CN2480846Y - 一种具有圆环状压电陶瓷多层膜结构的加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种圆环状压电陶瓷多层膜结构的加速度传感器,属于加速度传感器领域。本实用新型特征在于用圆环状压电陶瓷多层膜及叉指电极的结构取代原来的压电陶瓷片,其他结构均不变,而灵敏度可大大提高。环状压电陶瓷多层膜外径8—10mm,内径为3—4mm,厚度70—150μm,层数与每层圆环状厚度有关,每层厚度越小则层数越多,圆环状叠加而成的最佳厚度为2mm。具有结构简单、取代方便、灵敏度和电容量高的优点。

Description

一种具有圆环状压电陶瓷多层膜结构的加速度传感器

本实用新型涉及一种圆环状压电陶瓷多层膜结构的加速度传感器，更确切地说涉及一种用圆环状多层膜结构的片式压电陶瓷敏感元件代替以往中心压缩式加速度中的圆环状单片压电陶瓷片，属于加速度传感器领域。

加速度传感器是一种用于测量运动物体的加速度，检测物体振动与冲击的理想传感器。以往加速度传感器的结构如图1所示，它由四片压电陶瓷片11，质量块12，压电陶瓷的引线13，加速度传感器的机座14以及引线端口15组成。它主要缺点是纵向压电应变系数d₃₃较小，仅与材料本身性能所决定，因d₃₃不大，所以整个传感器的敏感度受到限制。为了提高敏感度而不得不使用比重较大的质量块或加大质量块的体积，从而使整个传感器的体积增大，重量增加，显然这是不利于小型化如航空、航天领域的应用。

本实用新型的目的在于提供一种圆环状多层膜结构的加速度传感器，以克服现有的块状压电陶瓷结构的加速度传感器的缺点。

具体地说，本实用新型是对图1中单片压电陶瓷片11进行改进，利用陶瓷粉体流延成型工艺和内电极共烧技术制成了多层膜结构的片式压电陶瓷敏感元件，以取代单片压电陶瓷。同时质量块也作了相应改进。多层膜结构的片式压电陶瓷敏感元件其外径为8～10mm，内径为3-4mm，层数与每层厚度有关，每层的厚度越小则层数越多，总的陶瓷片厚度以2mm为宜。圆环状多层膜结构的片式压电陶瓷每层厚度为70～150μm，电极采用叉指型电极方式引出的(如图2b所示)，而加速度传感器的其他结构均不变。

本实用新型作出改进的依据如下：

图2为单片和多层膜结构的片式压电陶瓷敏感元件的结构示意图，图中a为单片压电陶瓷，b为多层膜结构的片式压电陶瓷敏感元件，21为压电陶瓷，22为共烧的内电极，23为内电极引出端。由于这种片式压电陶瓷在机械上串联，电学上并联，它的等效纵向压电应变系数为： ${d_{33}}^{\′}=m\·d_{33}---\left(1\right)$ 式(1)中：d₃₃为单片压电陶瓷纵向压电系数，m为多层膜结构的片式压电陶瓷的层数，

为多层膜结构的片式压电陶瓷纵向压电系数。在片式压电陶瓷敏感元相同的厚度下，它的等效纵向压电应变系数随层数m的增加而增加。

根据加速度传感器灵敏度方程得到； $S=n\·{d_{33}}^{\′}\·M=n\·m\·d_{33}\·M=n\·d_{33}\·(m\·M)---\left(2\right)$

式(2)中：S为加速度传感器的电荷灵敏度，M为加速度传感器上的质量块，n为压电陶瓷并联的片数。

由上式可知，在材料性能d₃₃不变的情况下，增加层数m可提高传感器的灵敏度S；而要获得某一固定的传感器灵敏度S时，在材料性能d₃₃不变和片式压电陶瓷厚度不变的情况下，增加多层膜结构的层数m，可以减小质量块M，从而达到减小整个传感器体积的目的。

由此可见，用圆环状多层膜结构的片式压电陶瓷敏感元件代替以往的单片式压电陶瓷片，在厚度相同的条件下，灵敏度可达到几倍的单片型的目的，因而本实用新型具有结构简单、取代方便、灵敏度和电容量高的优点。

下面通过具体实施例进一步说明本实用新型的特点和进步，但本实用新型决非仅局限于实施例。

实施例1

采用了居里温度高、温度稳定性好的铋系层状结构的BST压电陶瓷(分子式为Bi₄(Pb、Sr)Ti₄O₁₅)制备高灵敏度的圆环状多层膜结构的片式压电陶瓷敏感元件。BST压电陶瓷材料的压电常数d₃₃为18～20×10^-12M/V，介电常数和介电损耗分别为170和0.5％。

制备圆环状多层膜结构的片式压电陶瓷敏感元件的外形尺寸：内径为4mm、外径为8mm、总高度约为2mm，如图3所示。具体实施步骤如下：

1. BST压电陶瓷粉体与粘结剂按一定比例混合，得到流延用陶瓷料浆。料浆中陶瓷粉体和粘结剂的质量比(60～80)/(40～20)。通过控制流延刮刀高度和有机载带的运行速度制备流延压电陶瓷素坯厚度为100μm，冲压成40×50的陶瓷素坯。

2.内电极印刷丝网的设计。

3.在陶瓷素坯上按设计的图形印刷贵金属内电极，经叠片、热压一体化、切割、排塑，1100～1200℃烧成，被上端电极，在电场为6～8KV/mm，温度为180℃下极化20min。经温度和时间老化处理后作压电、介电性能测量。

