[發明專利]一種基于微機電系統的振動測量IC芯片

有效

• 申請號: 202210097409.4
• 申請日: 2022-01-27
• 公開（公告）號: CN114485908B
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發明（設計）人: 吳云峰;沈兆岡
• 申請（專利權）人: 上海智元信息科技有限公司;上海創智工場網絡科技有限公司;湖南居云智服網絡科技有限公司
• 主分類號: G01H11/02
• 分類號: G01H11/02;G01H11/06;B81B3/00;B81B7/02
• 代理公司: 長沙和誠容創知識產權代理事務所(普通合伙) 43251
• 代理人: 戴亞

本發明提出了一種基于微機電系統的振動測量IC芯片，涉及振動測量技術領域，振動測量IC芯片包括封裝基板，以及設置在所述封裝基板上的傳感單元和輸出引腳；所述傳感單元包括：相對設置的第一表面和第二表面、設置在第一表面和第二表面之間的懸臂梁。第一表面和所述第二表面均噴涂有磁粉材料，使第一表面和第二表面之間的空間中產生磁場。懸臂梁自由端的端面上設置有導電材料。封裝基板振動時，懸臂梁產生與之對應的振動，使自由端的導電材料能夠感應生成包含有封裝基板振動信息的電信號。本申請頻響高、信噪比高，且量程不受現有傳感器物理量轉換機制的限制。

技術領域

本申請涉及振動測量技術領域，尤其涉及一種基于微機電系統的振動測量IC芯片。

背景技術

在傳統機械結構振動檢測、建筑結構振動檢測、往復式動力設備振動檢測、旋轉動力設備振動檢測中所采用的振動傳感器是基于壓電陶瓷的加速度傳感器，其工作原理是將一個或多個重量塊固定在壓電陶瓷表面，重塊在外力作用下產生的運動在壓電陶瓷表面形成壓力，壓電陶瓷在外壓力作用下產生的應變通過其壓電效應轉換成電壓信號輸出，輸出的電壓信號跟重量塊的運動加速度成正比。基于壓電陶瓷的加速度傳感器的重塊、信號放大電路、屏蔽罩等部件都是分散的零部件，而且需要手工裝配，因此導致壓電陶瓷加速度傳感器成本高，體積大。目前最常用的工業用振動檢測壓電陶瓷加速度傳感器采用兩線制的IEPE?24伏，2-4毫安恒流源供電方式供電，耗電量大。其優點是頻響寬，量程大，信噪比高。在目前工業設備在線振動監測應用中仍然占據絕對的優勢。

近年來出現的基于微機電系統(MEMS)的加速度傳感器具有體積小，集成度高，供電電壓低(3.3V直流電)，耗電量小等優點。但是跟傳統的壓電陶瓷加速度傳感器相比較，還存在頻響窄，量程小，信噪比低等不足。目前在工業領域中主要用于電機、水泵、通風機和簡單的定轉速設備的無線振動監測裝置。常見的MEMS加速度傳感器有三種類型，1)硅微電容式加速度傳感器；2)硅微壓阻式加速度傳感器；3)硅微熱電耦式加速度傳感器。

硅微電容式加速度傳感器是基于電容原理的極距變化型的電容傳感器，其中一個電極是固定的，另一變化電極是彈性膜片，彈性膜片在外力作用下發生位移，使電容量發生變化。電容量的變化和彈性膜的位移可以根據傳感器內部的結構設計參數關聯，而彈性膜的位移則跟彈性膜質量在慣性力作用下的加速度構成一定的數學關系，這就是硅電容式加速度傳感器的基本原理。硅微電容式加速度傳感器的運動部件和靜止部件的空隙是決定電容大小的參數，這個空隙的大小有一定的限制，因而影響了量程。

硅微壓阻式加速度傳感器的原理：半導體單晶硅在受到外力作用時，會產生極微小的應變，其原子結構內部的電子能級狀態發生變化，從而導致其電阻率變化，該材料制成的電阻也就出現壓阻效應，硅微壓阻式加速度傳感器依次原理制作。

硅微熱電耦式加速度傳感器式基于熱交換原理，介質是氣體。在傳感器內部，熱源處于硅片的中央，硅片懸在空穴中間，在熱源的四周均勻分布有熱電耦堆(鋁/多晶硅)。在沒有加速度的情況下，熱源的溫度梯度均勻分布，對四周的熱電耦而言，溫度是一樣的，輸出的電壓也是一樣的。當加速度不為零時，熱傳導平衡被打破，四周的熱電耦的溫度出現差異，輸出的電壓也將隨之改變，熱電耦輸出的電壓差和加速度成正比例。

發明內容

本申請所要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述不足，提出一種基于微機電系統的振動測量IC芯片。

本申請提出了一種基于微機電系統的振動測量IC芯片，所述振動測量IC芯片包括封裝基板，以及設置在所述封裝基板上的傳感單元(10)和輸出引腳(40)；所述傳感單元(10)包括：

相對設置的第一表面(11)和第二表面(12)，所述第一表面(11)和所述第二表面(12)均噴涂有磁粉材料，使第一表面(11)和第二表面(12)之間的空間中產生磁場；

設置在第一表面(11)和第二表面(12)之間的懸臂梁(13)，所述懸臂梁(13)自由端的端面(13a)上設置有導電材料；