[實用新型]一種環狀壓電式微加速度傳感器

有效

• 申請號: 201320733460.6
• 申請日: 2013-11-20
• 公開（公告）號: CN203561646U
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 孫遠程;姚明秋;蘇偉
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號: G01P15/09
• 分類號: G01P15/09
• 代理公司: 中國工程物理研究院專利中心 51210
• 代理人: 翟長明

技術領域

本實用新型屬于微電子機械系統領域，具體涉及一種環狀壓電式微加速度傳感器，具有萬向性，較高固有頻率和較好的抗沖擊特性。

背景技術

某些加速度傳感器需要在非常惡劣的環境下工作，如溫度、強沖擊、電磁干擾、暴露于多種化學物質中。該類型加速度傳感器除需要在沖擊過載等惡劣的環境過程中能夠存活外，還要能正確接收沖擊的信號。所以研制高安全過載、高量程、高觸發靈敏度、抗干擾、低功耗的加速度傳感器很有必要。壓電式加速度傳感器因其信噪比高，靈敏度高，響應頻帶寬，受外界干擾小，結構簡單，壽命長，且無外部功能設備，在高沖擊應用中受到高度重視。

壓電式加速度傳感器的工作原理是利用材料的壓電效應，上下金屬電極之間沉積一層壓電層，通過懸臂梁或平面膜結構與下部質量塊連接。當傳感器受到力作用時，質量塊會產生偏移，同時壓電層會隨之發生變形，壓電層在發生應變的同時，將在上下兩個電極間產生電荷。利用適當的外圍電路將產生的電荷量轉換為電壓形式輸出，根據此信號的大小，測出沖擊力的大小，由牛頓第二定律得出加速度的值。

發明內容

本實用新型的目的在于提供一種環狀壓電式微加速度傳感器，使傳感器的固有頻率達到14kHz以上。對于高量程加速度傳感器，抗沖擊性是高量程加速度傳感器的重要的參數指標，結構采用圓形結構，可以解決在高沖擊下的強度問題。

本實用新型是通過以下技術方案實現的。

本實用新型的環狀壓電式微加速度傳感器，其特點是，所述的傳感器包括敏感芯片、上玻璃板、下玻璃板。其中，敏感芯片含有第一壓電層、第二壓電層、第一上電極、第二上電極、第一下電極、第二下電極、支撐膜、外框、圓柱狀的質量塊。所述的第二壓電層、第一壓電層由內外兩個圓環構成；第一上電極、第二上電極、第一下電極、第二下電極均為環狀。其連接關系是,所述的第一下電極、第二下電極設置于支撐膜上表面，并與支撐膜上表面固定連接。所述的第一壓電層、第二壓電層分別設置于第一下電極、第二下電極的上表面，并與第一下電極、第二下電極上表面固定連接。所述的第一上電極、第二上電極分別設置于第一壓電層、第二壓電層的上表面，并與第一壓電層、第二壓電層的上表面固定連接。所述的質量塊懸置于第一下電極、第二下電極之下，并與支撐膜固定連接；所述的支撐膜與外框固定連接。所述的敏感芯片與上玻璃板、下玻璃板分別對齊并通過鍵合連接。

所述的敏感芯片中的第一下電極與第一上電極直徑相同；第二下電極與第二上電極直徑相同。

所述的質量塊與第二下電極為同軸設置。

所述的第一壓電層、第二壓電層、第一下電極、第二下電極、第一上電極、第二上電極均為同軸設置。

所述的第一壓電層外圓的直徑大于第一上電極外圓、第一下電極外圓的直徑；所述的第一壓電層1內圓的直徑小于第一上電極內圓、第一下電極內圓的直徑；所述的第二壓電層外圓的直徑大于第二上電極外圓、第二下電極外圓的直徑；所述的第二壓電層內圓的直徑小于第二上電極內圓、第二下電極內圓的直徑。

所述的圓柱狀質量塊表面圓的直徑大于第二上電極、第二下電極內圓的直徑。

本實用新型的環狀壓電式微加速度傳感器，當受到力作用時，質量塊相對基體運動導致壓電層發生變形，壓電材料變形的同時，在上下電極之間產生電荷，通過外圍檢測電路就可知道加速度的大小。

本實用新型的環狀壓電式微加速度傳感器的優點是：

1.?本實用新型采用圓柱狀質量塊。由于采用圓柱狀質量塊，結構對稱，受到任何方向的力，壓電層都會發生形變，從而很好的解決觸發引信的萬向性問題。

2.?質量塊的大小可以根據靈敏度和頻響的需要進行調整。

3．整個支撐膜是一個平面結構。由于采用平面結構，相對于懸臂梁結構具有更強的抗沖擊能力；當受到橫向加速度時，也不會因為扭曲變形使梁斷裂。

4.?環狀壓電層與懸臂梁結構的壓電層相比，具有更大的有效面積，產生更多的電荷量。

5.?壓電層內外兩環狀結構可以根據靈敏度和頻響的需要對內外圓直徑大小進行調整，增大了設計的靈活性。

6.?壓電層內外兩圓環部分不相連，提高電荷輸出量。由于從固支端到質量塊處徑向應力的符號相反，將兩個區域分開，使該兩個區域產生的電荷相互疊加而不是相互抵消。

7.質量塊與外框之間的支撐膜部分為一平面結構，使敏感芯片占滿一個單元，（其厚度與傳感器的量程有關），在工藝上會避免有很大難度的穿通、釋放懸臂梁結構的過程。因此重復性好。