一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器，包括測量微壓力引起機(jī)械變形的金屬彈性元件，在其頂部粘貼有多層撓曲電介電薄膜，撓曲電介電薄膜上下表面分別設(shè)有上金屬電極和下金屬電極，上金屬電極和下金屬電極之間通過絕緣層隔開，撓曲電介電薄膜的上金屬電極和下金屬電極分別連有輸出測量電荷信號(hào)的引線，撓曲電介電薄膜連同上金屬電極和下金屬電極以及絕緣層均置于外殼內(nèi)，引線的一端從外殼引出，金屬彈性元件和外殼間設(shè)有絕緣墊片，金屬彈性元件下方具有施加壓力的壓力通道；本發(fā)明通過所施加壓力與金屬彈性元件中機(jī)械變形的應(yīng)變梯度之間的線性關(guān)系測量薄膜上受到的壓力，通過疊層的方式提高輸出電荷，從而提高靈敏度，能夠準(zhǔn)確、簡單的實(shí)現(xiàn)壓力的測量。
【專利說明】一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及壓力傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感 器。

【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的壓電式傳感器利用某些電介質(zhì)材料具有受力后具有壓電效應(yīng)的現(xiàn)象制成。 壓電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)在受到一定方向上外力作用而變形（彎曲或者伸縮變形）時(shí)，由 于內(nèi)部電荷發(fā)生極化而在其表面上產(chǎn)生電荷聚集的現(xiàn)象。壓電傳感器就是通過測量表面電 荷，利用力電耦合關(guān)系實(shí)現(xiàn)其它非電量的測量。壓電式傳感器具有小體積，小質(zhì)量，耗能小， 對(duì)于動(dòng)態(tài)測量敏感度高，適合于寬頻域的瞬態(tài)周期性力測量，廣泛應(yīng)用在力學(xué)、聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、 宇航和國防等方面。壓電式傳感器是一種無源傳感器，并且壓電式傳感器通常就是利用壓 電材料的正壓電效應(yīng)制成。
[0003] 雖然壓電材料具有優(yōu)越的力電轉(zhuǎn)換效應(yīng)，但是在晶體學(xué)中，壓電效應(yīng)僅存在于具 有非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的晶體，這樣極大的限制了材料的選取和利用。天然存在的壓電材料壓 電效應(yīng)非常微弱，壓電率太低，很難用于實(shí)際檢測。目前廣泛使用的壓電材料主要有石英晶 體、壓電高分子和壓電陶瓷等材料。在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，所采用的壓電材料大多為鎬鈦酸鉛 類的壓電陶瓷，然而鎬鈦酸鉛含有重金屬鉛，容易對(duì)環(huán)境和人類健康造成傷害。
[0004] 撓曲電效應(yīng)和壓電效應(yīng)不同，是由于應(yīng)變梯度或者是非均勻的應(yīng)變場引起的局部 破壞反演對(duì)稱，從而導(dǎo)致晶體甚至是中心對(duì)稱的晶體發(fā)生極化的現(xiàn)象。撓曲電效應(yīng)普遍存 在于所有的電介質(zhì)中，包括非壓電材料和各向同性材料。撓曲電效應(yīng)通常定義為：
[0005] P, = μ?β! ⑴
[0006] 這里μ ijkl是四階撓曲電系數(shù)張量，ε υ是材料的彈性應(yīng)變，xk是梯度的方向，匕 是引起的電極化。
[0007] 在國際單位制下，撓曲電系數(shù)的單位是C/m。
[0008] 此處的撓曲電效應(yīng)嚴(yán)格意義上講指的是正撓曲電效應(yīng)，逆撓曲電效應(yīng)指極化梯度 引起的應(yīng)變現(xiàn)象，此處的撓曲電式傳感器基于正撓曲電效應(yīng)制成的。
[0009] 撓曲電式傳感器和基于正壓電效應(yīng)制成的傳統(tǒng)壓電式傳感器不同，撓曲電式傳感 器可以選擇對(duì)環(huán)境和人類友好型材料可用來制備。另外一個(gè)顯著的特點(diǎn)是撓曲電效應(yīng)與尺 寸相關(guān)，應(yīng)變梯度是隨著結(jié)構(gòu)尺寸的減小而增大的，小尺寸高靈敏度的撓曲電傳感器在實(shí) 際中可行。另外在傳感器承力結(jié)構(gòu)小變形中，由于應(yīng)變通常非常小，增加了檢測的難點(diǎn)，但 是小變形大應(yīng)變梯度的現(xiàn)象是普遍存在的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)上存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高靈敏度疊層 式撓曲電壓力傳感器，通過施加壓力與金屬彈性元件中機(jī)械變形的應(yīng)變梯度（曲率）之間 的線性關(guān)系測量薄膜上受到的壓力，能夠準(zhǔn)確、簡單的實(shí)現(xiàn)壓力的測量。
