[發明專利]一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器

有效

• 申請號: 201410290568.1
• 申請日: 2014-06-25
• 公開（公告）號: CN104089737A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發明（設計）人: 盧建鋒;梁旭;胡淑玲;申勝平;徐明龍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01L9/00
• 分類號: G01L9/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

技術領域

本發明涉及壓力傳感器技術領域，具體涉及一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器。

背景技術

傳統的壓電式傳感器利用某些電介質材料具有受力后具有壓電效應的現象制成。壓電效應是指某些電介質在受到一定方向上外力作用而變形(彎曲或者伸縮變形)時，由于內部電荷發生極化而在其表面上產生電荷聚集的現象。壓電傳感器就是通過測量表面電荷，利用力電耦合關系實現其它非電量的測量。壓電式傳感器具有小體積，小質量，耗能小，對于動態測量敏感度高，適合于寬頻域的瞬態周期性力測量，廣泛應用在力學、聲學、醫學、宇航和國防等方面。壓電式傳感器是一種無源傳感器，并且壓電式傳感器通常就是利用壓電材料的正壓電效應制成。

雖然壓電材料具有優越的力電轉換效應，但是在晶體學中，壓電效應僅存在于具有非中心對稱結構的晶體，這樣極大的限制了材料的選取和利用。天然存在的壓電材料壓電效應非常微弱，壓電率太低，很難用于實際檢測。目前廣泛使用的壓電材料主要有石英晶體、壓電高分子和壓電陶瓷等材料。在實際工業應用中，所采用的壓電材料大多為鎬鈦酸鉛類的壓電陶瓷，然而鎬鈦酸鉛含有重金屬鉛，容易對環境和人類健康造成傷害。

撓曲電效應和壓電效應不同，是由于應變梯度或者是非均勻的應變場引起的局部破壞反演對稱，從而導致晶體甚至是中心對稱的晶體發生極化的現象。撓曲電效應普遍存在于所有的電介質中，包括非壓電材料和各向同性材料。撓曲電效應通常定義為：

Pl=μijkl∂ϵij∂xk---(1)]]>

這里μ_ijkl是四階撓曲電系數張量，ε_ij是材料的彈性應變，x_k是梯度的方向，P_l是引起的電極化。

在國際單位制下，撓曲電系數的單位是C/m。

此處的撓曲電效應嚴格意義上講指的是正撓曲電效應，逆撓曲電效應指極化梯度引起的應變現象，此處的撓曲電式傳感器基于正撓曲電效應制成的。

撓曲電式傳感器和基于正壓電效應制成的傳統壓電式傳感器不同，撓曲電式傳感器可以選擇對環境和人類友好型材料可用來制備。另外一個顯著的特點是撓曲電效應與尺寸相關，應變梯度是隨著結構尺寸的減小而增大的，小尺寸高靈敏度的撓曲電傳感器在實際中可行。另外在傳感器承力結構小變形中，由于應變通常非常小，增加了檢測的難點，但是小變形大應變梯度的現象是普遍存在的。

發明內容

為了解決上述現有技術上存在的問題，本發明的目的在于提供一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器，通過施加壓力與金屬彈性元件中機械變形的應變梯度(曲率)之間的線性關系測量薄膜上受到的壓力，能夠準確、簡單的實現壓力的測量。

為了達到以上目的，本發明采用如下技術方案：

一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器，包括測量微壓力引起機械變形的金屬彈性元件2，在所述金屬彈性元件2的頂部粘貼有多層撓曲電介電薄膜6，所述撓曲電介電薄膜6上下表面分別設置有上金屬電極7和下金屬電極8，所述上金屬電極7和下金屬電極8之間通過絕緣層5隔開，所述撓曲電介電薄膜6的上金屬電極7和下金屬電極8分別連接有輸出測量電荷信號的引線4，引線4的一端從外殼1引出，所述撓曲電介電薄膜6連同上金屬電極7和下金屬電極8以及絕緣層5均置于外殼1內，所述金屬彈性元件2和外殼1間設置有絕緣墊片9，所述金屬彈性元件2下方具有施加壓力的壓力通道10。

所述金屬彈性元件2也置于外殼1內。

所述引線4與撓曲電介電薄膜6的上金屬電極7和下金屬電極8分別通過引線鍵合的方式連接。

所述撓曲電介電薄膜6為鈦酸鍶鋇薄膜。

所述撓曲電介電薄膜6粘貼在金屬彈性元件2的頂部中央。

所述金屬彈性元件2的頂部全部嵌入撓曲電介電薄膜6。