[发明专利]一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，具体涉及一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器。

背景技术

传统的压电式传感器利用某些电介质材料具有压电效应的现象制成。压电效应是指在电介质的一定方向上施加外力(压力或拉力)作用而变形时，在其表面上产生电荷从而可以实现非电量的检测。压电式传感器具有体积小，重量轻，频带宽等特点，适用于对各种动态力，机械冲击与振动的测量，广泛应用在力学、声学、医学和宇航方面。压电式传感器是一种无源传感器。压电式传感器通常利用压电材料的正压电效应制成。

然而在晶体学中，压电效应被严格限制在具有非中心对称结构的晶体中才存在，这大大限制了材料的选取和利用。另一方面天然的压电材料压电效应非常微弱，很难用于实际检测。目前广泛使用的压电材料主要由石英晶体和压电陶瓷，钛酸钡，镐钛酸铅(PZT)等材料。在工业上，镐钛酸铅这类压电陶瓷被大量的使用，由于镐钛酸铅含有重金属铅，对环境和人类健康都是有害的。并且压电传感器的一个明显缺点是对温度敏感，在居里温度以上压电效应失效。

与压电效应不同，挠曲电效应是指由应变梯度引起的极化现象，挠曲电效应普遍存在于所有的电介质中，包括非压电材料和各向同性材料。挠曲电效应通常定义为：

Pl=μijkl∂ϵij∂xk---(1)]]>

这里μ_ijkl是四阶挠曲电系数张量。

ε_ij是材料的弹性应变，

x_k是梯度的方向，

P_l是引起的电极化，

在国际单位制下，挠曲电系数的单位是C/m。

这里的挠曲电效应严格意义上讲指的是正挠曲电效应，逆挠曲电效应指电场梯度引起的应力现象。挠曲电式传感器基于正挠曲电效应制成的。

与基于正压电效应制成的传统压电式传感器不同，挠曲电式传感器的材料选择范围更广，环境和人类友好型材料可用来制备挠曲电式传感器。另外一个显著的特点是与应变不同，应变梯度是随着结构尺寸的减小而增大的，小尺寸高灵敏度的挠曲电传感器是可行的。再者，在传感器承力结构小变形中，应变通常非常小，这大大增加了检测的难点，但是小变形大应变梯度的现象是普遍存在的。

发明内容

为了解决上述现有技术上存在的问题，本发明的目的在于提供一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器，通过施加压力与金属弹性元件中机械变形的应变梯度（曲率）之间的线性关系测量薄膜上受到的压力，能够准确、简单的实现压力的测量。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种高精度基于金属弹性元件的挠曲电式压力传感器，包括测量微压力引起机械振动的金属弹性元件1，在所述金属弹性元件1的顶部粘贴有挠曲电介电薄膜2，周边设置有绝缘层3，所述挠曲电介电薄膜2上下表面分别设置有上金属电极4和下金属电极5，所述挠曲电介电薄膜2的上金属电极4和下金属电极5分别连接有两条输出测量电荷信号的引线6，所述金属弹性元件1下方具有施加压力的压力通道7，所述挠曲电介电薄膜2连同上金属电极4和下金属电极5均置于外壳8内，两条引线6的一端从外壳8引出。

所述金属弹性元件1也置于外壳8内。

所述引线6与挠曲电介电薄膜2的上金属电极4和下金属电极5分别通过引线键合的方式连接。

所述挠曲电介电薄膜2为钛酸锶钡薄膜。

所述挠曲电介电薄膜2粘贴在金属弹性元件1的顶部中央。

所述金属弹性元件1的顶部全部嵌入挠曲电介电薄膜2。

所述金属弹性元件1通过其周边的绝缘层3固定在置于金属弹性元件1下方的底座9上，所述底座9为中空结构形成压力通道7。