[0011] 為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0012] 一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器，包括測量微壓力引起機(jī)械變形的金屬彈 性元件2,在所述金屬彈性元件2的頂部粘貼有多層撓曲電介電薄膜6,所述撓曲電介電薄 膜6上下表面分別設(shè)置有上金屬電極7和下金屬電極8,所述上金屬電極7和下金屬電極8 之間通過絕緣層5隔開，所述撓曲電介電薄膜6的上金屬電極7和下金屬電極8分別連接 有輸出測量電荷信號(hào)的引線4,引線4的一端從外殼1引出，所述撓曲電介電薄膜6連同上 金屬電極7和下金屬電極8以及絕緣層5均置于外殼1內(nèi)，所述金屬彈性元件2和外殼1 間設(shè)置有絕緣墊片9,所述金屬彈性元件2下方具有施加壓力的壓力通道10。
[0013] 所述金屬彈性兀件2也置于外殼1內(nèi)。
[0014] 所述引線4與撓曲電介電薄膜6的上金屬電極7和下金屬電極8分別通過引線鍵 合的方式連接。
[0015] 所述撓曲電介電薄膜6為鈦酸鍶鋇薄膜。
[0016] 所述撓曲電介電薄膜6粘貼在金屬彈性元件2的頂部中央。
[0017] 所述金屬彈性元件2的頂部全部嵌入撓曲電介電薄膜6。
[0018] 所述金屬彈性元件2的下方固定有底座3,所述底座3為中空結(jié)構(gòu)形成壓力通道 10。
[0019] 所述多層撓曲電介電薄膜6之間以絕緣層5相互間隔增加。
[0020] 所述撓曲電介電薄膜6的最外層為絕緣層5。
[0021] 在室溫下，鈦酸鍶鋇材料具有極高的介電常數(shù)和正撓曲電系數(shù)（μ 12?100 μ C/ m)，可用于測量鈦酸鍶鋇薄膜表面由正撓曲電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷。
[0022] 本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0023] 1)本發(fā)明采用正撓曲電效應(yīng)測量壓力，與傳統(tǒng)的壓電式壓力傳感器不同，撓曲電 式傳感器材料的選取范圍更寬。
[0024] 2)變形中金屬彈性元件和鈦酸鍶鋇薄膜的應(yīng)變梯度相同（曲率相同），不需要應(yīng) 變的轉(zhuǎn)換，是一種更直接的測量方式。
[0025] 3)相對(duì)于壓電式壓力傳感器，具有高靈敏度，并具有尺寸效應(yīng)，隨薄膜尺寸的減小 靈敏度增加。
[0026] 4)在小變形情況下，應(yīng)變的測量較為困難，大應(yīng)變梯度依然存在，可極為容易的檢 測到電信號(hào)，甚至可直接輸出電信號(hào)分析，為結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場檢測提供了可能。
[0027] 5)由于極化產(chǎn)生的電荷數(shù)量較小，測量難度較大，采用多層鈦酸鍶鋇薄膜疊層的 方式，提高輸出電荷的倍數(shù)，在實(shí)驗(yàn)中靈敏度更高，更易于檢測，提高實(shí)驗(yàn)檢測的可靠度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖2為圖1去掉外殼后的俯視圖。
[0030] 圖3為本發(fā)明力學(xué)模型圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0032] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器，包括測量微壓 力引起機(jī)械變形的金屬彈性元件2,在所述金屬彈性元件2的頂部粘貼有多層撓曲電介電 薄膜6,所述撓曲電介電薄膜6上下表面分別設(shè)置有上金屬電極7和下金屬電極8,所述上 金屬電極7和下金屬電極8之間通過絕緣層5隔開，所述撓曲電介電薄膜6的上金屬電極 7和下金屬電極8分別連接有輸出測量電荷信號(hào)的引線4,引線4的一端從外殼1引出，所 述撓曲電介電薄膜6連同上金屬電極7和下金屬電極8以及絕緣層5均置于外殼1內(nèi)，所 述金屬彈性元件2和外殼1間設(shè)置有絕緣墊片9,所述金屬彈性元件2下方具有施加壓力的 壓力通道10。本實(shí)施例所述金屬彈性元件2的下方固定有底座3,所述底座3為中空結(jié)構(gòu) 形成壓力通道10。
[0033] 作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述金屬彈性元件2也可以置于外殼1內(nèi)。從而屏 蔽外界的電荷干擾，從而更精確的測量壓力。
