[发明专利]非等截面悬臂梁压电式加速度传感器

说明书

技术领域

    本发明涉及加速度传感器技术领域，尤其涉及一种非等截面悬臂梁压电式加速度传感器。

背景技术

加速度传感器是将加速度、震动、冲击等物理现象所产生的压力转变成便于测量的电信号的测试仪器。常用的加速度传感器主要有压阻式和压电式传感器。

压阻式加速度传感器，通常用简单的等截面矩形悬臂设计，适用于直线加速度计和低频中低量程振动加速度计。为了提高输出灵敏度而用于低g值的直线加速度测量，有采用应力集中结构，在悬臂梁上开有对称凹槽，并在凹槽处粘贴半导体应变片。压阻式加速度计具有直流电压响应输出，通带宽度大，灵敏度高等优点，但比较脆弱，易损坏，受温度影响大，一般需要复杂的温度补偿电路。

压电式加速度传感器是利用其中压电元件的“压电效应”去检测力学量。压电加速度传感器有较宽的工作温度范围。具有量程大，精度高、频响范围宽，动态范围大，尺寸小，重量轻，寿命长，受外界干扰小，稳定性好，耐高温，适合于各种恶劣环境等优点；但具有受温度、噪声等的影响大等缺点。由于压电陶瓷自身电容的存在，一般压电加速度计的低频特性较差。

发明内容

为克服上述问题，本发明提出一种非等截面悬臂梁压电式加速度传感器，结合了压阻式传感器与压电式传感器的优点，灵敏度高，感测频率范围宽、耐高温。

为达到上述目的，本发明所提出的技术方案为：一种非等截面悬臂梁压电式加速度传感器，包括基座、质量块、悬臂梁和压电元件，悬臂梁一端固定于基座上，另一端连接质量块，悬臂梁上开有凹槽形成非等截面悬臂梁；所述压电元件固定在悬臂梁的凹槽上方，且与悬臂梁绝缘。

进一步的，所述悬臂梁的凹槽为上下对称的两个沿悬臂梁横向的开口槽，上下两个凹槽上方均固定有压电元件。

进一步的，所述凹槽为矩形槽、半圆柱槽或半椭圆柱槽。。

进一步的，所述压电元件为多片压电陶瓷或压电晶体串联或并联，或是压电纤维。

进一步的，所述压电元件直接键合于悬臂梁的凹槽上方，或通过螺栓锁定于悬臂梁的凹槽上方。

进一步的，所述压电元件与悬臂梁的贴合面设有绝缘片。

本发明的有益效果：采用应力集中的非等截面悬臂梁结构设计压电式传感器，结合了压阻式非等截面悬臂梁加速度传感器低频特性好、灵敏度高的优点及压电式加速度传感器量程大、精度高、频响范围宽、工作温度范围宽、稳定性好等优点，克服了传统压阻式传感器比较脆弱，易损坏，受温度影响大的缺点和压电传感器低频特性差的缺点，实现了灵敏度高、感测频率范围宽、耐高温的压电式加速度传感器。

附图说明

图1为本发明传感器实施例一结构示意图；

图2为本发明传感器实施例二结构示意图；

图3为本发明传感器实施例三结构示意图。

附图标记：1、质量块；2、悬臂梁；201、凹槽；3、压电元件；4、基座；5、绝缘片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的悬臂梁压电式加速度传感器，包括基座4、质量块1、悬臂梁2和压电元件3，悬臂梁2一端固定于基座4上，另一端连接质量块1，悬臂梁2上开有凹槽201，形成非等截面悬臂梁；压电元件3固定在悬臂梁2的凹槽201上方，且与悬臂梁2绝缘。该实施例中，悬臂梁2的凹槽201为上下对称的两个沿悬臂梁2横向的开口槽，上下两个凹槽201上方均固定有压电元件3。其中压电元件3与悬臂2梁的绝缘方式可以采用热氧化或者离子注入的方式在悬臂梁2键合压电元件3的地方形成氧化硅或者氮化硅绝缘层。该传感器工作原理：通过基座4把振动传递给该结构的传感器，质量块1的惯性力导致悬臂梁2弯曲而产生应力，因为凹槽201处悬臂梁的横截面比较小，应力集中在凹槽201处，使贴合在凹槽201上方的压电元件3极化产生电荷，电荷通过放大调理电路进行信号放大调理，获得输出数据。该传感器采用应力集中非等截面悬臂梁结构，结合了压阻式非等截面悬臂梁加速度传感器低频特性好、灵敏度高的优点及压电式加速度传感器量程大、精度高、频响范围宽、工作温度范围宽、稳定性好等优点，克服了传统压阻式传感器比较脆弱，易损坏，受温度影响大的缺点和压电传感器低频特性差的缺点，实现了灵敏度高、感测频率范围宽、耐高温的压电式加速度传感器。

如图2所示的实施例二，与实施例一不同的是，该实施例中压电元件3与悬臂梁2的绝缘方式为直接在压电元件3与悬臂梁2的贴合面设置绝缘片5。