[發(fā)明專利]隔離剪切型內(nèi)置集成電路壓電加速度傳感器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110216051.4
• 申請日: 2011-07-30
• 公開（公告）號: CN102901557A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊洪;杜力;徐紹虎;朱朝寬;譚偉;崔爽;羅財(cái)紅;王治芬
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶工商大學(xué)
• 主分類號: G01H11/08
• 分類號: G01H11/08;G01P15/09
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• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種隔離剪切式內(nèi)置集成電路的壓電加速度傳感器，屬于振動檢測傳感器領(lǐng)域，用于航空航天、冶金、機(jī)械、采礦、汽車、建筑橋梁、生命探測儀等需要進(jìn)行振動監(jiān)測或測試的場所。

背景技術(shù)

一切物體皆有振動，振動量的大小和及時(shí)檢測可以反映一個(gè)物體、一臺設(shè)備以及人體健康的運(yùn)行狀況是否良好。用于振動檢測的加速度傳感器在航空、航天、采礦安全、導(dǎo)彈精密制導(dǎo)、通信、汽車安全檢測、橋梁建筑安全監(jiān)測、生命探測與救援等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。因此，研制高性能傳感器敏感元材料和加速度傳感器器件對工業(yè)、國防和民生安全有著廣泛的應(yīng)用前景，也具有重要學(xué)術(shù)意義和社會經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

壓電加速度傳感器是振動檢測中使用最多的傳感器。以汽車為例，一輛汽車使用傳感器達(dá)到一百多個(gè)，傳感器是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是汽車電子技術(shù)研究領(lǐng)域的核心內(nèi)容，目前國內(nèi)汽車傳感器尚未形成獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)，國外的技術(shù)封鎖導(dǎo)致國內(nèi)技術(shù)的落后和市場的緊缺，中國每年要進(jìn)口幾百萬套以上的汽車傳感器。加速度傳感器廣泛應(yīng)用于汽車安全氣囊、汽車碰撞安全檢測、發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)、變速器控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)等部件。以車輛碰撞安全測試為例，國內(nèi)汽車碰撞安全檢測使用的都是國外Endevco公司的加速度傳感器，價(jià)格昂貴，每次碰撞需安裝大約20-50只加速度傳感器，安裝的加速度傳感器數(shù)量越多，安裝部位越全面，反映的信息越多。汽車安全氣囊加速度傳感器的現(xiàn)狀也與之類似。

在壓電加速度器用于振動測試時(shí)，穩(wěn)定性和壽命是重要的指標(biāo)，主要取決于敏感元材料的性能穩(wěn)定性和傳感器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。除此以外，還有加速度傳感器的工作頻率范圍、靈敏度、橫向靈敏度、靈敏度隨溫度變化的關(guān)系、以及體積尺寸重量等重要指標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容

[0005]?與一般壓電加速度傳感器采用壓縮式的結(jié)構(gòu)不同，本產(chǎn)品采用了隔離剪切式結(jié)構(gòu)，通過敏感元受到剪切力后產(chǎn)生對應(yīng)成正比的電信號原理而設(shè)計(jì)。底座是與殼體一體，要求底座具有很高的平面度和極小的垂直度誤差。這是決定傳感器頻率響應(yīng)范圍的關(guān)鍵。這種隔離剪切式的結(jié)構(gòu)是考慮到應(yīng)用于較高精度、外界干擾比較大等應(yīng)用場合。本發(fā)明的隔離剪切式內(nèi)置集成電路加速度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由以下部分組成，各部分及各部分之間關(guān)系分別為：

1為外殼，它內(nèi)部分為3個(gè)空腔，分別安裝信號導(dǎo)線、ICP集成電路、傳感器敏感元和其它部件。外殼兩邊開2個(gè)或者4個(gè)安裝孔用于固定傳感器，上端面用于焊接密封蓋板。

2為底座，與外殼體一體設(shè)計(jì)并加工為一體，中間開孔。底座可以是一個(gè)或多個(gè)，用于安裝并固定傳感器敏感元、質(zhì)量塊、絕緣片等部件。要求具有很高的剛性系數(shù)。

3為預(yù)緊螺釘，4為預(yù)緊螺母。預(yù)緊螺釘和預(yù)緊螺母聯(lián)合形成預(yù)緊機(jī)構(gòu)將質(zhì)量塊(5)、絕緣片(7)、壓電晶體或壓電陶瓷片(6)和傳感器的底座（2）剛性連接在一起，一般采用自鎖螺紋以防止脫落；也可以采用強(qiáng)力膠粘劑或者高溫強(qiáng)力膠粘劑代替預(yù)緊螺釘(3)和預(yù)緊螺母(4)，將壓電傳感器的質(zhì)量塊(5)、絕緣片(7)、壓電陶瓷片(6)與傳感器的底座（2）剛性粘連在一起。

5為質(zhì)量塊，采用高比重合金材料加工，它是決定傳感器靈敏度參數(shù)的決定因素，可根據(jù)需要改變其大小和重量來控制傳感器靈敏度。

6為壓電晶體或壓電陶瓷片，它是整個(gè)傳感器的核心敏感元件。它采用高壓電常數(shù)的壓電晶體或壓電陶瓷片作為核心敏感元件，采用壓電材料的d₁₅剪切換能模式，在0-150℃范圍內(nèi)，要求剪切壓電系數(shù)d₁₅隨溫度動態(tài)變化誤差小于5％，要求具有較高的電阻率，損耗小于3％；加工出的剪切敏感元的不平行度和粗糙度都小于0.002mm。

7為絕緣片，采用具有高絕緣阻抗的無機(jī)材料，其目的在于將輸出信號與大地隔離，起到屏蔽大地干擾信號的作用。

8為集成電路，其作用是實(shí)現(xiàn)傳感器敏感元信號的調(diào)理和阻抗變換。一般采用電荷放大器的原理，配合外加的設(shè)計(jì)電路，整體制備成為ICP厚膜集成電路。根據(jù)需要，也可以不使用內(nèi)置集成電路，直接引出傳感器信號在外加設(shè)備進(jìn)行處理或者顯示使用。

9為輸出端導(dǎo)線，一般采用四芯屏蔽導(dǎo)線。連接傳感器的激勵信號和輸出信號。

10為蓋板，焊接在外殼體的上端面，與傳感器外殼(1)焊接在一起與大地形成回路，對傳感器起到密封和屏蔽作用，保證傳感器防水、防油、防腐蝕和屏蔽外部電磁信號干擾。

本發(fā)明的隔離剪切內(nèi)置集成電路壓電加速度器具有著以下的優(yōu)點(diǎn)：