[0034] 作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述引線4與撓曲電介電薄膜6的上金屬電極7和 下金屬電極8分別通過引線鍵合的方式連接。由撓曲電介電薄膜6的撓曲電效應(yīng)產(chǎn)生的電 荷就可以通過引線4輸出到外部測量儀器中。
[0035] 作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述撓曲電介電薄膜6為鈦酸鍶鋇薄膜。
[0036] 作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述撓曲電介電薄膜6以絕緣層間隔疊重復(fù)的方式 增加，最外層為絕緣層，根據(jù)實(shí)際的需要設(shè)置撓曲電介電薄膜的層數(shù)，增加輸出電荷數(shù)量。
[0037] 作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述撓曲電介電薄膜6粘貼在金屬彈性元件2的頂 部中央。使得測量結(jié)果更精確。
[0038] 作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述金屬彈性元件2的頂部全部嵌入撓曲電介電薄 膜6。這樣，可以測量到最多的電荷量或最大電壓差。
[0039] 如圖3所示，圖中2a為金屬彈性元件的直徑，金屬彈性元件受外壓力而發(fā)生變形， 通過力的傳遞進(jìn)而用撓曲電介電薄膜模擬金屬元件的彈性變形，撓曲電介電薄膜中的應(yīng)變 隨撓曲電介電薄膜的厚度線性變化（純彎曲假設(shè)），根據(jù)薄板理論和正撓曲電效應(yīng)，對(duì)于單 層的鈦酸鍶鋇薄膜：
[0040] Urr = U e e = zG (2)

【權(quán)利要求】
1. 一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器，包括測量微壓力引起機(jī)械變形的金屬彈性 元件（2)，其特征在于：在所述金屬彈性元件（2)的頂部粘貼有多層撓曲電介電薄膜（6)，所 述撓曲電介電薄膜（6)上下表面分別設(shè)置有上金屬電極（7)和下金屬電極（8)，所述上金屬 電極（7)和下金屬電極⑶之間通過絕緣層（5)隔開，所述撓曲電介電薄膜（6)的上金屬 電極（7)和下金屬電極⑶分別連接有輸出測量電荷信號(hào)的引線（4)，引線（4)的一端從外 殼⑴引出，所述撓曲電介電薄膜（6)連同上金屬電極（7)和下金屬電極⑶以及絕緣層 (5)均置于外殼（1)內(nèi)，所述金屬彈性元件（2)和外殼（1)間設(shè)置有絕緣墊片（9)，所述金 屬彈性元件（2)下方具有施加壓力的壓力通道（10)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器，其特征在于：所述 金屬彈性元件（2)也置于外殼（1)內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器，其特征在于：所述 引線⑷與撓曲電介電薄膜（6)的上金屬電極（7)和下金屬電極⑶分別通過引線鍵合的 方式連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器，其特征在于：所述 撓曲電介電薄膜（6)為鈦酸鍶鋇薄膜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器，其特征在于：所述 撓曲電介電薄膜（6)粘貼在金屬彈性元件（2)的頂部中央。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器，其特征在于：所述 金屬彈性元件（2)的頂部全部嵌入撓曲電介電薄膜（6)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器，其特征在于：所述 金屬彈性元件（2)的下方固定有底座（3)，所述底座（3)為中空結(jié)構(gòu)形成壓力通道（10)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器，其特征在于：所述 多層撓曲電介電薄膜（6)之間以絕緣層（5)相互間隔增加。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度疊層式撓曲電壓力傳感器，其特征在于：所述 撓曲電介電薄膜（6)的最外層為絕緣層（5)。
【文檔編號(hào)】G01L9/00GK104089737SQ201410290568
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月25日
【發(fā)明者】盧建鋒, 梁旭, 胡淑玲, 申勝平, 徐明龍 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)