[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 进一步的， 所述凹槽为矩形槽、 半圆柱槽或半椭圆柱槽。。

[0009] 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。

[0010] 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 说 明 书

的凹槽上方。

[0011] 进一步的， 所述压电元件与悬臂梁的贴合面设有绝缘片。

[0012] 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

[0013] 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。

[0014] 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

[0015] 下面结合附图和具体实施方式， 对本发明做进一步说明。

[0016] 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—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。

[0017] 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 说 明 书

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。

[0018] 如图 3 所示的实施例三， 与实施例二不同的是， 该实施例中压电元件 3 采用压电双 晶结构， 以进一步提高灵敏度。 还可以采用多片压电陶瓷或压电晶体串联或并 联， 或采用压 电纤维。

[0019] 本发明采用应力集中非等截面悬臂梁， 将压电元件 3 贴合在悬臂梁 2 的凹槽 201 处 正上方， 通过设计凹槽 201处梁的厚度即可控制灵敏度大小， 通过设计质量块 1和弹性悬臂 梁 2的刚度系数可设计需要的谐振频率， 所以可较好地平衡灵敏度与谐振频率。 其中， 凹槽 201可以为矩形槽、 半圆柱槽或半椭圆柱槽等几何形状。 另外通过选择压电元件 3在悬臂梁 2上面的贴合方式， 如可将压电元件 3直接键合于悬臂梁 2的凹槽 201上方， 以避免因为粘 结材料耐温性差而影响传感器高温性能； 也可通过螺栓将压电元件 3锁定于悬臂梁 2的凹槽 201上方。

[0020] 该结构的压电式加速度传感器既适用于分立元 件的加速度传感器， 也适用于微机电 集成芯片 （MEMS ) 中的加速度传感器， 并广泛应用于航空、 航天、 兵器、 造船、 纺织、 农 机、 车辆、 电气等各系统的振动、 冲击测试、 信号分析、 机械动态试验、 环境模拟实验、 振 动校准、 模态分析、 故障诊断、 优化设计等。

[0021] 尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发 明， 但所属领域的技术人员应该明 白， 在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精 神和范围内， 在形式上和细节上对本发明 做出的各种变化， 均为本发明的保护范围。