合金或者钢。

所述的前部力承载边111与内六边形框架113之间以及后部力承载边112与内六边形框架113之间均设置有应力集中结构115，该应力集中结构115的结构为圆边、方边或多边形等；外部力进入承载体后，经由应力集中结构115，将外部力集中与放大，增加压电芯片103侦测能力与敏感度。

承载体的前部力承载边111和后部力承载边112结构可有效与待测物体连接，其连接方式可采用粘接、夹持或焊接等方式，可满足拉/压两个方向的测力需求。

上、下承载体的制备，在承载体上制作放置压电芯片103的凹槽，其尺寸需足够芯片放置空间，不可导致芯片放置后产生变形，制作完毕后清洁承载体表面脏污，后使用白光干涉仪进行表面平整度确认。

石英压电芯片的制备，需先检测石英芯片切型(如AT切型)，确认无误后在芯片上制作图案化结构，后进行双面镀金属电极动作，制作完毕后确认其谐振频率。

覆盖层101与贴片层109的制备，首先确认覆盖层101和贴片层109的平整度与表面做清洁，在贴片层109打孔并制作电极图案，将起振IC或其他IC进行贴装，后安装导电柱体107。

使用自动化与对位设备将石英压电芯片安装至承载体上，同时使用点胶设备进行点胶，待胶体固化后，将芯片固定于承载体上。

使用自动化与对位设备，将上下承载体使用胶黏或是激光焊方式进行连接，在连接过程中，需观察是否产生形变。

覆盖层101与上承载体102之间以及贴片层109与下承载体105之间进行连接，可使用胶黏或是激光焊方式进行，可于真空环境下封装，确保腔体可达真空封装，后续达到气密需求。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

以上对本申请所提供的一种谐振式体波力传感器敏感单元结构，进行了详细介绍，本文中应用了具体例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种谐振式体波力传感器敏感单元结构，包括上承载体(102)、压电芯片(103)和下承载体(105)，其特征在于：所述的上承载体(102)与下承载体(105)上下对称叠放设置，所述的上承载体(102)与下承载体(105)之间拼接形成腔体(106)，该腔体(106)内部安装有压电芯片(103)，所述的压电芯片(103)上设有芯片电极(104)，所述的腔体(106)上下贯通，所述的上承载体(102)上端设置有覆盖层(101)，所述的下承载体(105)下端设置有贴片层(109)，所述的腔体(106)的上、下两端口通过覆盖层(101)和贴片层(109)封住形成一密闭空间，所述的贴片层(109)下端安装有IC(110)，该贴片层(109)上设有与IC(110)相连的连接电极(108)，所述的连接电极(108)与芯片电极(104)之间通过导电柱体(107)连通。

2.根据权利要求1所述的一种谐振式体波力传感器敏感单元结构，其特征在于：所述的上承载体(102)与下承载体(105)之间采用胶黏或焊接固定。

3.根据权利要求1所述的一种谐振式体波力传感器敏感单元结构，其特征在于：所述的压电芯片(103)的压电材料为石英、铌酸锂、钽酸锂、PVDF或者陶瓷材料。

4.根据权利要求3所述的一种谐振式体波力传感器敏感单元结构，其特征在于：所述的压电芯片(103)选用石英材料，晶体切型为AT切型。

5.根据权利要求1所述的一种谐振式体波力传感器敏感单元结构，其特征在于：所述的贴片层(109)为PCB板。

6.根据权利要求1所述的一种谐振式体波力传感器敏感单元结构，其特征在于：所述的芯片电极(104)、导电柱体(107)以及电极(108)均为导电材料，所述的导电材料为金、银或铜。

7.根据权利要求1所述的一种谐振式体波力传感器敏感单元结构，其特征在于：所述的压电芯片(103)为正方形或者长方形的薄膜结构。

8.根据权利要求7所述的一种谐振式体波力传感器敏感单元结构，其特征在于：所述的压电芯片(103)薄膜结构的厚度为T，范围为1um≤T≤100um。

9.根据权利要求1所述的一种谐振式体波力传感器敏感单元结构，其特征在于：所述的上承载体(102)和下承载体(105)采用相同的结构，均包括有前部力承载边(111)、后部力承载边(112)、内六边形框架(113)和芯片平台(114)，所述的内六边形框架(113)内壁的两侧均开设有一凹槽，两个凹槽形成芯片平台(114)，所述的前部力承载边(111)和后部力承载边(112)分别设置于内六边形框架(113)的前后两侧，所述的压电芯片(103)安装固定在芯片平台(114)上。

10.根据权利要求9所述的一种谐振式体波力传感器敏感单元结构，其特征在于：所述的前部力承载边(111)与内六边形框架(113)之间以及后部力承载边(112)与内六边形框架(113)之间均设置有应力集中结构(115)，该应力集中结构(115)的结构为圆边、方边或多边形。