[发明专利]基于6-SS并联机构的压电式六维加速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种加速度传感器，更具体地说涉及一种改进的基于6-SS并联机构的压电式六维加速度传感器。

背景技术

在各种冲击、振动测量的传感器中，压电加速度传感器约占80％以上，目前世界各国用做加速度测量的传感器基本上都是压电式的。在工程上，欲测量10^-5g到10⁵g的加速度，持续时间从小于1ms到几十ms，而不需要更换传感器的，只有压电加速度传感器才能胜任。压电加速度传感器不仅适用于一般的冲击或振动检测，也适用于恶劣条件下的检测或控制作业。它具有如下优点：结构简单、牢固、体积小、质量轻、频率响应范围宽(0.1HZ～20000HZ)、动态范围大、灵敏度高、性能稳定、输出线性好、可在常温、高温下使用，以及抗外磁场干扰能力较强等。因此，在飞机、船舶、汽车、桥梁和建筑的振动冲击测量中得到广泛的应用，特别在航空航天领域中更具有其特殊地位。

单维线加速度计已相当成熟，有很多品种，且已商品化，如压阻式、压电式、电容式、伺服式加速度计等。单维角加速度计品种有限，有弹性环式、抗振动型、变电容式、液环式、光圈、压阻式等，其精度和分辨率等有待于提高。而多维加速度计，目前国内外研究较多地集中在三维线加速度计研究方面，有些已经取得阶段性的成果。三维线加速度计的研制报道主要集中在弹性体结构设计与分析、制作等工艺方面。其中，采用MEMS技术加工，经过光刻、腐蚀、沉积、键合等工艺，在硅基体上刻蚀形成不同形状的三维微型结构体，如悬臂梁、谐振梁、凹凸槽、膜片等的报道较多。典型地，早期K.Okada在研制压阻、静电电容型三轴加速度计的同时，成功研制出压电式三轴加速度计，其灵敏度为30mV/g、线性度为2％FS、响应频率为0.5～1200Hz、交叉轴向灵敏度为10％。Kijin Kwon等利用硅键合工艺制作压阻式三维加速度计，轴间交叉耦合能够消除，室温下各向加速度的灵敏度为0.276、0.226、0.793mV/g。单独关于三维角加速度计的研究报道很少，一种典型例子是日本航空宇宙技术研究所在Teledyne公司的协助下开发的三轴角加速度计，检测飞机俯仰、偏航、横滚3个轴向的角加速度数据，对飞机的空气动力特性进行分析与鉴定，传感器的线性度均优于0.5％。早期的二维和三维加速度传感器大多数是将多个单轴加速度计按照正交布置拼装在一起，这种方式的传感器称为组合式多维传感器。典型产品是EG&G公司生产的3355型三维加速度传感器，在机构中封装了三个各自独立的，并正交放置在三个敏感方向上的传感单元，每个方向上的传感单元由多根硅梁支撑着一个由硅块做成的惯性质量块。因为三个质量块的存在，质心的不一致会带来测量方面的误差，并且封装体积相对较大。组合式多维加速度传感器的特点是结构简单，但是在每个方向上都有各自的惯性质量块，维间的耦合误差比较大，降低了测量精度，且封装成本较高，体积较大。于是，有人在传感器的各敏感方向上共用一个质量块，称为一体化多维传感器，尺寸可以微型化，而且精度高。H.Takao等人设计了一个微机械的、压阻的、完全集成的三维加速度传感器，中心悬浮质量块是通过包括湿法与干法腐蚀的CMOS后处理工艺来加工的，加速度是通过测量四根硅悬臂梁上的应变来得到的，灵敏度较高，但是微间耦合较大。在国内，燕山大学的王玉田等设计了三维压电加速度传感器。这是一种适于三维动态参数测量的压电加速度传感器。设计中的压电元件采用低粗糙度多块PZT-5分三组叠成，一组由压缩型片堆叠，用来测量Z轴的振动信号，另两组由剪切型片堆叠，用来测量X轴和Y轴的相对信号。力学系统采用剪切、压缩复合式单质量块结构，有利于减少与各向对应的横向灵敏度，抑制温度和声波干扰，有利于提高测量精度；然而，从压电系数看，由于X，Y向工作于剪切变形，其压电系数为d24，而Z向工作于压缩模式，其压电系数为d33，d33＜d24，所以X，Y向电荷灵敏度比Z向的要大。另外，Z向晶片产生纵向变形，X和Y向晶片则产生横向变形，由于纵向弹性模量E大于横向模量G，故测量精度在各方向也相差很大。