4.将由18层压电陶瓷组成的圆环状多层膜结构的片式压电陶瓷敏感元件代替图1中11～14的单片压电陶瓷，组装成加速度传感器，质量块取M＝6.6g。

用CY2611型电容测量仪测量介电常数，ZJ-3A型准静态d₃₃测量仪测量单片和多层膜结构的片式压电陶瓷敏感元件的d₃₃，结果见表1。用B.K-9691型加速度传感器校准系统测量单片和多层膜结构的片式压电陶瓷加速度传感器的电荷灵敏度，以及多层膜结构的片式压电陶瓷加速度传感器的频谱响应曲线(见图3，纵坐标为加速度传感器的相对电荷灵敏度，单位为Db；横坐标为频率，单位为F)。用B.K加速度传感器高低温测试系统测量多层膜结构的片式压电陶瓷加速度传感器在160Hz激振频率下的电荷灵敏度—温度特性曲线(见图4，纵坐标为加速度传感器的电荷灵敏度，单位为pC；横坐标为温度，单位为℃)。单片式压电陶瓷加速度传感器(内含4片压电陶瓷)的电荷灵敏度为5pC/g，多层膜结构的片式压电陶瓷加速度传感器的电荷灵敏度为21.92pC/g。

表1    单片与多层膜结构的片式压电陶瓷敏感元件主要物理量的对比

物理参数	电荷灵敏度pC/g	压电常数d33×10-12m/v	电容量cpf	介电损耗tgδ％
					单  片	1.25	19	32	0.23
多层片式	21.92	219	10760	0.51

实施例2

采用了纵向压电系数d₃₃高的PZN系压电陶瓷制备高灵敏度、圆环状多层膜结构的片式压电陶瓷敏感元件。PZN压电陶瓷材料的压电常数d₃₃为500～600×10^-12M/V，介电常数和介电损耗分别为3550和2％。

制备圆环状多层膜结构的片式压电陶瓷敏感元件的外形尺寸：内径为4mm、外径为8mm、高度约为0.5mm，如图3所示。具体实施步骤如下：

1. PZN压电陶瓷粉体与粘结剂按一定比例混合，得到流延用陶瓷料浆。料浆中陶瓷粉体和粘结剂的质量比(60～80)/(40～20)。通过控制流延刮刀高度和有机载带的运行速度制备流延压电陶瓷素坯厚度为100μm，冲压成40×50的陶瓷素坯。

2.电极印刷丝网的设计。

3.在陶瓷素坯上按设计的图形印刷贵金属内电极，经叠片、热压一体化、切割、排塑，1100～1200℃烧成，被上端电极，在电场为2～3KV/mm，温度为100℃下极化20min。经温度和时间老化处理后作压电、介电性能测量。

4.将由5层压电陶瓷组成的圆环状多层膜结构的片式压电陶瓷敏感元件代替图1中11～14的单片压电陶瓷，组装成加速度传感器，质量块取M＝3.5g。

用CY2611型电容测量仪测量介电常数，ZJ-3A型准静态d₃₃测量仪测量单片和多层膜结构的片式压电陶瓷敏感元件的d₃₃，结果见表2。用B.K-9691型加速度传感器校准系统测量多层膜结构的片式压电陶

瓷加速度传感器的电荷灵敏度，以及电荷灵敏度的频谱响应曲线(见图5，纵坐标为加速度传感器的相对电荷灵敏度，单位为Db；横坐标为频率，单位为F)。用B.K加速度传感器高低温测试系统测量多层膜结构的片式压电陶瓷加速度传感器在160Hz激振频率下的电荷灵敏度—温度特性曲线(见图6，纵坐标为加速度传感器的电荷灵敏度，单位为pC；横坐标为温度，单位为℃)。多层膜结构的片式压电陶瓷加速度传感器的电荷灵敏度为41.10pC/g。

表2    单片与多层膜结构的片式压电陶瓷敏感元件主要物理量的对比

物理参数	电荷灵敏度pC/g	压电常数d33×10-12m/v	电容量cpf	介电损耗tgδ％
					单  片		～500	1875	2
多层片式	41.10	～1200	16000	2.5

Claims (4)

1.一种具有圆环状压电陶瓷多层膜结构的压电加速度传感器，包括质量块和传感器底座、压电陶瓷引线，其特征在于：敏感元件为圆环状压电陶瓷多层膜结构；压电加速度器的结构不变。

2.按权利要求1所述的圆环状压电陶瓷多层膜结构的压电加速度传感器，其特征在于圆环状的外径为8～10mm，内径为3～4mm，厚度为70～150μm，圆环状叠加而成，最佳厚度为2mm；层数与每层圆环状厚度有关，每层的厚度越小则层数越多。

3.按权利要求1所述的圆环状压电陶瓷多层膜结构的压电加速度传感器，其特征在于圆环状多层膜之间的电极采用叉指型电极方式引出的。

4.按权利要求1所述的圆环状压电陶瓷多层膜结构的压电加速度传感器，其特征在于所述的圆环状多层膜结构片式压电陶瓷是用陶瓷粉体流延成型工艺和内电极共同烧制而成的，内含多层压电陶瓷。

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